（地质工程专业论文）粘土固化注浆防渗帷幕在固体废物填埋场中的阻滞性能研究.pdf

摘要 我国垃圾卫生填埋场有7 0 为山谷型填埋场，这对于采用注浆 防渗帷幕建立填埋场垂直防渗具有很大的发展空间。粘土固化注浆已 经在垃圾卫生填埋场和尾矿库坝防渗工程中得到成功应用，进一步研 究其防渗帷幕在渗滤液长期作用下的特性，对粘土固化注浆在废物填 埋场防渗工程中的推广应用具有重要的意义。本文主要通过在室内以 典型的有害物质( a s ”、m n ”、苯酚等溶液) 对粘土( 高岭土) 固化 注浆结石体进行浸泡试验和土柱试验，确定帷幕在渗滤液长期作用下 的化学相容性，并借助原子吸收分光度法、紫外可见吸收光谱法等分 析手段，测定有害物质在帷幕厚度方向上的弥散深度及其浓度的空间 分布，从而定性地确定帷幕对有害物质的阻滞性能，估算出帷幕的有 效寿命。为粘土固化注浆的推广应用提供理论支持。 试验研究结果表明：粘土固化注浆帷幕结石体具有非常好的化 学相容性；结石体对有害物质的阻滞效率一般都在9 0 以上：重金 属离子在结石体中的迁移深度一般在0 3 c m 的范围内；帷幕的有效 运营期达到1 4 0 年以上。说明粘固化注浆是能够满足废物填埋场防 渗要求的。 关键词：阻滞性能，对流弥散方程，有效运营期，帷幕，粘土固化注 浆 a b s t r a c t s e v e n t yp e r c e n tc i t yg a r b a g es a n i t a r yl a n d f i l l sa r ev a l l e yi a n d f l l l si n o u rc o u n t r y ，a d o p t i n g g r o u t i n g c u n a i nh a sa1 a i 芎e s p a c e f o rl a n d f i l l v e n i c a l a n t i s e e p i n gp r c j e c t s c l a y - s 0 1 i d i f i e d掣o u t i n g h a sb e e n s u c c e s s 如1 1 y 印p l i e d i n g a r b a g es a n i t 咂y 1 a n d f i l l sa n d t a i l i n g d a m s a j l t i s e 印i n gp r o j e o t s ，乱曲e rs t u d y i n g i t sc h a r a c t e r su n d e r l o n g 。t e r m e f 诧c t so nl e a c h a t eh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rp o p u l a r i z i n ga p p l i c a t i o n i na 1 1 t i s e e p i n gp r o j e c to fw a s t el a n d f i l i s ，i nt h i sp a p e r ，i m m e r s o nt e s ta n d c 0 1 u m nt e s ta r ea p p l i e df o rt y p i c a lp o i s o n o u ss u b s t a n c e ( a s 、 1 1 付、 p 1 1 e n 0 1 ) r e a c t i o nw i t ht 1 1 ec l a y s 0 1 i d i f i e dc u n a j ni n1 a b o r a t o ms o a st o c o n f i r mt h eg r o u t i n gc u r t a i n s c h e m i s t r yc o m p a t i b i l i t y ， w i t ht 1 1 ea