污染土治理中防滲帷幕參數(shù)敏感性分析及設(shè)計(jì)方法研究

杜風(fēng)雷，蘇振興，高文生，葉森，毛安琪

(1.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013；3.公誠(chéng)咨詢(xún)管理有限公司，廣州 510610)

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水、居民生活廢水以及垃圾填埋場(chǎng)堆體[1]所產(chǎn)生的滲濾液包含多種有害物質(zhì)，一旦控制不好，污染物發(fā)生擴(kuò)散，將對(duì)周邊土體和地下水產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。如何防治已經(jīng)被污染的土體及地下水是擺在國(guó)內(nèi)外環(huán)境工程師面前的一項(xiàng)重要的課題。

在實(shí)踐工程中，由于修復(fù)和凈化污染的土體和地下水是一項(xiàng)技術(shù)困難和成本高昂的工作，因此采取有效的措施預(yù)防以及避免污染范圍進(jìn)一步擴(kuò)大的措施是十分必要和可行的。防滲帷幕的原理是將污染物離子阻擋或封閉在限定區(qū)域內(nèi)，切斷污染物水平方向的運(yùn)移通道以阻止污染物的遷移擴(kuò)散。防滲帷幕一般要求在保證有足夠強(qiáng)度和耐久性的前提下隔墻的滲透系數(shù)小于10-7cm/s。土和水泥混合物做成的防滲帷幕性能較好，滲透系數(shù)可達(dá)10-10cm/s。以土和水泥為材料的防滲帷幕主要有SB隔離墻、CB隔離墻、預(yù)制混凝土隔離墻、回填料(如水泥、膨潤(rùn)土、粉煤灰、粘性土等)隔離墻以及深層攪拌和注漿所形成的墻等幾種類(lèi)型[2-5]。

雖然防滲帷幕在實(shí)際工程中有著廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于防滲帷幕的服役性能研究仍然較少?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)防滲帷幕的研究主要集中在帷幕材料特性和配比對(duì)防滲性能的試驗(yàn)研究，以獲得不同材料類(lèi)型(黏土-膨潤(rùn)土、水泥-膨潤(rùn)土、摻加礦渣材料的水泥-膨潤(rùn)土、塑性混凝土等)帷幕的滲透性能、與污染物長(zhǎng)期相容性及實(shí)際防污效果。例如，Philip[6]研究表明即使在水頭較低時(shí)，對(duì)流作用仍是污染物遷移擴(kuò)散并擊穿防滲帷幕的主導(dǎo)因素；鄧紅衛(wèi)[7]用GMS建立了地下水滲流和污染物遷移三維耦合模型，采用數(shù)值分析方法，分析污染物在地下水中遷移特性，并著重研究了防滲帷幕對(duì)污染物遷移的阻滯效應(yīng)；張文杰[8]采用離心試驗(yàn)研究了氯離子在黏土-膨潤(rùn)土屏障中遷移擴(kuò)散規(guī)律，并使用解析解對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，論證了土-膨潤(rùn)土屏障用于填埋場(chǎng)控制污染物遷移的可行性；王艷明[9]分析了填埋場(chǎng)防滲帷幕在加固前后的阻隔性能，并論證老場(chǎng)防滲帷幕加固所需要的最小厚度。

上述研究較少深入系統(tǒng)地分析各個(gè)因素(例如帷幕打設(shè)深度、地層滲透系數(shù)、污染源濃度、水頭差、帷幕厚度和滲透系數(shù))對(duì)防滲帷幕擊穿時(shí)間的影響規(guī)律，且工程界缺乏豎向帷幕服役壽命的評(píng)估方法和防滲帷幕厚度設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化方法。本文基于前人的調(diào)查研究成果，借助污染物地下運(yùn)移數(shù)值分析軟件GMS中MODFLOW和MT3DMS模塊，分析了帷幕打設(shè)深度、地層滲透系數(shù)、污染源濃度、水頭差、帷幕厚度和滲透系數(shù)對(duì)防滲帷幕的擊穿時(shí)間的影響，篩選出水力梯度、帷幕厚度和帷幕滲透系數(shù)作為防滲帷幕擊穿時(shí)間評(píng)估的計(jì)算因素，計(jì)算了64個(gè)工況，并在此基礎(chǔ)上總體提出防滲帷幕擊穿時(shí)間和設(shè)計(jì)厚度的簡(jiǎn)化方法，為同類(lèi)型工程中豎向防滲帷幕設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模型建立及參數(shù)選取

