衰減源作用下固結(jié)壓力及吸附參數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響

許照剛，張志紅，杜修力，李紅艷

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

衰減源作用下固結(jié)壓力及吸附參數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響

許照剛，張志紅，杜修力，李紅艷

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

固結(jié)變形會(huì)導(dǎo)致粘土防滲層的結(jié)構(gòu)特性和滲透特性發(fā)生改變，影響滲流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響污染物在防滲層中的運(yùn)移規(guī)律。在比奧固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，考慮線性吸附模式，研究了污染物在小變形土體中的運(yùn)移規(guī)律，分析了衰減源作用下，固結(jié)壓力與線性吸附系數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移過(guò)程的影響。結(jié)果表明，與不考慮固結(jié)作用相比，固結(jié)作用延遲了污染物的運(yùn)移，使得污染物運(yùn)移深度減小，并且隨著固結(jié)壓力的增大，固結(jié)作用對(duì)污染物運(yùn)移的延遲作用逐漸增強(qiáng)；在線性吸附模式情況下，污染物運(yùn)移深度減小率隨著吸附系數(shù)的減小逐漸增大，說(shuō)明固結(jié)作用對(duì)污染物運(yùn)移的延遲作用隨著吸附系數(shù)的減小而越來(lái)越凸顯。

固結(jié)變形；防滲層；污染物；運(yùn)移；防滲能力；線性吸附

粘土防滲層作為簡(jiǎn)易垃圾堆場(chǎng)或疏浚底泥堆場(chǎng)的水平防滲屏障對(duì)阻滯滲濾液泄漏、確保堆場(chǎng)安全性具有至關(guān)重要的作用，因此防滲層的防滲能力一直是有關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。體現(xiàn)防滲層防滲能力強(qiáng)弱的一個(gè)重要方面是防滲層在特定的時(shí)間內(nèi)是否被穿透，從而導(dǎo)致污染物發(fā)生泄漏，對(duì)地下水造成二次污染，這一問題涉及到污染物在防滲層中運(yùn)移規(guī)律的研究，受多種因素的影響，如防滲層滲透特性、土顆粒的吸附特性以及邊界條件等。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者們針對(duì)這些因素對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響開展了較多研究［1－3］，然而粘土防滲層在堆體自重作用下能夠發(fā)生固結(jié)變形這一力學(xué)特性對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響研究相對(duì)較少。但這卻又是一個(gè)非常實(shí)際且普遍存在的問題，簡(jiǎn)易垃圾堆場(chǎng)一般占地面積大，堆放量龐大，填埋高度高，使用年限以及穩(wěn)定固化時(shí)間長(zhǎng)，在填埋體自重作用下防滲層不可避免地會(huì)發(fā)生固結(jié)變形，導(dǎo)致孔隙率減小，而污染物運(yùn)移過(guò)程中的對(duì)流、彌散等作用的強(qiáng)弱與孔隙率大小直接相關(guān)，因此這種情況下考慮固結(jié)作用對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律影響具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義［4－9］。

目前研究污染物在防滲層中的運(yùn)移規(guī)律時(shí)，通常都是假定污染源濃度保持恒定且源源不斷的供給，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工程中，污染源濃度通常會(huì)隨著時(shí)間呈衰減的趨勢(shì)。本文基于比奧固結(jié)理論，在考慮污染源中有害物質(zhì)濃度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減的條件下，對(duì)污染物在固結(jié)小變形土體中的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了固結(jié)變形作用及吸附參數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響。

1 基本模型

1.1 基本假定

1）填埋場(chǎng)下部由粘土防滲層和不透水層構(gòu)成，如圖1。

圖1 污染物在粘土層中的運(yùn)移示意圖

2）外部荷載是一次瞬時(shí)施加的。

3）防滲層是飽和、各向同性、均質(zhì)、小變形線彈性體。

4）土顆粒和孔隙水不可壓縮。

5）滲流符合達(dá)西定律。

6）防滲層中水的滲流、防滲層變形和污染物運(yùn)移只發(fā)生在豎直方向。

7）在固結(jié)過(guò)程中，吸附系數(shù)為常數(shù)。

8）不考慮防滲層中污染物的背景濃度。

1.2 比奧一維固結(jié)模型

不考慮體力的比奧一維固結(jié)方程為

式中：G為土體剪切模量；ν為土體泊松比；u為超孔隙水壓力；w為土體在z方向的位移。

為求得式（1）中的u、w，比奧理論采用水流連續(xù)方程作為補(bǔ)充方程。

式中：k0為土體初始滲透系數(shù)；e為土體孔隙比；e0為土體初始孔隙比；ck為滲透指數(shù)，取0.5 e0

由于孔隙水和土顆粒不可壓縮，因此土體固結(jié)變形過(guò)程中土體體積的變化等于孔隙體積的變化，基于此可以得到孔隙率的計(jì)算式（4），通過(guò)孔隙率與孔隙比的換算關(guān)系式（5）可求得孔隙比的大小。

