兩種土壓力水平下防滲帷幕的防污能力

何 俊,胡曉瑾,阮曉晨,顏 興

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430068)

兩種土壓力水平下防滲帷幕的防污能力

何 俊,胡曉瑾,阮曉晨,顏 興

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430068)

為探究防滲帷幕材料在不同荷載作用下導(dǎo)致的滲透性和厚度變化對(duì)其防污能力的影響,在對(duì)土-膨潤(rùn)土防滲帷幕工程性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了污染物運(yùn)移計(jì)算,分析了不同壓力和邊界條件下帷幕的擊穿時(shí)間。結(jié)果表明:土-膨潤(rùn)土帷幕材料多屬于中壓縮性土,帷幕材料在底端壓力下滲透系數(shù)與初始滲透系數(shù)的差異可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí);常用的相對(duì)濃度為10%和穩(wěn)定通量為5%兩種擊穿標(biāo)準(zhǔn)所得擊穿時(shí)間存在較大差異,兩者的比值為1.42～2.21;以帷幕底端參數(shù)計(jì)算的帷幕下游處相對(duì)濃度和通量均小于以初始參數(shù)計(jì)算的結(jié)果,前者擊穿時(shí)間大于后者,以最大壓力對(duì)應(yīng)參數(shù)所得的設(shè)計(jì)結(jié)果偏于危險(xiǎn)。

防滲帷幕;土-膨潤(rùn)土;污染物運(yùn)移;土壓力;擊穿時(shí)間

防滲帷幕是抑制衛(wèi)生填埋場(chǎng)滲濾液對(duì)地下水和土體污染的措施之一,其較低的滲透系數(shù)是達(dá)到預(yù)期防污效果的關(guān)鍵性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外常用的防滲帷幕材料有土-膨潤(rùn)土、水泥-膨潤(rùn)土以及黏土固化注漿等[1-2],其中土-膨潤(rùn)土防滲帷幕具有施工簡(jiǎn)便、成本低廉和抗?jié)B能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)及污染場(chǎng)地修復(fù)領(lǐng)域。

一般情況下,土-膨潤(rùn)土防滲帷幕材料施工時(shí),含水率需滿足施工坍落度100～150 mm的要求,此時(shí)土樣含水率較高、干密度較小。Barben等[3-4]研究發(fā)現(xiàn),土-膨潤(rùn)土坍落度滿足要求時(shí)含水率約在43.2%～53.1%范圍內(nèi)。Baxter等[5]研究表明,達(dá)到坍落度要求的含水率約為液限的1.0～1.5倍。此外,防滲帷幕在使用過程中,由于受到豎向壓力和水平壓力作用,防滲材料將發(fā)生壓縮,且滲透系數(shù)隨壓力的變化范圍較大。Malusis等[6-7]研究表明,當(dāng)土-膨潤(rùn)土所受壓力從24 kPa增大到383 kPa時(shí),滲透系數(shù)從2.6×10-10m/s減小至1.3×10-10m/s,壓縮指數(shù)為0.21～0.24,屬于中等壓縮性土。Yeo等[4]對(duì)不同黏粒含量和膨潤(rùn)土含量的土-膨潤(rùn)土材料研究發(fā)現(xiàn),壓縮指數(shù)隨黏粒含量及膨潤(rùn)土含量的增大而增大,最大為0.27;當(dāng)壓力從5 kPa增大到320 kPa時(shí),滲透系數(shù)降低約1個(gè)數(shù)量級(jí)。杜延軍等[8]也得到類似的結(jié)果。不同深度處土-膨潤(rùn)土防滲帷幕所受的壓力不同,其厚度、滲透系數(shù)也將與施工時(shí)有所差異,相應(yīng)的防污能力也可能隨深度而變化。