如圖1所示，為進(jìn)行對(duì)比分析，本文首先建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模型，模擬場(chǎng)地大小為600 m×400 m×60 m。模型土層自上向下分別為素填土、粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化基巖。土層參數(shù)參考詹良通等針對(duì)蘇州七子山填埋場(chǎng)的研究成果[10]，如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)模型上下游水頭分別為60 m和35 m，水頭差為25 m，水力梯度為4.16%。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖

污染物選擇金屬銅離子，污染源采用點(diǎn)源形式，模擬污染源泄露或者污染企業(yè)偷排放等現(xiàn)實(shí)工況。污染源在距離上游120 m，地表15 m深度處以每天排放10 m3濃度為100 mg/l的污水。在各種模型中，分別建立長(zhǎng)度、寬度和高度方向上的污染物濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。防滲帷幕在污染物遷移下游約60 m處，自土層頂面打設(shè)至第四層強(qiáng)風(fēng)化土層的頂面，防滲帷幕厚度為0.8 m，在模型寬度方向上通長(zhǎng)布置，帷幕結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)為1×10-8cm/s，具體參數(shù)見(jiàn)表2所示，防滲帷幕擊穿標(biāo)準(zhǔn)為帷幕下游相應(yīng)銅離子濃度限值為10 mg/l。

表1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

表2 標(biāo)準(zhǔn)帷幕模型計(jì)算參數(shù)

3 防滲帷幕對(duì)污染物遷移的影響分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)防滲帷幕

圖2為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型的水頭分布云圖，模型兩端設(shè)置了定水頭邊界條件，上游和下游的水頭高度分別為60 m和35 m。在水頭差的作用下地下水形成了自左向右的穩(wěn)定流場(chǎng)。圖3為選取標(biāo)準(zhǔn)模型中1 a、50 a及100 a污染物遷移擴(kuò)散的縱斷面(1-1′截面)云圖。紅色范圍內(nèi)表示為污染物離子大于1 mg/l的區(qū)域，亦即污染區(qū)域。由圖可知，污染物初期向著各個(gè)方向遷移擴(kuò)散，但遷移擴(kuò)散的力度各不相同，從而形成污染區(qū)域左粗右細(xì)的勺型分布。本次模擬污染物最終遷移擴(kuò)散至下游定水頭處，除了上游部分區(qū)域，基本上污染了整個(gè)場(chǎng)地。圖4為污染源處橫斷面遷移擴(kuò)散分布云圖，其不僅表明了污染物在橫向方向的擴(kuò)散極限范圍，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，污染物在100 a的時(shí)間內(nèi)，僅進(jìn)入滲透系數(shù)為1×10-6cm/s全風(fēng)化基巖約2.5 m左右，為防滲帷幕的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)模型水頭分布

圖3 污染物遷移縱斷面云圖

圖4 污染物遷移橫截面云圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)置防滲帷幕

圖5為設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)防滲帷幕后模型的水頭流場(chǎng)分布，由圖可知，由于防滲帷幕的滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于土層的滲透系數(shù)，防滲帷幕在打設(shè)到土層后，改變了模型整體的水頭分布，上游水位基本在60 m左右，污染源附近的水頭略高，且由于防滲帷幕的存在，污染注入后難以向下游排泄，因此污染源附近的高水頭范圍相對(duì)于無(wú)防滲帷幕時(shí)的范圍更大。由于防滲帷幕的存在，帷幕下游的水頭高度陡降到40 m左右，且因帷幕未打設(shè)到底部，因此在帷幕底部分出現(xiàn)了一定范圍的高水頭。污染物在遷移擴(kuò)散過(guò)程中，土層中的流場(chǎng)起主導(dǎo)作用，因此設(shè)置帷幕后必然會(huì)對(duì)污染物離子的遷移擴(kuò)散產(chǎn)生影響。