i do f a t o m i c a b s o r p t i o ns p e c 仃o p l l o t o m e t r y 、 u l t r a v i 0 1 e t l 培h ta b s o 印t i o n s p e c t r o s c o p ya n a l y t i c a lt e s t s ， d e t e r m i n em ed i f ! e h s i v e d e p t h a n d c o n c e n t r a t i o n s p a t i a l d i s t r i b u t i o no fp o i s o n o u ss u b s t a n c eo ng r o u t i n g c u r t a i nt h i c k n e s sd i r e c t i o n ，a n ds o ，d e t e r m i n et h er e t e n t i o ne a p a b i 】i t yo f c i a y s o l i d i f i e dg r o u t t h ee f 诧c t so f r e rm em e o r ys u s t a i nf o rp o p u l a r i z i n g a p p l i c a t i o no fc l a y s o l i d i f i e d 伊o u t t h es t u d y i n gr e s u i ti n d i c a t e st h a tt h ec h e m i s t wc o m p a t i b i l i t yo f c l a v s 0 1 i d i f i e dg r o u t i n gc u r t a i ni se x c e l i e n t t h ep o i s o n o u ss u b s t a n c ei s c o m m o n l yo v e r9 0p e r c e n tr e t a r d e db y 舒o u t i n gc u r t a i n t h et r a n s p o r t d e p 也o fh e a wm e t a l si si nt 1 1 ef i r s t3 c mo fg r o u t i n gc u n a i nc 0 1 u m n s t h e e f f e c t i v er u n n i n gp e “o do fg r o u t i n gc u r t a i nc a na c h i e v eo v e r1 4 0y e a r s t h ee f f 色c t ss h o wt h a t c l a y 。s 0 1 i d i 6 e dg r o u tc a nm e e tt h ea n t i s e e p i n g c r i t e r i o no fs o l i dw a s t el a l l d f i l i s k e y w o r d s ：r e t a r d a t i o nc a p a b i l i t y ， a d v e c t j v e d i s p e l - s i v ee q u a “o n e f r e c t i v em n 玎m g p e “o d ，c u r t a i n ，c l a y s o l i d i 6 e dg r o u t i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位或证书而使用过的材料。