1.3 固結(jié)變形土體中污染物一維運(yùn)移模型

建立變形土體中污染物一維運(yùn)移模型時(shí)，考慮了濃度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的共同作用。各場(chǎng)對(duì)污染物運(yùn)移的貢獻(xiàn)如下：

濃度場(chǎng)作用下污染物運(yùn)移主要表現(xiàn)為分子擴(kuò)散，符合Fick第二定律。

式中：Fd為分子擴(kuò)散通量，kg／（s·m2）；De為污染物在土體中的有效分子擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；D0為污染物在開放水體中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；τ為多孔介質(zhì)的彎曲因子，可由經(jīng)驗(yàn)公式（13）確定［11］；m 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

滲流場(chǎng)作用下污染物運(yùn)移主要表現(xiàn)為對(duì)流和機(jī)械彌散，對(duì)流可用式（14）描述，機(jī)械彌散符合Fick第二定律，可用式（18）描述。

式中：Fc為對(duì)流通量，kg／（s·m2）；vt為孔隙水平均真實(shí)流速，m／s；c為孔隙水中污染物濃度，kg／m3；vtc為超孔隙水壓力梯度產(chǎn)生的z方向的孔隙水平均真實(shí)流速，m／s，由達(dá)西滲流定律式（16）求得；vth為靜水壓力梯度產(chǎn)生的z方向的孔隙水平均真實(shí)流速，m／s，由達(dá)西滲流定律式（17）求得；i為靜水壓力梯度；Fm為機(jī)械彌散通量，kg／（s·m2）；DL為機(jī)械彌散系數(shù)，m2／s；αL為縱向彌散度，m。

分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散統(tǒng)稱為水動(dòng)力彌散。

式中：Fh為水動(dòng)力彌散通量，kg／（s·m2）；D 為水動(dòng)力彌散系數(shù)，m2／s。

應(yīng)力場(chǎng)作用下污染物運(yùn)移主要表現(xiàn)為吸附在土顆粒上的污染物隨土骨架變形發(fā)生的移動(dòng)。

式中：Fs為吸附在土顆粒上的污染物隨土骨架變形而發(fā)生移動(dòng)時(shí)的質(zhì)量通量，kg／（s·m2）；S為單位質(zhì)量土顆粒吸附的污染物的質(zhì)量，kg／kg，是孔隙水中污染物濃度c的函數(shù)。

污染物運(yùn)移方程的建立是基于質(zhì)量守恒定律實(shí)現(xiàn)的，從土層中選取一個(gè)特征單元體，如圖2所示，研究Δt時(shí)間內(nèi)特征單元體液相及固相上污染物總質(zhì)量守恒?；诠桃簝上辔廴疚锟偟馁|(zhì)量守恒，同時(shí)考慮吸附作用，可以得到描述污染物在小變形土體中一維運(yùn)移方程式（24）。

圖2 污染物質(zhì)量守恒示意圖

式中：ρs為土顆粒密度，g／cm3；vs為土骨架變形速度，m／s，可按式（24）求得。

由基本假定可得污染物一維運(yùn)移模型的定解條件

式中：c（t）為污染源濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

至此得到了污染物在變形土體中一維運(yùn)移模型的相關(guān)方程，通過(guò)固結(jié)方程和水流連續(xù)方程的耦合求解，可得到超孔隙水壓力u和土體位移w，根據(jù)式（15）、（16）、（17）和式（24）可求得孔隙水平均真實(shí)流速vt和土骨架變形速度vs，代入污染物一維運(yùn)移方程（24），并考慮邊界條件式（25）、（26）、（27），可對(duì)污染物在變形土體中的一維運(yùn)移方程進(jìn)行求解。方程的求解采用有限差分法，對(duì)偏微分方程離散后所得的矩陣方程為三對(duì)角陣，用追趕法進(jìn)行求解，并采用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了求解計(jì)算。

2 參數(shù)選取

2.1 防滲土層物理力學(xué)特性參數(shù)