圖5 設(shè)有防滲帷幕后水頭分布

圖6為緊貼帷幕上下游兩側(cè)土層中污染物離子濃度變化，從圖中可以看出，在防滲帷幕上游，污染物離子濃度總體上隨著深度的增加，峰值濃度逐漸降低，在標(biāo)準(zhǔn)2.5 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)處最大濃度趨于100 g/l。但在22.5 m處污染物離子濃度受到防滲帷幕及兩邊流場(chǎng)的影響，其污染物濃度高于17.5 m處的監(jiān)測(cè)值。在防滲帷幕的下游，由于設(shè)置了防滲帷幕，土層中的地下水位降低至地表20 m以下，因此如圖6(b)所示，其為防滲帷幕下游緊貼防滲帷幕沿深度的污染物離子濃度變化圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)防滲帷幕對(duì)污染物離子有著明顯的阻斷作用，與防滲帷幕上游土層中的污染物離子對(duì)比，相同深度處同一時(shí)間的離子濃度明顯降低，在防滲帷幕下游22.5 m和27.5 m處污染物離子濃度達(dá)到10 mg/l的時(shí)間分別為26 340 d(72 a)和30 700 d(84 a)，亦即該工況條件下防滲帷幕的擊穿時(shí)間為72 a。圖7分別為污染物離子1 a、10 a、50 a和100 a的遷移擴(kuò)散云圖，從圖中可以看出由于防滲帷幕的存在，污染物離子在順流方向上運(yùn)移受阻。第50 a和100 a的云圖表明污染物離子已擊穿了防滲帷幕，但其對(duì)下游的污染范圍及污染程度相對(duì)于無(wú)防滲帷幕的工況已大大降低，由此可見(jiàn)防滲帷幕在阻擋污染物遷移擴(kuò)散方面的積極作用。

圖6 污染物離子濃度變化

圖7 污染物離子濃度變化

3.3 防滲帷幕擊穿時(shí)間影響因素分析

3.3.1 帷幕插入深度

帷幕的插入深度對(duì)污染物離子遷移擴(kuò)散起到了重要的影響。以下分別建立了兩個(gè)不同帷幕插入深度的模型B和模型C，如表3所示。

表3 防滲帷幕打入深度參數(shù)表

圖8和圖9分別為模型B和模型C帷幕上下游污染物離子濃度時(shí)間變化圖，圖10為污染物離子遷移擴(kuò)散云圖。由圖可知，帷幕上游隨著帷幕插入深度的提高，污染物離子遷移擴(kuò)散的能力被逐漸削弱，達(dá)到峰值的時(shí)間在延遲以及各土層污染的強(qiáng)度都在降低。而在帷幕下游，可以發(fā)現(xiàn)帷幕插入深度越短，下游越容易遭到污染。模型A、B和模型C帷幕下游檢測(cè)到10 g/l濃度的時(shí)間分別為72 a、15 a和44 a。模型B和模型C的污染物離子不是通過(guò)擊穿防滲帷幕污染下游，而是污染物離子繞過(guò)防滲帷幕的底部向下游擴(kuò)散。因此在防滲帷幕設(shè)計(jì)中，需選擇好防滲帷幕的嵌入層，避免污染物離子從底部滲漏，從而造成防滲帷幕的失效。

圖8 模型B污染物離子濃度變化

圖9 模型C污染物離子濃度變化

圖10 污染物離子遷移擴(kuò)散云圖

3.3.2 滲透性

不同滲透系數(shù)的地層有著不同的流場(chǎng)分布，從而通過(guò)對(duì)流作用影響污染物離子遷移擴(kuò)散的影響。如表4所示，分別建立3個(gè)模型探討防滲帷幕在不同滲透性底層中阻擋污染物離子遷移擴(kuò)散的特性。

表4 不同滲透性數(shù)值模型參數(shù)

備注：上述3個(gè)模型中的滲透系數(shù)均為水平滲透系數(shù)，單位為cm/s,水平滲透性與豎直滲透系數(shù)比值為3。

圖11和圖12分別為高滲透性模型B和低滲透性模型C在帷幕上游的污染物離子濃度隨時(shí)間的分布圖，結(jié)合污染物離子遷移擴(kuò)散云圖(圖13)，可以發(fā)現(xiàn)不同滲透性的模型在防滲帷幕上游的污染物離子濃度分布總體上相同，在100 a的模擬期間內(nèi)趨近100 mg/l，而隨著深度的增加，污染物離子濃度總體在降低。不同滲透性的土層在土體中部的分布略有不同，滲透性越高，中部離子濃度曲線越重合，而滲透性越低，濃度曲線越分散，總體呈現(xiàn)自上而下濃度逐漸降低的規(guī)律。