与我共同工作 的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：、丑区金日期：姓喳幢日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以复印、缩印或其它手段保存学位论文：学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：1 习致彳， 导师签名 日期：2 一；年厂月，o 日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 固体废物填埋场现状及存在问题 在我国，随着经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，城市化进程不断 加快，我国城市垃圾产生量急剧增加，且增长势头不减。目前，我国城市垃圾已 达1 4 亿t 以上，人均垃圾产量在4 5 0 5 0 0 k g 左右，还在以每年8 l o 的增 长率不断增加( 国家环境保护总局污染控制司，1 9 9 8 ) 。无论在大城市还是小城镇， 在万象更新的繁荣景象中，我们电能看到垃圾遍地的情况，有些城市已到了垃圾 围城的地步，这与我国经济蓬勃发展的大好形势是不相称的。 我国城市垃圾的处置处理水平一直很低，多年来，绝大部分城市采用露天堆 放，自然填沟和填坑的简单方式消纳城市垃圾，河流沿岸甚至成了天然垃圾堆放 场。这种处理方式对土壤、河流、地下水、大气等都造成了严重的影响和潜在的 危害。我国城市垃圾无害化处理设旌缺乏，欠帐多。改革开放后，一些城市的基 础建设得到了发展，城市垃圾污染有所缓解，但仍难以解决日益增加的垃圾处理 的需要，大多数城市的垃圾对环境的污染仍日趋严重。已建成的垃圾填埋场无害 化处理设施不够，运营管理不善，特别是填埋场的渗滤液，没有进行必要的收集 和净化处理。已经导致一些地区地表和地下水源的污染：简易堆放的垃圾散发的 恶具污染了空气，有的垃圾堆放场还引起所产生的沼气爆炸，威胁人们的安全健 康；目前未能处理垃圾的堆存量达6 0 亿t ，侵占的土地面积多达5 亿n r ，占用了 宝贵的土地资源，全国有2 0 0 ( 占全国城市总数的3 0 ) 多数城市仍处于垃圾包 围中( 冯亚斌，陈全，2 0 0 0 ) 。大量的和快速增长的城市垃圾，给城市管理带来 了巨大的压力。 目前，我国城市垃圾处理的最主要的方式是填埋，约占全部处理量的7 0 以上；其次是高温堆肥，约占2 0 以上；焚烧量甚微( 吴怀民，2 0 0 0 ) 。一些城 市建成了一些大、中型城市垃圾卫生填埋场，如日处理量2 0 0 0 t 的北京阿苏卫卫 生填埋场；杭州、上海、深圳、广州、重庆、长沙等城市也都建成城市垃圾填埋 场。 但是，大部分城市采用集中堆放或简易填埋方式处理城市垃圾，由于没有很 好的压实机械，这些填埋场未达到使用年限就填满封场。沿海省市垃圾填埋都很 难再找到合适场地。许多城市缺乏资金；未能按标准要求建造填埋场地或焚烧设 中南大学硕士学位论文第一章绪论 施，即是一次性的建设投资解决了，长期运行的费用也难以维持，因而也很难达 到无害化处置目标。 在城市垃圾堆肥方面已建成堆肥场约2 0 余处，主要采用机械化堆肥和简易 高温堆肥技术。垃圾堆肥技术设施相当落后。堆肥产品销路不畅。质量不高，肥 效低，利用率不高。 在焚烧方面，我国发展较慢，目前只有深圳、上海己建成现代化的垃圾焚烧 厂。另外有一些小型垃圾焚烧炉。 国家环保局于2 0 0 1 年7 月发出关于开展生活垃圾处理设施环境影响调查 和监测的通知 环卫 2 0 0 1 7 2 号 ，对全国生活垃圾处理处置设施的污染排 放情况及其对周围环境的影响开展调查，并对近几年投入运行的填埋场、焚烧厂、 堆肥厂进行一次集中的环境监测。调研结果表明，我国城市生活垃圾的处理处置 多以填埋为主，但填埋场尚存在下列问题：近年来投入运营的一些卫生填埋场， 尽管投资高、规模大、建设相对规范，但在设计上仍存在缺陷，表现在渗滤液处 理设施和环保措施不到位，处理效果差，同时普遍缺乏沼气的收集处理设施：早 期建设的一些卫生填埋场由于投入不足，设施简陋、防渗措施简单，导致二次污 染；不少城市( 经济不发达地区尤为普遍) 是利用自然沟壑和自然塌陷区来处理 城市生活垃圾，这些简易填埋场无防渗层，亦无渗滤液收集、导排系统而任其外 排，严重污染了周围环境。