防滲土層厚度H＝2 m，初始孔隙比e0＝0.8，初始滲透系數(shù)k0＝7×10－10m／s，土顆粒密度ρs＝2.72 g／cm3，泊松比υ＝0.3，土體剪切模量G＝2.6×103kPa，縱向彌散度αL＝0.001 m。

2.2 污染物相關(guān)參數(shù)

選取常見的有機(jī)污染物——氨氮為研究對(duì)象，資料表明有機(jī)污染物的濃度隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律衰減［12－13］。氨氮源濃度隨時(shí)間的衰減規(guī)律為：c（0，t）＝c（t）＝c0×e－ηt。c0為污染源初始濃度，η為衰減系數(shù)，取c0＝500 mg／L，η＝0.4／a。氨氮在開放水體中的自由擴(kuò)散系數(shù)D0＝1.76×10－9m2／s。粘土對(duì)氨氮的吸附特性采用線性吸附模式描述［14］，即取S＝Kdc，其中Kd為吸附系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 固結(jié)壓力對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響

固結(jié)壓力的大小是決定土體固結(jié)壓縮變形量的重要因素，固結(jié)壓縮變形量的不同將決定其對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律影響的強(qiáng)弱。采用文獻(xiàn)［14］中給出的吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取Kd＝8×10－4m3／kg，研究了不同固結(jié)壓力作用下氨氮濃度隨時(shí)空的分布規(guī)律，見圖3、圖4，分析了不同固結(jié)壓力作用下固結(jié)變形對(duì)氨氮運(yùn)移規(guī)律的影響，固結(jié)壓力p＝0表示不考慮防滲層固結(jié)壓縮變形的影響。

圖3 不同時(shí)刻污染物濃度隨深度的分布曲線

從圖3可以看出，在特定的運(yùn)移時(shí)刻（2、5、10、20 a），不同固結(jié)壓力作用下，氨氮在防滲層中的分布規(guī)律比較相近。氨氮濃度均隨著土層深度的增加逐漸增大，在某一深度累積達(dá)到峰值濃度，而后氨氮濃度隨著深度的增加又逐漸減小，只是不同固結(jié)壓力作用下氨氮濃度峰值大小以及出現(xiàn)峰值的位置剖面不同，表現(xiàn)出隨著固結(jié)壓力的增大，氨氮的濃度峰值逐漸減小，同時(shí)濃度峰值出現(xiàn)的位置剖面、氨氮濃度隨深度分布曲線的下降段濃度峰面以及氨氮濃度隨深度分布曲線的質(zhì)量中心呈現(xiàn)出逐漸左移的趨勢(shì)，例如氨氮運(yùn)移20 a時(shí)，固結(jié)壓力分別為0、100、200、300、400、500、600 k Pa時(shí)，防滲層內(nèi)氨氮峰值濃度依次為15.98、13.05、10.71、8.83、7.29、6.01、4.92 mg／L，出現(xiàn)濃度峰值的位置依次為112、102、91、82、74、67、61 cm，這一變化趨勢(shì)表明固結(jié)壓力越大，出現(xiàn)峰值濃度的位置剖面離污染源就越近，氨氮運(yùn)移的距離就越短，說(shuō)明固結(jié)變形阻滯了氨氮的運(yùn)移過(guò)程，并且固結(jié)壓力越大，這種阻滯作用就越強(qiáng)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于固結(jié)壓力越大，土體壓縮變形量就越大，孔隙率減小量則越大，土體中的“流水通道”變的越狹窄，氨氮運(yùn)移的就越慢，因此在相同的運(yùn)移年限內(nèi)氨氮的運(yùn)移距離就越短。此外，在特定的運(yùn)移時(shí)刻，隨著固結(jié)壓力的增加，氨氮濃度隨深度的分布曲線與軸（濃度坐標(biāo)軸）圍成圖形的面積逐漸減小，從污染物一維運(yùn)移模型可知濃度曲線與軸圍成圖形的面積代表了整個(gè)土層內(nèi)孔隙水中氨氮含量的大小，由此可知隨著固結(jié)壓力的增大，整個(gè)土層內(nèi)孔隙水中氨氮含量逐漸減小，這是因?yàn)閷?duì)于同一研究土層，固結(jié)壓力越大，孔隙率減小量就越大，土體越密實(shí)，防滲層對(duì)氨氮運(yùn)移的阻滯作用就越強(qiáng)，氨氮運(yùn)移的速度就越慢，因此在相同的時(shí)間內(nèi)從污染源進(jìn)入土體孔隙水內(nèi)的氨氮量就越少，則孔隙水中的氨氮含量就越少。