圖11 高滲透性模型B污染物離子濃度變化

圖12 低滲透性模型C污染物離子濃度變化

圖13 第100 a污染物離子遷移擴(kuò)散云圖

對(duì)比模型A、B和C相同深度即22.5 m處的濃度可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)模型達(dá)到擊穿濃度的時(shí)間分別為72 a、73 a和80 a。由此可知隨著滲透性的提高，污染物離子擊穿防滲帷幕的時(shí)間縮短，但總體而言，地層滲透性對(duì)防滲帷幕的擊穿時(shí)間影響較小，且當(dāng)土層滲透性提高到一定水平后，其對(duì)帷幕擊穿時(shí)間的影響將不再重要。地層透水條件對(duì)帷幕擊穿時(shí)間的影響并不顯著，造成這種現(xiàn)象的主要原因是嵌入式帷幕消弱了土層原有的滲流作用。

3.3.3 水力梯度

土層中的水力梯度影響整個(gè)流場(chǎng)的分布，進(jìn)而會(huì)影響污染物離子的遷移擴(kuò)散。分別建立4個(gè)不同水頭差模型，如表5所示。

表5 地層水頭差及水力梯度參數(shù)表

圖14為各個(gè)水力梯度模型中帷幕下游污染物濃度變化時(shí)間分布圖，其中數(shù)據(jù)來(lái)自于各模型防滲帷幕下游濃度變化最大的地方，以便于分析帷幕擊穿時(shí)間。4個(gè)模型帷幕下游濃度變化均在地面17.5 m深度處。如圖14所示，對(duì)于滲透系數(shù)為1×10-8cm/s，厚度為0.8 m的防滲帷幕，在5 m水頭差調(diào)劑下(上下游水力梯度)在100 a模擬期間帷幕下游污染物離子濃度小于10 g/l，進(jìn)一步提高模擬時(shí)間，發(fā)現(xiàn)其擊穿時(shí)間為110 a。此時(shí)上游土體中污染物離子已經(jīng)遷移到上游定水頭邊界，在深度方向上已侵入到地面45 m深度處。隨著水頭高度的提高，帷幕上下游的水頭差增大，污染物擊穿防滲帷幕的時(shí)間逐漸縮短，當(dāng)水頭差從10 m增加到15 m再到25 m時(shí)，污染物擊穿帷幕的時(shí)間分別為83 a，68 a和65 a。由此可見(jiàn)水力梯度對(duì)污染物遷移擴(kuò)散和帷幕有效壽命有著重要影響，實(shí)際工程中應(yīng)該嚴(yán)格控制帷幕上下游水頭差和水力梯度，降低污染范圍擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖14 不同水頭差模型的離子濃度變化

3.3.4 防滲透帷幕厚度

在防滲帷幕的設(shè)計(jì)中，帷幕的厚度是不僅影響污染物離子遷移擴(kuò)散，同時(shí)也對(duì)帷幕工程的造價(jià)、施工工期、施工工藝等方面，因此設(shè)計(jì)防滲帷幕，確定防滲帷幕的厚度是關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)帷幕的滲透系數(shù)一定時(shí)，帷幕厚度越大，其對(duì)污染物離子的阻擋作用就越強(qiáng)。如表6所示，在標(biāo)準(zhǔn)防滲模型的基礎(chǔ)上，分別建立了C1、C2、C3和C4的4種厚度的帷幕模型，其厚度分別為0.6 m，0.8 m，1.0 m和1.2 m。除此之外，模型上下游水頭差、污染源濃度及排放量、帷幕的位置、打設(shè)深度和滲透系數(shù)等參數(shù)均與標(biāo)準(zhǔn)模型相同(上下游水頭差25 m，帷幕滲透系數(shù)1×10-8cm/s)。

表6 不同防滲帷幕厚度模型參數(shù)