同时，调查结果显示，我国城市生活垃圾处理处置能力 和水平仍较低，基本符合标准要求的城市生活垃圾处理处置设施的处理能力仅占 全国垃圾清运量的3 3 1 ，垃圾产生量大而处理能力低的矛盾日益突出。这样的 处理处置设施基本反映了我国当前城市生活垃圾填埋、焚烧、堆肥的现状水平， 但处理效果并不尽人意( 李国刚等，2 0 0 2 ) 。 我国传统的垃圾消纳倾倒方式是一种不负责任的“服务于当代，贻害于子孙” 的“污染物转移”方式。而现有的垃圾处理厂的数量和规模远远不能适应城市垃 圾增长的要求，大部分垃圾仍呈露天集中堆放状态，对环境的即时和潜在危害很 大，污染事故频出，污染日趋严重。主要表现在： ( 1 ) 侵占大量土地、对农田破坏 对放在城市郊区的垃圾，侵占了大量农田，未经处理或未经严格处理的生活 垃圾直接用于农田，或仅经农民简易处理后用于农田，后果严重。由于这种垃圾 肥颗粒大，而且含有大量玻璃、金属、碎砖瓦等杂质，破坏了土壤的团粒结构和 理化性质，致使土壤保水、保肥能力降低。 ( 2 ) 严重污染空气 在大量垃圾露天堆放的场区，臭气冲天，老鼠成灾，蚊蝇孳生，有大量的氨、 硫化物等污染物向大气释放。仅有机挥发性气体就多达1 0 0 多种，其中含有许多 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 致癌、致畸物。 ( 3 ) 严重污染水体 垃圾不但含有病原微生物，在堆放腐败过程中还会产生大量的酸性和碱性有 机污染物，并会将垃圾中的重金属溶解出来( 张辉，马东升，2 0 0 1 ) ，使有机物、 重金属和病原微生物三位一体的污染源。任意堆放或简易填埋的垃圾，其内所含 水量和淋入堆放垃圾中的雨水产生的渗滤液流入周围地表水体和渗入土壤，会造 成地表水或地下水的严重污染 高吉喜，曹洪法，1 9 9 1 ，致使污染环境的事件 屡有发生。例如：贵阳市1 9 8 3 年夏季哈马井和望城坡垃圾堆放场所在地区同时 发生痢疾流行，其原因是地下水被垃圾场渗滤液污染，大肠杆菌值超过饮用水标 准7 7 0 倍以上，含菌量超标2 6 0 0 倍。哈尔滨市韩家洼子垃圾填埋场附近地下水 中铁含量超过饮用水标准2 3 ，锰超标3 倍，汞超标2 9 倍，细菌总数超标4 3 倍，大肠杆菌超标4 1 0 倍。 ( 4 ) 垃圾堆放场爆炸事故不断发生 随着城市垃圾中有机质含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆存，只采用 简单覆盖，易造成产生甲烷气体的厌氧环境，使垃圾产生沼气的危害日益突出、 事故不断、造成重大损失。 ( 5 )日益严重的城市垃圾污染，成为社会关注的焦点 总体说来，目前我国在城市垃圾无害化处理方面还处于起步阶段。无害化处 理设施严重不足，只有少数城市建成达到或基本达到无害化处理标准的垃圾处理 场和处置场，大部分城市垃圾仍以简单填坑、填充洼地、地面堆积、挖坑掩埋、 投入江河湖海、露天焚烧等处理方式为主。垃圾无害化处理技术尚不完善，现有 的大部分填埋场设计建造标准低、缺乏污染控制措施，远不能保证填埋垃圾的安 全，实际中填埋废物成为即时和潜在的长期污染源。这一点尚未引起足够的重视。 今后我国必须大力发展垃圾卫生填埋技术，国家“九五”期间把垃圾卫生填埋 作为环境卫生工程推广项目，卫生填埋也是当今绝大多数国家处理垃圾的最终方 式，象在美国，就有7 0 的垃圾是卫生填埋处理的。且相较于其它的垃圾处置方式， 卫生填埋具有投资少，处置量多等特点( 见表1 ) 。 