對(duì)比分析圖3中不同時(shí)刻氨氮濃度隨深度分布曲線可知，某一特定的固結(jié)壓力（0、100、200、300、400、500、600 k Pa）作用下，隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)，氨氮的峰值濃度逐漸減小，例如在100 k Pa固結(jié)壓力作用下，氨氮運(yùn)移2、5、10、20 a時(shí)，防滲層中氨氮的峰值濃度分別是55.98、29.29、19.22、13.05 mg／L，這是由于固結(jié)壓力一定時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，污染源濃度不斷衰減，污染源的供給能力逐漸減弱，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)入土體的氨氮量逐漸減少，同時(shí)氨氮的分布范圍又逐漸增大，而防滲層中氨氮含量隨著時(shí)間的推移是一個(gè)均一化的過(guò)程，因此隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，峰值濃度逐漸減小。此外，隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)，與不同固結(jié)壓力對(duì)應(yīng)的氨氮濃度隨深度的分布曲線逐漸變的稀疏，表明隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)，固結(jié)壓力對(duì)氨氮濃度隨深度分布規(guī)律的影響逐漸增大。

圖4 不同深度處污染物濃度隨時(shí)間的變化曲線

從圖4可以看出，固結(jié)壓力對(duì)氨氮濃度隨時(shí)間變化規(guī)律的影響相似，即在特定的深度剖面處（50、100、150、200 cm），不同固結(jié)壓力作用下氨氮濃度均隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增加，到某一時(shí)刻氨氮濃度達(dá)到其峰值濃度，此后氨氮濃度隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，深度剖面距離污染源越近，這一變化趨勢(shì)越明顯，然而對(duì)于其它深度剖面處的氨氮濃度，只要運(yùn)移時(shí)間足夠長(zhǎng)，最終也會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；對(duì)于某一研究深度而言，考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮濃度峰值小于不考慮固結(jié)變形時(shí)的峰值濃度，同時(shí)出現(xiàn)峰值濃度的時(shí)刻點(diǎn)右移，且隨著固結(jié)壓力的增加，氨氮的濃度峰值逐漸減小，峰值濃度出現(xiàn)的時(shí)刻點(diǎn)也逐漸右移，反映出隨著固結(jié)壓力的增大，某一深度處氨氮濃度達(dá)到峰值濃度所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，例如50 cm深度處，固結(jié)壓力分別為0、100、200、300、400、500、600 kPa時(shí)，氨氮峰值濃度依次為 26.54、20.49、15.92、12.43、9.69、7.55、5.83 mg／L，出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)刻依次為 7.74、8.54、9.42、10.54、11.35、12.59、14.35 a，說(shuō)明固結(jié)變形對(duì)氨氮濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程起到了“挫峰”作用，且隨著固結(jié)壓力的增大這種“挫峰”作用逐漸增強(qiáng)。

根據(jù)《中華人民共和國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求水中氨氮含量不大于0.2 mg／L，本文定義防滲層底部的氨氮濃度超過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)土層被穿透，并定義防滲層孔隙水中的氨氮濃度超過(guò)該限值的深度范圍作為氨氮的運(yùn)移深度，以此為標(biāo)準(zhǔn)從圖3中可以確定與不同固結(jié)壓力對(duì)應(yīng)的氨氮的運(yùn)移深度，參見表1。