圖15為4個(gè)模型防滲帷幕下游邊界上污染物離子濃度最大值隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，隨著污染時(shí)間的持續(xù)，C1～C4模型先后監(jiān)測(cè)到污染物離子的侵入，各模型達(dá)到10%(10 mg/l)擊穿條件的時(shí)間分別為55 a，72 a，79 a和91 a。擊穿時(shí)間隨著帷幕厚度的增加而不斷增加，但擊穿時(shí)間并不隨著厚度線性增長(zhǎng)，而是其增長(zhǎng)幅度不斷下降。由于厚度的增加，不僅會(huì)提高工程造價(jià)，同時(shí)也給施工帶來(lái)困難，結(jié)合一般污染源的污染時(shí)間，例如中國(guó)一般垃圾填埋場(chǎng)的穩(wěn)定所需時(shí)間為填埋場(chǎng)封場(chǎng)后的30～35 a，其防治的設(shè)計(jì)使用年限通常為50 a，建議一般污染物防治工程中帷幕厚度控制在1 m以下。

圖15 不同防滲帷幕厚度模型的離子濃度變化

3.3.5 污染源濃度

污染源濃度影響污染物的遷移擴(kuò)散，污染源濃度越大，其遷移擴(kuò)散的范圍更廣，污染的程度越高。如表7所示，B1～B4模型除污染源濃度不同外，其他各參數(shù)均與標(biāo)準(zhǔn)模型相同，其中B1～B4的污染源濃度分別為25 mg/l，100 mg/l，200 mg/l和400 mg/l，污染源濃度依次增大。

表7 不同污染源濃度模型參數(shù)表

圖16為4個(gè)模型在防滲帷幕下游邊界污染程度最高點(diǎn)處的污染物離子時(shí)間變化圖，由于4個(gè)模型的水頭、流場(chǎng)分布均相同，其帷幕下游污染程度最高的點(diǎn)均在防滲帷幕下游17.5 m深度處。從圖16可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)模型在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處污染物離子濃度均隨著時(shí)間不斷增加，濃度越高，增長(zhǎng)的趨勢(shì)越大，4個(gè)模型達(dá)到10 mg/l的時(shí)間分別為101 a，72 a，63 a和57 a。在100 a的模擬時(shí)間內(nèi)，B1～B4模型帷幕下游最終濃度分別達(dá)到9.8 mg/l，39.1 mg/l，78.3 mg/l和156.5 mg/l，可見(jiàn)隨著濃度的提高，污染物離子在擊穿防滲帷幕后，其對(duì)下游的污染程度更為嚴(yán)重。

圖16 不同污染源濃度模型的離子濃度變化

在本文中，防滲帷幕擊穿標(biāo)準(zhǔn)參照中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ176-2012)中對(duì)防滲帷幕厚度設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定，取帷幕下游邊界污染物濃度達(dá)到上游邊界的10%作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此規(guī)定B1～B4的4個(gè)模型的擊穿標(biāo)準(zhǔn)分別為防滲帷幕下游邊界污染物濃度分別達(dá)到2.5 mg/l，10.0 mg/l，20.0 mg/l和40.0 mg/l，如按照此標(biāo)準(zhǔn)，4個(gè)模型的擊穿時(shí)間均為72 a，亦即防滲帷幕上游的離子濃度對(duì)污染物擊穿時(shí)間影響甚微。然而在實(shí)際工程中，人們更為關(guān)注污染物濃度的絕對(duì)值，污染物濃度絕對(duì)值越高，其對(duì)人們的生產(chǎn)生活影響越嚴(yán)重，因此在防滲帷幕的設(shè)計(jì)中，不僅需要關(guān)注污染物濃度的相對(duì)值，同時(shí)更要以污染物離子濃度的絕對(duì)值作為帷幕設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.3.6 防滲帷幕的滲透系數(shù)

防滲帷幕通過(guò)在土層內(nèi)嵌入滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于周邊土體的帷幕來(lái)改變土體中原有的滲流場(chǎng)，削弱對(duì)流作用，從而阻止污染物離子的向周邊遷移擴(kuò)散。因此防滲帷幕的滲透系數(shù)也是帷幕設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的因素，在帷幕厚度一定的情況下，滲透系數(shù)越小，帷幕的阻擋作用越明顯，擊穿時(shí)間也就越長(zhǎng)。如表8所示，建立D1～D4四個(gè)模型，其帷幕滲透系數(shù)分別為1×10-6，1×10-7，5×10-8和1×10-8cm/s，其他各參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)模型相同(上下游水頭差25 m，帷幕厚度0.8 m)。