衛(wèi)生填埋場(chǎng)滲濾液中污染物的運(yùn)移是一個(gè)包括對(duì)流、擴(kuò)散、水化消解、沉淀、吸附、離子交換等作用的極其復(fù)雜的過程,僅單一、定性地研究防滲帷幕材料的滲透性、對(duì)污染物的阻滯吸附作用還不足以為帷幕的設(shè)計(jì)提供足夠的依據(jù)。詹良通等[9]通過設(shè)定3種不同的地質(zhì)透水條件,基于Ogata經(jīng)典半無限邊界條件解析解,分析了滲透系數(shù)、防滲帷幕厚度以及水頭差等因素對(duì)防滲帷幕服役壽命的影響,發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)降低1個(gè)數(shù)量級(jí),防滲帷幕的服役年限增加近10倍;厚度從0.6 m增加到1.6 m時(shí),擊穿時(shí)間延長(zhǎng)至原來的6～7倍;水頭差對(duì)防滲帷幕服務(wù)性能的影響更加不能忽視,水頭差由10 m減小至0.3 m,服役時(shí)間可達(dá)原來的23～30倍。文獻(xiàn)[9]及我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范(CJJ 176—2012《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》)服役年限均以相對(duì)濃度為10%作為擊穿濃度的控制標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算確定。

圖1 計(jì)算模型示意圖

防滲帷幕中污染物運(yùn)移計(jì)算有多種邊界條件,Rabideau等[10]對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,給出了有限厚度邊界條件下污染物運(yùn)移的解答,并推薦在現(xiàn)場(chǎng)尺度下選擇入口定濃度、有限厚度出口零濃度作為邊界條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。Britton等[11-13]在研究防滲帷幕中污染物的運(yùn)移時(shí),均選用有限厚度邊界條件,并以污染物通量達(dá)到5%的穩(wěn)定通量時(shí)所需的時(shí)間作為擊穿時(shí)間。實(shí)際上,在防滲襯墊和屏障設(shè)計(jì)時(shí),通常需要針對(duì)具體的污染物,根據(jù)飲用水濃度標(biāo)準(zhǔn)和污染物通量共同確定。Foose[14]在設(shè)計(jì)襯墊時(shí)以CH2Cl2為對(duì)象,以襯墊底部質(zhì)量濃度小于5 μg/L和通量小于1 500 mg/(hm2·a)為標(biāo)準(zhǔn),其中質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)美國(guó)環(huán)保局飲用水標(biāo)準(zhǔn)確定的,而通量標(biāo)準(zhǔn)沒有明確給出確定方法。防滲帷幕常用的邊界條件(即半無限和有限厚度邊界條件)、擊穿標(biāo)準(zhǔn)(即相對(duì)濃度和通量擊穿標(biāo)準(zhǔn))對(duì)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的影響如何,目前還缺乏相關(guān)研究。

本文以土-膨潤(rùn)土防滲帷幕為研究對(duì)象,分析帷幕材料的厚度和滲透系數(shù)等參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律,選定兩種土壓力水平下材料性質(zhì)參數(shù),采用半無限和有限厚度兩種邊界條件進(jìn)行污染物運(yùn)移計(jì)算,并分別以相對(duì)濃度和通量作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)探討防滲帷幕擊穿時(shí)間的差異,以期為土-膨潤(rùn)土防滲帷幕的性能評(píng)價(jià)和合理設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方案

1.1 防滲帷幕所受的土壓力

(1)

(2)

式中:kam為主動(dòng)土壓力系數(shù);ρ′為帷幕材料的有效密度;g為重力加速度;Z為防滲帷幕的深度。為簡(jiǎn)化計(jì)算,取kam等于靜止側(cè)壓力系數(shù)1-sinφ′,其中φ′為有效摩擦角(取為30°),有效密度取為0.97 g/cm3[5]。依據(jù)文獻(xiàn)[9]中蘇州七子山填埋場(chǎng)防滲帷幕情況,假設(shè)帷幕深度為40 m(圖1(a)),可計(jì)算得防滲帷幕最深處所承受的水平有效應(yīng)力為194 kPa。

1.2 研究方法

考慮兩個(gè)工況(圖1(b)(c),工況1運(yùn)移參數(shù)選為帷幕頂部初始厚度及低壓力下的相應(yīng)系數(shù),工況2運(yùn)移參數(shù)選為帷幕底端在194 kPa土壓力下的厚度及相應(yīng)參數(shù)),分別進(jìn)行污染物運(yùn)移計(jì)算,探討兩種工況下帷幕材料的防污性能。其中,工況1對(duì)應(yīng)帷幕施工完成后沒有固結(jié)壓力時(shí)的情況,工況2對(duì)應(yīng)整個(gè)帷幕承受最大固結(jié)壓力、固結(jié)變形完成后的情況。

污染物在防滲帷幕材料中的運(yùn)移可用對(duì)流彌散方程來描述[10]:

(3)

式中:Rd為阻滯系數(shù);C為污染物濃度;D為水動(dòng)力彌散系數(shù),由于帷幕材料中流速很小,水動(dòng)力彌散系數(shù)可取為擴(kuò)散系數(shù);v為平均孔隙流速,v=ki/θ,其中k為滲透系數(shù),i為水力梯度,θ為體積含水量,飽和土樣的體積含水量即為孔隙率n。

分別考慮半無限邊界條件和有限厚度邊界條件,入口邊界污染物濃度恒為C0,出口邊界污染物濃度恒為0 mol/L;初始濃度為0 mol/L。在半無限邊界條件下,x=H處濃度C與C0的比值(即相對(duì)濃度)為[9]

(4)

式中:H為防滲帷幕厚度;t為時(shí)間。

在有限厚度邊界條件下,x=H處通量J[10]為

(5)

穩(wěn)定通量Jss為

(6)

選擇兩種擊穿標(biāo)準(zhǔn):①濃度標(biāo)準(zhǔn)[9-10],即x=H處污染物濃度達(dá)到C0的10%時(shí)防滲帷幕被擊穿;②通量標(biāo)準(zhǔn)[13-14],即x=H處污染物通量達(dá)到穩(wěn)定通量的5%時(shí)防滲帷幕被擊穿。

1.3 運(yùn)移參數(shù)

選用高嶺土-膨潤(rùn)土、添加膠粉的高嶺土-膨潤(rùn)土進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在高嶺土-膨潤(rùn)土中添加膠粉的目的是增強(qiáng)帷幕材料對(duì)有機(jī)污染物的吸附阻滯能力。

表1 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

注:15%GR、15%PR分別表示添加12目和30目膠粉的改性高嶺土-膨潤(rùn)土,膠粉與高嶺土的質(zhì)量比為0.15。

試驗(yàn)時(shí),用5%的膨潤(rùn)土漿液與高嶺土或膠粉-高嶺土混合土拌和,參考相關(guān)研究[3-7]中含水率的控制方法,取滿足110 mm坍落度要求的含水率為控制含水率;土樣密封靜置24 h后開展固結(jié)試驗(yàn)。滲透系數(shù)由k=Cvmvρwg間接得出,其中Cv為固結(jié)系數(shù),mv為體積壓縮系數(shù),ρw為水的密度,g為重力加速度。

分析發(fā)現(xiàn),土樣在100～200 kPa豎向壓力下壓縮系數(shù)為0.3～0.5 MPa-1,屬于低-中壓縮性土;壓縮指數(shù)為0.12～0.17。土樣滲透系數(shù)隨豎向壓力的增大而減小,在10-8～10-7cm/s數(shù)量級(jí)之間變化。參考固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果,污染物運(yùn)移計(jì)算時(shí)所用孔隙率及滲透系數(shù)取值見圖1(b)(c)。參考文獻(xiàn)[9，17]中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,本文擴(kuò)散系數(shù)選為2.0×10-6cm2/s;考慮屏障材料對(duì)污染物有一定的吸附阻滯能力,阻滯系數(shù)選為1.5。另外,分別選用30 cm和200 cm模擬上下游低水頭差和高水頭差。

CJJ 176—2012《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》要求垂直防滲帷幕厚度不小于0.6 m且不宜大于1.5 m,本文選為1.0 m。假設(shè)防滲帷幕只在水平方向上發(fā)生一維固結(jié)壓縮,運(yùn)用分層總和法,按照一層計(jì)算,防滲帷幕的壓縮量s可表示為

(7)

式中e0、e分別為初始孔隙比和水平壓力作用下對(duì)應(yīng)的孔隙比。根據(jù)上式可計(jì)算出194 kPa水平壓力下防滲帷幕的厚度為0.89 m。