表1 不同固結(jié)壓力作用下污染物運(yùn)移深度 cm

從表1中可以更直觀地看出，隨著固結(jié)壓力的增大，氨氮運(yùn)移深度逐漸減小，表明隨著固結(jié)壓力的增大，固結(jié)變形對(duì)氨氮運(yùn)移的延遲作用逐漸增強(qiáng)?？紤]固結(jié)變形時(shí)氨氮運(yùn)移深度的減小程度可以用運(yùn)移深度減小率來(lái)表示，本文定義不考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮的運(yùn)移深度減去考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮的運(yùn)移深度的差值與初始土層厚度的比值為運(yùn)移深度減小率，例如100 k Pa固結(jié)壓力作用下，氨氮運(yùn)移2 a時(shí)，運(yùn)移深度減小率為（43.95－39.4）／200×100%＝2.28%。不同運(yùn)移時(shí)刻，與不同固結(jié)壓力對(duì)應(yīng)的運(yùn)移深度減小率參見表1。從表1中可以看出，對(duì)于特定的時(shí)刻（2、5、10、20 a），隨著固結(jié)壓力的增大氨氮運(yùn)移深度減小率逐漸增加，即隨著固結(jié)壓力的增大，考慮固結(jié)變形與否導(dǎo)致氨氮運(yùn)移深度的差異越來(lái)越大，定量地表明隨著固結(jié)壓力的增大，固結(jié)變形對(duì)氨氮運(yùn)移過(guò)程的阻滯作用逐漸增強(qiáng)。因此，對(duì)于大型簡(jiǎn)易垃圾堆場(chǎng)或疏浚底泥堆場(chǎng)，研究防滲層在堆體自重作用下能夠產(chǎn)生固結(jié)變形這一力學(xué)特性對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響是非常必要的。此外，從表1還可以看出，在某一特定的固結(jié)壓力（100、200、300、400、500、600 k Pa）作用下，隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)，氨氮運(yùn)移深度減小率逐漸增大，定量地表明隨著運(yùn)移時(shí)間的推移，固結(jié)變形對(duì)氨氮運(yùn)移規(guī)律的影響逐漸增大。因此對(duì)于運(yùn)營(yíng)時(shí)間以及穩(wěn)定固化時(shí)間長(zhǎng)的垃圾填埋場(chǎng)或底泥堆場(chǎng)而言，考慮防滲層固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響能夠更加合理科學(xué)地評(píng)估填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期安全性。

3.2 吸附系數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響

吸附系數(shù)的大小表征土顆粒對(duì)污染物吸附能力的強(qiáng)弱，土顆粒吸附能力越強(qiáng)，吸附作用對(duì)污染物運(yùn)移的阻滯作用就越強(qiáng)，污染物的運(yùn)移過(guò)程就越慢。用靜態(tài)吸附試驗(yàn)確定土顆粒對(duì)污染物的吸附特性時(shí)，土樣處于高度分散狀態(tài)，土顆粒的有效表面積大，實(shí)際土層中由于相鄰?fù)令w粒間的擠壓接觸使得土顆粒的有效表面積小，因此土層中土顆粒的實(shí)際吸附能力要小于靜態(tài)吸附試驗(yàn)所測(cè)得的土顆粒的吸附能力［15］。此外，固結(jié)變形導(dǎo)致土層被壓縮，孔隙率減小，土層變的密實(shí)，相鄰?fù)令w粒接觸面積增大，有效表面積減小，因此防滲層固結(jié)變形過(guò)程中，土顆粒的吸附能力會(huì)進(jìn)一步減弱。目前無(wú)法獲得土顆粒吸附能力與其有效表面積間的定量關(guān)系，因此假定防滲層固結(jié)變形過(guò)程中，土顆粒的吸附能力不變，即吸附系數(shù)Kd為常數(shù)，吸附模式為線性吸附。然而，為了確定吸附系數(shù)對(duì)污染物在變形土體中運(yùn)移規(guī)律的影響，選取固結(jié)壓力p＝200 k Pa，在試驗(yàn)測(cè)得的吸附系數(shù)值Kd＝8×10－4m3／kg的相鄰區(qū)間內(nèi)選取不同的值，研究并分析了不同運(yùn)移時(shí)刻吸附系數(shù)對(duì)氨氮在固結(jié)土層中的運(yùn)移規(guī)律的影響。數(shù)值模擬結(jié)果參見圖5、6。