表1城市垃圾处理处鼹方法比较 技术名称土地填埋焚烧 堆肥 设备简单、操作简便设备复杂、工艺要求高机械设备复杂、维 技术特点 工艺可行( 元t )操作要求严格( 元t )修费用高( 元t ) 价格 6 2 02 0 一3 53 0 5 0 在我国这样一个经济技术条件不是很发达的情况下，垃圾卫生填埋无疑是首 选的最终处置方式( 建设部国家环境保护总局科技部，2 0 0 0 ) 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 填埋场防渗技术研究现状 1 2 1 填埋场的防渗处理 垃圾填埋处理过程中在有机物的分解和雨水淋滤作用下会产生很多具有高 浓度污染物质的渗滤液，虽然已发展了许多针对渗滤液特性的处理方法( 主要是 厌氧、耗氧等生物处理法) 。但在填埋及渗滤液收集过程中出现的渗漏问题的预 防研究上却鲜有报道，而渗滤液的防渗是防止地下水污染的关键一步。因为渗滤 液浓度高，流动缓慢，渗漏持续时间长，会成为地下水的集中污染源，对包气带 和保水带均会造成污染，地下水一旦受其污染就很难恢复，从而严重威胁生产和 生活供水，甚至造成不堪设想的后果。 城市固体废弃物处理的首要问题，是防止填埋场附近地下水及地表水受到垃 圾渗滤液的污染。在合理选址的基础上必须考虑防渗系统的设计。根据场址的工 程地质和水文地质情况，对填埋场进行防渗处理，其目的一方面是防止渗滤液浸 入地下，污染地下水：另一方面是防止地下水浸入填埋场，造成渗滤液水量的大 幅度上升。 通常填埋场地工程地质的自然状况很难达到建设部城市生活垃圾卫生填埋 技术标准的要求，即场地渗透系数小于10 。7 c 州s 。填埋场的防渗处理一般应 在场底及四周建立防渗系统。在工程上通常采用垂直或水平防渗设施。 防渗材料有天然和人工两大类。天然优质粘土、膨润土等可起防渗作用，人 工则以合成有机材料如高密度聚乙烯膜等。如果采用天然粘土作衬垫，其粘土的 渗透性能必须符合规定外，场底及四壁粘土厚度均应大于2 m 。如采用人工合成材 判，还必须具有抗压强度。一般要求大于0 6 m p a ，以及具有耐碾压、耐刺性能。 现国际上应用较多的是高密度聚乙烯( h d p e ) 作人工衬垫。其缺点是穿刺能力较 差和价格昂贵。如何选择合适的防渗材料要视具体情况，经多方比较确定。在特 定的水文地质条件中亦可采用垂直防渗。工程上已应用有隔离墙、帷幕注浆等技 术。 1 2 2 填埋场防渗技术与材料 填埋场防水防渗技术，不但能防止地下水受到污染，而且也是防止地下水进 入填埋场的主要工程措施。我国目前采用的方法有帷幕灌浆垂直防渗和铺设水平 防渗利层两种。 水平防渗在填埋场的基础底部铺设水平屏障以封堵场区内渗滤液垂向迁移。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在建设部颁布的城市垃圾卫生填埋场标准中规定天然粘土防渗层标准为：底 部和周围的粘土层厚度 2m ，渗透系数 总结了各种主要垂直隔离墙的优缺点； 表2主要垂直隔离措施优缺点比较 垂直嚏 璺冉隔离墙 疆黼再 晦压喀射灌装菝埔 面描施 镛l 凝桩墙f 定喷水泥膨复合式f i 膏墙 水泥彤砒泥浆l 润土泥浆1 截面 廖勿冽 ij f ，了了。刁 l 丑式m 瑚 l ，一， ll 巨兰乏纠 旃工不受地下水i 立- 一阶段挂施工不施工筒匣速度可灌 生好成本毙人为控制墙 嚣翠潞龋器影响强度较大颈另行檀筑甸埴牡较捷，用于i 自时低疆| 芏时水泥蓓外彭不浪费 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层水平防渗工艺节约建设费用4 0 6 0 以上。 应该强调指出，目前我国山谷型城市生活垃圾填埋场垂直防渗中存在的主要 问题，并非是防渗帷幕的渗透系数不能达到国家标准中针对水平防渗层所规定的 标准( 小于1 0 c d s ) ，而是功能过于单一。一个良好的填埋场垂直防渗系统， 其作用应包括： 尽量封闭渗滤液于填埋场中，使其进入渗滤液收集系统，防止其渗透流出填埋 场之外，造成对土壤和地下水的污染。 防止地1 _ _ _ 径流进入填埋场，避免产生过多的渗滤液。 避免填埋场气体侧向迁移到填埋场之外，使之得到有控释放和提高收集效率。 