圖2 帷幕下游相對(duì)濃度與時(shí)間的關(guān)系

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)濃度

圖2為半無限邊界條件下防滲帷幕下游處(x=H)相對(duì)濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?①在水頭差一定的條件下,工況1相對(duì)濃度遠(yuǎn)高于工況2,二者差異顯著。例如,低水頭差、20 a時(shí),工況1和工況2相對(duì)濃度分別為0.247和0.079,前者約為后者的3.1倍;高水頭差時(shí),工況1相對(duì)濃度在6 a時(shí)就接近1.0,而工況2相對(duì)濃度在20 a時(shí)約為0.84。②上下游水頭差增大導(dǎo)致?lián)舸r(shí)間提前，且水頭差越大,兩種工況下?lián)舸r(shí)間的差異越大。以C0的10%為擊穿標(biāo)準(zhǔn)(濃度標(biāo)準(zhǔn))時(shí),低水頭差條件下,工況1和工況2擊穿時(shí)間約分別為13.0 a和22.5 a,后者約為前者的1.73倍;高水頭差條件下,工況1和工況2擊穿時(shí)間約分別為3.0 a和8.0 a,后者約為前者的2.67倍。

2.2 污染物通量

圖3為有限厚度邊界條件下防滲帷幕下游處污染物通量J與穩(wěn)定通量Jss的比值與時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?與圖1類似,在一定水頭差下,工況1通量大于工況2通量;上下游水頭差增大導(dǎo)致?lián)舸r(shí)間提前。以5%穩(wěn)定通量為擊穿標(biāo)準(zhǔn)時(shí),低水頭差條件下,工況1和工況2擊穿時(shí)間約分別為9.2 a和10.2 a,后者約為前者的1.11倍;高水頭差條件下,工況1和工況2擊穿時(shí)間約分別為2.3 a和6.1 a,后者約為前者的2.65倍。與圖1相比,低水頭差條件下工況1和工況2相對(duì)通量的差異略小于相對(duì)濃度的差異;以通量標(biāo)準(zhǔn)所得擊穿時(shí)間小于以濃度標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果。

圖3 帷幕下游相對(duì)通量與時(shí)間的關(guān)系

2.3 擊穿時(shí)間

在低水頭差、不同擊穿標(biāo)準(zhǔn)下,擊穿時(shí)間tj與阻滯系數(shù)Rd的關(guān)系曲線如圖4所示,擊穿時(shí)間tj與帷幕初始厚度H0的關(guān)系曲線如圖5所示?？梢钥闯?①隨著阻滯系數(shù)和帷幕初始厚度的增大,擊穿時(shí)間大幅增加。增強(qiáng)帷幕材料的吸附能力對(duì)延長(zhǎng)擊穿時(shí)間是非常重要的,尤其是在帷幕厚度已經(jīng)很大但仍不能滿足要求的情況下。例如,以工況1、濃度標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算,當(dāng)初始厚度為1.0 m的帷幕材料的阻滯系數(shù)由1.5增大到3.0時(shí),擊穿時(shí)間由13.0 a增加到26.1 a;當(dāng)阻滯系數(shù)為1.5的帷幕材料的初始厚度由1.0 m增大到1.5 m時(shí),擊穿時(shí)間由13.0 a增加到29.4 a。②以C0的10%作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)所得的擊穿時(shí)間大于以5%穩(wěn)定通量標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果。對(duì)于工況1,濃度標(biāo)準(zhǔn)與通量標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果的比值為1.42;對(duì)于工況2,二者比值為2.21;當(dāng)水頭差一定時(shí),該比值基本不隨阻滯系數(shù)和初始厚度的變化而變化。③工況2擊穿時(shí)間均大于工況1計(jì)算結(jié)果。濃度標(biāo)準(zhǔn)下,工況2與工況1所得擊穿時(shí)間的比值約為1.72;通量標(biāo)準(zhǔn)下,二者比值約為1.11。④在本文計(jì)算條件下,工況2濃度標(biāo)準(zhǔn)得到的擊穿時(shí)間最長(zhǎng),工況1通量標(biāo)準(zhǔn)得到的擊穿時(shí)間最短。

圖4 擊穿時(shí)間與阻滯系數(shù)的關(guān)系(H0=1.0 m)

圖5 擊穿時(shí)間與帷幕初始厚度的關(guān)系(Rd=1.5)