從圖5中可以看出，對(duì)于特定的時(shí)刻（2、5、10、20 a），無(wú)論是否考慮固結(jié)變形，對(duì)于某一特定的吸附系數(shù)，氨氮濃度均隨著運(yùn)移深度的增加而逐漸增大，并在某一深度處達(dá)到峰值濃度，之后氨氮濃度隨著深度的增加而減小。但是考慮固結(jié)變形時(shí)，防滲層中氨氮的峰值濃度小于不考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮的峰值濃度，并且考慮固結(jié)變形時(shí)峰值濃度出現(xiàn)的位置與不考慮固結(jié)變形相比左移，例如氨氮運(yùn)移2 a時(shí)，在吸附系數(shù)Kd＝2×10－4m3／kg的情況下，考慮固結(jié)變形時(shí)防滲層中氨氮的濃度峰值為49.22 mg／L，出現(xiàn)峰值濃度的深度為22 cm，不考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮的濃度峰值為87.61 mg／L，出現(xiàn)峰值濃度的深度為26 cm。同時(shí)考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮濃度隨深度分布曲線下降段的濃度峰面與不考慮固結(jié)變形相比左移，定性地反映出固結(jié)變形阻滯了氨氮的運(yùn)移過(guò)程，使得氨氮的運(yùn)移深度減小；從圖5中還可以看出，考慮固結(jié)變形時(shí)，隨著吸附系數(shù)的增大，氨氮濃度隨深度分布曲線的濃度峰值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，然而不考慮固結(jié)變形時(shí)，氨氮濃度隨深度分布曲線的濃度峰值隨著吸附系數(shù)的增大逐漸減小，反映出固結(jié)變形使得吸附系數(shù)對(duì)氨氮濃度隨深度分布的影響有了本質(zhì)的改變，這一本質(zhì)影響主要是由于在研究固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響時(shí)考慮了吸附在土顆粒上的污染物隨土骨架變形發(fā)生的移動(dòng)對(duì)污染物運(yùn)移過(guò)程的貢獻(xiàn)。

圖5 不同時(shí)刻吸附系數(shù)對(duì)污染物濃度沿深度分布規(guī)律的影響

圖6 不同深度處污染物濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖6可以看出無(wú)論是否考慮固結(jié)變形，對(duì)于特定的深度剖面（50、100、150、200 cm），線性吸附系數(shù)對(duì)氨氮濃度隨時(shí)間變化規(guī)律的影響相似。即吸附系數(shù)取某一定值時(shí)，氨氮濃度均隨著運(yùn)移時(shí)間的增加而逐漸增大，并在某一時(shí)刻達(dá)到峰值濃度，而后又隨著運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小。并且隨著吸附系數(shù)的增大，氨氮的峰值濃度逐漸減小，同時(shí)出現(xiàn)峰值濃度的時(shí)刻點(diǎn)逐漸右移，深度剖面越接近污染源，這一變化趨勢(shì)越明顯，然而對(duì)于其它深度處的氨氮濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，只要運(yùn)移時(shí)間足夠長(zhǎng)，最終也會(huì)呈現(xiàn)這一趨勢(shì)。對(duì)于特定的深度剖面（50、100、150、200 cm），吸附系數(shù)取某一定值時(shí)，考慮固結(jié)變形與不考慮固結(jié)變形氨氮的峰值濃度不同，并且出現(xiàn)峰值濃度的時(shí)刻點(diǎn)也有差別，表現(xiàn)出在特定的深度剖面，考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮濃度峰值小于不考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮的峰值濃度，并且考慮固結(jié)變形時(shí)出現(xiàn)峰值濃度的時(shí)刻點(diǎn)右移，氨氮濃度達(dá)到峰值所需的時(shí)間增長(zhǎng)，同樣表明固結(jié)變形起到了“挫峰”作用。

根據(jù)《中華人民共和國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在圖5中可以確定與不同吸附系數(shù)對(duì)應(yīng)的氨氮的運(yùn)移深度，參見表2。

從表2中可以直觀地看出，在特定的運(yùn)移時(shí)刻（2、5、10、20 a），對(duì)于某一特定的吸附系數(shù)，在防滲層未被穿透的情況下，考慮固結(jié)變形時(shí)，氨氮運(yùn)移深度小于不考慮固結(jié)變形時(shí)的運(yùn)移深度，定量地表明固結(jié)變形阻滯了氨氮的運(yùn)移，降低了氨氮的穿透能力，使得氨氮在防滲層中的運(yùn)移變慢，提高了填埋場(chǎng)的安全性?？紤]固結(jié)變形時(shí)，與不同吸附系數(shù)對(duì)應(yīng)的氨氮運(yùn)移深度減小率參見表2。從表2中可以看出，對(duì)于特定的運(yùn)移時(shí)刻（2、5、10、20 a），氨氮運(yùn)移深度減小率隨著吸附系數(shù)的減小逐漸增大，即隨著吸附系數(shù)的減小，考慮與不考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮運(yùn)移深度的差異越來(lái)越大，定量地反映出固結(jié)變形對(duì)氨氮運(yùn)移規(guī)律的影響隨著吸附系數(shù)的減小而增大。因此，研究實(shí)際土體中相鄰?fù)令w粒間的接觸擠壓導(dǎo)致的有效表面積減小以及固結(jié)變形導(dǎo)致的土顆粒有效表面積的減小對(duì)土顆粒吸附能力的削弱作用具有重要的理論意義和工程價(jià)值。此外，從表2中還可以看出，對(duì)于某一特定的吸附系數(shù)，在防滲層未被穿透的情況下，考慮固結(jié)變形時(shí)氨氮運(yùn)移深度的減小率隨著運(yùn)移年限的增加逐漸增大，說(shuō)明固結(jié)變形對(duì)氨氮運(yùn)移規(guī)律具有持久的影響作用，因此對(duì)大型填埋場(chǎng)而言，研究固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移過(guò)程的影響是非常必要的。