表8 不同防滲帷幕滲透系數(shù)模型參數(shù)表

圖17為不同帷幕滲透系數(shù)模型在帷幕下游邊界上污染物離子濃度最大值隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，當(dāng)帷幕的滲透系數(shù)不同時(shí)，污染物離子濃度增長(zhǎng)曲線的形式也不一樣，4個(gè)模型的擊穿時(shí)間分別為24 a，27 a，35 a和72 a。當(dāng)防滲帷幕滲透系數(shù)從1×10-6cm/s減小一個(gè)量級(jí)到1×10-7cm/s時(shí)，擊穿時(shí)間增加了3 a，而從1×10-7cm/s減小一個(gè)量級(jí)到1×10-8cm/s擊穿時(shí)間增加了18 a。與厚度相比，擊穿時(shí)間的增長(zhǎng)幅度隨著滲透系數(shù)的減小而不斷提高，即擊穿時(shí)間對(duì)帷幕的滲透系數(shù)更為敏感，且防滲帷幕滲透系數(shù)越低，該敏感性越強(qiáng)。

圖17 不同防滲帷幕厚度模型的離子濃度變化

圖18為D1～D4模型在50 a和100 a的污染物離子遷移擴(kuò)散云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滲透系數(shù)為小于1×10-7cm/s時(shí)，防滲帷幕對(duì)污染物離子的阻隔效果并不是很好。D1和D2模型在100 a的模擬期間內(nèi)，當(dāng)污染物離子擊穿防滲帷幕后向下游及土體深部不斷地遷移擴(kuò)散，最大遷移距離約200 m，最大污染深度45 m左右。D4模型的阻隔作用相當(dāng)有效，100 a模擬期間內(nèi)在第72 a擊穿防滲帷幕，并污染帷幕下游20 m范圍內(nèi)的土體，因此在防滲帷幕滲透系數(shù)的選擇上，建議根據(jù)上下游水頭差，選取1×10-8到1×10-7cm/s范圍的滲透系數(shù)值。

圖18 防滲帷幕滲透性對(duì)污染物離子遷移擴(kuò)散的影響

4 帷幕擊穿時(shí)間和厚度簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法

本章上述內(nèi)容主要對(duì)比分析了帷幕打設(shè)深度、地層滲透系數(shù)、污染源濃度、水力梯度、帷幕厚度和帷幕滲透系數(shù)對(duì)防滲帷幕擊穿時(shí)間的影響，從分析中可知，各因素對(duì)防滲帷幕服役性能的影響不同。圖19、圖20和圖21給出的不同工況條件下防滲帷幕擊穿時(shí)間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化圖，由圖分析可知：

圖19 給定水力梯度條件下不同帷幕厚度擊穿時(shí)間隨帷幕滲透系數(shù)變化圖

圖20 給定帷幕滲透系數(shù)不同水力梯度條件下帷幕擊穿時(shí)間隨帷幕厚度變化圖

圖21 給定帷幕厚度不同帷幕滲透系數(shù)擊穿時(shí)間隨水力梯度變化圖

水力梯度、帷幕滲透系數(shù)和帷幕厚度對(duì)帷幕擊穿時(shí)間的影響是相互獨(dú)立的，亦即可根據(jù)工程特點(diǎn)、施工技術(shù)條件和成本等因素，確定3個(gè)控制因素的最優(yōu)組合。例如對(duì)于水力梯度確定的土層，減小帷幕滲透系數(shù)同時(shí)減小帷幕厚度或提高帷幕滲透系數(shù)同時(shí)增大帷幕厚度可實(shí)現(xiàn)達(dá)到相同擊穿時(shí)間。而在水力梯度較大的區(qū)域，也可以采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧p小上下游的水頭差，從而優(yōu)化防滲帷幕的服役性能，延長(zhǎng)防滲帷幕的正常使用年限。在給定水力梯度條件下，帷幕滲透系數(shù)在不同階段對(duì)防滲帷幕的擊穿時(shí)間是不同的，如圖19所示，當(dāng)滲透系數(shù)大于1×10-7cm/s時(shí)，帷幕擊穿時(shí)間隨滲透系數(shù)呈現(xiàn)近似線性變換，且斜率較小，但當(dāng)滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s時(shí)，滲透系數(shù)對(duì)帷幕擊穿時(shí)間影響非常