2.4 討論

劉庭發(fā)等[18]在復(fù)合襯墊對(duì)重金屬離子防污性能研究中指出,采用擊穿時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性值得探討。實(shí)際上,對(duì)于防滲帷幕而言,用擊穿時(shí)間作為評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)指標(biāo)也需要注意:①邊界條件和擊穿標(biāo)準(zhǔn)的選擇。半無限邊界條件相對(duì)簡(jiǎn)單,并可以采用濃度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,根據(jù)GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中地下水質(zhì)量指標(biāo)即可確定污染物濃度限值。但是,有限厚度邊界可能更符合實(shí)際工況,此時(shí)只能選擇通量作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。本文依據(jù)文獻(xiàn)[12-13],選擇5%的穩(wěn)定通量作為擊穿標(biāo)準(zhǔn),但5%的選擇有一定的主觀性,如何選擇合適的通量擊穿標(biāo)準(zhǔn)還有待于深入研究。②帷幕不同位置的擊穿時(shí)間存在差異,且差異隨著上下游水頭差的增大而增大。帷幕材料受壓后厚度變薄、滲透系數(shù)減小,前者對(duì)防污不利而后者對(duì)防污有利,但總體而言滲透系數(shù)減小對(duì)增強(qiáng)帷幕防污效果的影響更大。設(shè)計(jì)時(shí)若選用壓力偏大則相應(yīng)滲透系數(shù)偏小,如果再不考慮帷幕厚度的變化,得到的設(shè)計(jì)結(jié)果將偏于危險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

a. 土-膨潤(rùn)土防滲帷幕材料一般屬于中壓縮性土,在水平應(yīng)力作用下發(fā)生固結(jié)壓縮,厚度變薄且滲透系數(shù)減小。在本文試驗(yàn)和計(jì)算條件下,防滲帷幕在40 m深處所受水平應(yīng)力約194 kPa,與初始厚度相比其厚度減小約10%,滲透系數(shù)由低壓力下的10-7cm/s數(shù)量級(jí)減小至194 kPa壓力下的10-8cm/s數(shù)量級(jí)。

b. 選取不同的擊穿標(biāo)準(zhǔn)所得的結(jié)果存在較大的差異。以5%穩(wěn)定通量作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)所得擊穿時(shí)間小于以C0的10%作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果。在30 cm水頭差情況下,濃度標(biāo)準(zhǔn)與通量標(biāo)準(zhǔn)所得擊穿時(shí)間的比值為1.42～2.21。

c. 以帷幕底端參數(shù)(工況2)計(jì)算的帷幕下游處相對(duì)濃度和通量均小于以初始參數(shù)(工況1)的計(jì)算結(jié)果,兩種工況下?lián)舸r(shí)間有較大差異。在30 cm水頭差情況下,以C0的10%作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)得到工況2擊穿時(shí)間約為工況1擊穿時(shí)間的1.73倍,以5%穩(wěn)定通量標(biāo)準(zhǔn)得到的約為1.11倍,且該比值隨水頭差的增大而增大。在設(shè)計(jì)時(shí),防滲帷幕所受荷載的大小、材料厚度及滲透系數(shù)隨壓力的變化都有必要考慮,以最大水平壓力對(duì)應(yīng)參數(shù)所得的設(shè)計(jì)結(jié)果偏于危險(xiǎn)。

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Pollution prevention capacity of cutoff wall under two earth pressures

HE Jun, HU Xiaojin, RUAN Xiaochen, YAN Xing

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

To investigate the effects of permeability and thickness of materials under different loads on the pollution prevention capacity of a cutoff wall, contaminant transport was calculated based on analysis of the engineering properties of the soil-bentonite cutoff wall, and the breakthrough time of the cutoff wall was analyzed under different pressures and boundary conditions. Results indicate that soil-bentonite has a moderate level of compressibility, and the difference between the hydraulic conductivities at the top and bottom of the cutoff wall may reach one order of magnitude. There is a large difference in the breakthrough time calculated with two standards, i.e., the relative pollutant concentration reaching 10% and the stable pollutant flux reaching 5%, with the ratio of calculated breakthrough time ranging from 1.42 to 2.21. The pollutant flux and relative concentration downstream of the cutoff wall calculated with parameters of the bottom of the cutoff wall are less than those calculated with the initial parameters, and the corresponding breakthrough time of the former is longer than that of the latter. According to the results obtained with the parameters under the maximum pressure, the designed cutoff wall will be dangerous.

cutoff wall; soil-bentonite; contaminant transport; earth pressure; breakthrough time

武漢市青年科技晨光計(jì)劃(201271031418);湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB606)

何俊(1977—),女,教授,博士,主要從事環(huán)境巖土工程研究。E-mail:hjunas@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.011

TV223.4+3

：A

：1006-7647(2017)02-0063-05

2016-03-22 編輯：熊水斌)