表2 與不同吸附系數(shù)對(duì)應(yīng)的污染物運(yùn)移深度 cm

4 結(jié)論

通過(guò)研究污染物在防滲土層中的運(yùn)移規(guī)律，可以得到污染物在防滲土層中的時(shí)空分布規(guī)律，進(jìn)而可以對(duì)粘土防滲層的防滲能力進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)填埋場(chǎng)或堆場(chǎng)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)研究可以得到以下結(jié)論：

1）固結(jié)變形對(duì)氨氮在土層中的運(yùn)移起到了阻滯作用，使得氨氮的運(yùn)移深度減小，同時(shí)氨氮濃度達(dá)到峰值所需的時(shí)間增加，并且運(yùn)移深度減小率隨著固結(jié)壓力的增加而增大。表明固結(jié)變形增強(qiáng)了防滲層的防滲能力，并且這種增強(qiáng)作用隨著固結(jié)壓力的增加而增大。因此對(duì)于大型簡(jiǎn)易垃圾堆場(chǎng)或疏灘底泥堆場(chǎng)，考慮防滲土層在堆體自重作用下產(chǎn)生固結(jié)變形這一力學(xué)特性對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響以及防滲層防滲能力的貢獻(xiàn)是非常必要的。

2）運(yùn)移深度減小率隨著吸附系數(shù)的減小逐漸增大，反映出固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響隨著吸附系數(shù)的減小逐漸增強(qiáng)，表明固結(jié)變形對(duì)防滲層防滲能力的增強(qiáng)作用隨著吸附系數(shù)的減小而增大。因此考慮從微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)理方面研究土顆粒的吸附能力與其有效表面積的定量關(guān)系對(duì)正確反映污染物運(yùn)移的實(shí)際情況以及對(duì)更加合理地考慮固結(jié)變形對(duì)防滲層防滲能力的增強(qiáng)作用具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

3）隨著運(yùn)移時(shí)間的增加，固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響越來(lái)越凸顯，說(shuō)明固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律具有持久的影響作用，反映出固結(jié)變形對(duì)防滲層防滲能力的增強(qiáng)作用隨著時(shí)間的推移越來(lái)越凸顯。因此對(duì)于運(yùn)移年限以及使用年限較長(zhǎng)的堆場(chǎng)而言，考慮固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響以及對(duì)防滲層防滲能力的貢獻(xiàn)能夠更加科學(xué)合理地評(píng)估堆場(chǎng)的長(zhǎng)期安全性。

（4）防滲層固結(jié)變形能夠增強(qiáng)防滲層的防滲能力，使得在相同的運(yùn)移時(shí)間內(nèi)，污染物的運(yùn)移距離減小，并且隨著時(shí)間的推移，運(yùn)移距離減小率不斷增大，因此對(duì)于大型堆場(chǎng)而言，在其他條件相同時(shí)，建議考慮固結(jié)變形對(duì)防滲層防滲能力的貢獻(xiàn)，合理地減小防滲層的設(shè)計(jì)厚度，如此所獲得的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將是可觀的。

［1］何俊，肖衡林，李顏娟.滲透系數(shù)的變異性對(duì)壓實(shí)黏土襯墊性能的影響［J］.巖土力學(xué)，2011，32（10）：3048-3052.

He J，Xiao H L，Li Y J.Effect of permeability coefficient variability on performance of compacted clay liners［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（10）：3048-3052.

［2］席永惠，趙紅，胡中雄.粉煤灰、粘土、膨潤(rùn)土等對(duì)Zn2＋的吸附試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26（8）：1269-1272.

Xi Y H，Zhao H，Hu Z X.Study on sorption of Zn2＋by fly ash，clay and bentonite ［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（8）：1269-1272.

［3］Peters G P，Smith D W.Numerical study of boundary conditions for solute transport through a porous medium ［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2001，25：629-650.