顯著，擊穿時(shí)間隨滲透系數(shù)的減小成指數(shù)增長(zhǎng)。因此結(jié)合計(jì)算，建議若以10%相對(duì)濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)，若設(shè)計(jì)年限在50 a以上，防滲帷幕的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-7cm/s，在存在較大水力梯度的工況下，宜小于5×10-8cm/s。

圖20表明給定水力梯度條件下，不同帷幕滲透系數(shù)條件下帷幕厚度的影響是不同的，當(dāng)滲透系數(shù)較大時(shí)，增加帷幕厚度，擊穿時(shí)間變化較小。而當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，增加帷幕厚度，帷幕擊穿時(shí)間顯著提高，這種現(xiàn)象表明在帷幕的設(shè)計(jì)中，宜優(yōu)先考慮帷幕的滲透系數(shù)，在技術(shù)和成本可控的前提下，盡可能選用滲透系數(shù)較小的防滲帷幕，其次再考慮增加帷幕的厚度。圖20還表明當(dāng)帷幕滲透系數(shù)一定時(shí)，擊穿時(shí)間是帷幕厚度的一次函數(shù)，同時(shí)水力梯度越小，擊穿時(shí)間相應(yīng)較長(zhǎng)。且隨著帷幕滲透系數(shù)的提高，擊穿時(shí)間相對(duì)帷幕厚度曲線的斜率不斷提高。由圖21可知，防滲帷幕的擊穿時(shí)間隨著水力梯度的增加而不斷減小，但其減小的速率不斷減小，當(dāng)水利梯度大于2.5%時(shí)，水利梯度的影響不再明顯，且防滲帷幕滲透系數(shù)越大，水力梯度越小，防滲帷幕擊穿時(shí)間對(duì)水利梯度的變化越敏感。

4 結(jié)論

本文主要開(kāi)展了防滲帷幕對(duì)污染物離子的阻隔效應(yīng)的參數(shù)敏感性研究，并給出了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。主要的研究成果與結(jié)論總結(jié)如下：

(1) 防滲帷幕對(duì)阻隔污染物遷移擴(kuò)散方面有著良好的作用，在防滲帷幕深度設(shè)計(jì)中，建議防滲帷幕嵌入與其滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s的土層中。地層滲透性對(duì)防滲帷幕的擊穿時(shí)間影響較小，而水力梯度對(duì)污染物遷移擴(kuò)散和帷幕有效壽命有著重要影響。

(2) 按照相對(duì)濃度標(biāo)準(zhǔn)，防滲帷幕上游的離子濃度對(duì)污染物擊穿時(shí)間影響甚微。但按照絕對(duì)濃度標(biāo)準(zhǔn)，隨著污染源濃度的提高，污染物離子擊穿防滲帷幕的能力越強(qiáng)，同時(shí)對(duì)上下游的污染范圍更廣，污染程度更嚴(yán)重。

(3) 水力梯度、帷幕滲透系數(shù)和帷幕厚度是影響防滲帷幕擊穿時(shí)間最重要的控制因素，總體而言水力梯度越小、帷幕滲透系數(shù)越小、帷幕厚度越大，防滲帷幕的擊穿時(shí)間越長(zhǎng)。且水力梯度、帷幕滲透系數(shù)和帷幕厚度對(duì)帷幕擊穿時(shí)間的影響相互獨(dú)立。

(4) 防滲帷幕的擊穿時(shí)間隨著水力梯度的增加而不斷減小，防滲帷幕滲透系數(shù)越大，水力梯度越小，防滲帷幕擊穿時(shí)間對(duì)水利梯度的變化越敏感。當(dāng)水利梯度大于2.5%時(shí)，水利梯度的影響不再明顯。

(5) 當(dāng)滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s時(shí)，滲透系數(shù)對(duì)帷幕擊穿時(shí)間影響非常顯著，擊穿時(shí)間隨滲透系數(shù)的減小成指數(shù)增長(zhǎng)。因此建議防滲帷幕的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-7cm/s，在存在較大水力梯度的工況下，宜小于5×10-8cm/s。

(6) 在帷幕的設(shè)計(jì)中宜優(yōu)先考慮帷幕的滲透系數(shù)，在技術(shù)和成本可控的前提下，盡可能選用滲透系數(shù)較小的防滲帷幕。其次再考慮增加帷幕的厚度，對(duì)于一般污染物防治工程的帷幕厚度控制在1 m以下。