［4］Smith D W. One-dimensional contaminant transport through a deforming porous medium：theory and a solution for a quasi-steady-state problem ［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2000，24（8）：693-722.

［5］Peters G P，Smith D W.Solute transport through a deforming porous medium ［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2002，26（7）：683-717.

［6］Fox P J.Coupled large strain consolidation and solute transport.I： Model development ［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2007，133：3-15.

［7］Fox P J.Coupled large strain consolidation and solute transport.II：Model verification and simulation results［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2007，133：16-29.

［8］張志紅，李濤.考慮土體固結(jié)變形的污染物運(yùn)移模型［J］.巖土力學(xué)，2008，29（6）：1435-1439.

Zhang Z H，Li T.Model of contamination transport considering consolidation deformation of soils［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（6）：1435-1439.

［9］李濤，劉利，丁洲祥.大變形黏土防滲層中的污染物遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（3）：687-694.

Li T，Liu L，Ding Z X.Study of transport and transformation of contaminant through a clay layer with large deformation［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33（3）：687-694.

［10］Taylor D W.Fundamentals of soil mechanics ［M］.New York：J.Wiley，1948.

［11］劉建國(guó)，王洪濤，聶永豐.多孔介質(zhì)中溶質(zhì)有效擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)的分形模型［J］.水科學(xué)進(jìn)展.2004，15（4）：458-462.

Liu J G，Wang H T，Nie Y F.Fractal model for predicting effective diffusion coefficient of solute in porous media［J］.Advances in Water Science，2004，15（4）：458-462.

［12］Lu J C S，Morrison R D，Stearns R J.Leachate production and management from municipal landfills：summary and assessment ［C］／／Proceeding of the 7thSHWRD Research Symposium，Cincinnati.Ohio，1981：1-17

［13］張振營(yíng)，吳世明，陳云敏.天子嶺填埋場(chǎng)有機(jī)物降解規(guī)律的研究［J］.巖土力學(xué)，2002，23（1）：60-62.

Zhang Z Y，Wu S M，Chen Y M.Study on degradation law of organic substance of Tianziling MSW（municipal solid waste）landfill ［J］.Rock and Soil Mechanics，2002，23（1）：60-62.

［14］張志紅，趙成剛，李濤.氨氮在黏土防滲層中滲透和運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（1）：28-32.

Zhang Z H，Zhao C G，Li T.Experimental study of infiltration and transportation of ammonia nitrogen through the clayey soil layer ［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（1）：28-32.

［15］張澄博，孔德坊，許國(guó)琳，等.成都長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)填土料對(duì)污染物質(zhì)的吸附試驗(yàn)研究［J］.礦物巖石，1998，18（1）：108-114.

Zhang C B，Kong D F，Xu G L，et al.Studying on the adsorbing pollutans of intermadiat cover soil in changan landfill site，Chengdu［J］.Journal of Mineralogy and Petrology，1998，18（1）：108-114.

（編輯 王秀玲）

Effect of Consolidation Pressure and Adsorption Parameter on Contaminant Transport Considering the Biodegradation of Contaminant at Source

Xu Zhaogang，Zhang Zhihong，Du Xiuli，Li Hongyan

（The key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，P.R.China）

Consolidation deformation can lead to changes of structural and permeable characteristics of clay impermeable layer，which will affect the distribution of seepage field and concentration field，and then affect the transport law of contaminant in impermeable layer.Based on the Biot consolidation theory，the transport law of contaminant in deforming soil is studied taking account.Meanwhile，the effects of consolidation pressures and adsorption parameters have been analyzed separately.The results show that consolidation deformation retards the transport process of contaminant and shortens the transport depth of contaminant.In addition，the retardation of consolidation deformation on the transport process of contaminant becomes stronger as the consolidation pressure increases.Meanwhile，under the condition of a linear adsorption mode，the decreasing rate of migration depth increases gradually as the adsorption parameter decreases.It is shown that the retardation of consolidation deformation on the transport process of contaminant becomes more visible when the adsorption parameter decreases.The results have important theoretical significance for the design of effective thickness of the simple constructed garbage dump and bottom sediment dump，as well as the safety evaluation of impermeable layer.

consolidation deformation；impermeable layer；contaminant；migration；impervious ability；linear adsorption

X144

A

1674-4764（2014）02-0094-10

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.015

2013-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51008008）；北京市教育委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（KM201010005023）

許志剛（1984-），男，博士生，主要從事環(huán)境巖土工程研究，（E-mail）xuzg2009＠bjut.edu.cn。