与渗滤液有很好的化学相容性，能抵抗渗滤液的侵蚀，能有效的阻滞渗滤液中 的有害物质。 具有足够的强度和耐久性。 由此，可以看出，帷幕灌浆法构造垂直防渗帷幕时，选用合适的浆材显得很 重要。通常所用的悬浮型浆材为水泥，或膨润土，或水泥一膨润土。本文所讨论 的是针对粘土固化浆液这种特殊浆材。国外也有研究用丙烯酸盐、尿烷等化学浆 液用于废物填埋场垂直防渗的( a n d r e wb o d o c s ia n db o w e r s ，1 9 9 1 ) 。 1 。3 填埋场衬垫与渗滤液之间作用研究现状 131 填埋场衬垫 现代卫生填埋场工程项目主要由以下几部分组成：填埋场场地平整、基底处 理、填埋单元划分、周边和单元之间的通道、衬垫系统、渗滤液收集排放系统、 气体控制系统、封顶系统、雨水管理系统、地下水监测系统、填埋气体监测系统。 其中，最关键的部位是衬垫或衬垫系统( 钱学德，郭志平等，1 9 9 5 ，2 0 0 1 ) 。衬 垫系统位于填埋场底部和周围侧面，它是一种水力屏障，用来隔离固体废弃物及 其产生的渗滤液，以免其对屑围的土地和地下水产生污染。 填埋场地的衬层材料可分为天然材料和人工材料两大类，具体描述如下： 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ，粘土 ，天然材科1 一一h 薰蠹。哪 l 人工台成材料弋沥青凝结物 可给态 圈2 污染物迈移过程示意 可交换态 水溶态。 室内主要研究方法是间歇试验和土柱试验。间歇试验能得出粘土吸附等温 线；土柱试验用来估算污染物在土柱中的垂直分布及滞留系数，以及污染物在土 柱中的结合形态，从而能有效地评价污染物的迁移特性。 野外试验主要是借助于先进的监测手段，或是采取土、水试样做室内分析。 1 5 本课题研究的目的和意义 粘土固化注浆技术己成功应用于有关的垃圾填埋场和尾矿库工程，但是，理 论稍落后于实践。对于上述这样的特殊环境岩土工程，通过深入研究粘土固化注 浆帷幕对渗滤液的阻滞性能，评估帷幕防止污染物迁移的效能，可为帷幕的寿命 预测、模型的建立、帷幕安全性评价提供依据。同时，通过对帷幕防渗结构功能 和防渗丰才料陛能以及防渗作用机理的研究，为评价帷幕的防渗效果及推广应用提 供理论支持。 本课题的研究思路是，选用典型的有害物质( 砷、锰、苯酚溶液) 对粘土固 化注浆结石体做土柱试验及浸泡试验，在查明结石体与渗滤液化学相容性的基础 上，通过测定污染物质在结石体纵向剖面中的浓度分布以及重金属离子与结石体 结合形态的深度分布，定性的评价粘土固化注浆帷幕的阻滞效能。同时计算得出 结石体的弥散系数、渗透系数等相关参数，再以对流扩散方程分析污染物在帷幕 中的空间浓度分布行为，导出帷幕的寿命模型。 中南大学硕士学位论文第二章粘土固化浆液性能及在固体废物填埋场中的应用 第二章粘土固化浆液性能及在固体废物填埋场中的应用 2 1 粘土固化浆液性能 粘土固化浆液是由粘二l 二为主并添加结构剂和辅助添加剂配制而成的，这里所 讨论的粘土固化浆液中的粘土主要为高岭石类粘土。浆液中粘土的惨量一般为总 固相的6 0 8 0 。 高岭石类粘土矿物为1 ：1 型( 两层) 的层状硅酸盐，层单胞电荷数约为o 。 高岭石( k a o i i n i t e ) a 1 4 ( s i 4 0 l o ) ( 0 h ) 8 化学组成a 1 2 0 3 含量为3 9 5 0 ，s i 0 2 含量为 4 65 4 ，h 2 0 含量为1 3 9 6 。其单晶为三斜晶系或单斜晶系，对称型l ，或p 空 间群为p z 或c c ，晶体构造为双层型构造单元层，由一硅氧四面体层与一铝氧八 面体层组成，在连续面上，铝氧八面体层中3 个( o h ) 的位置被o 所代替，使每 个a 1 的周围被4 个( o h ) 和2 个o 所包围，八面体空隙中，有2 3 的位置被 a l 所占据。当单元层成层堆积时，便形成高岭石的结晶构造。高岭石单晶为片 状，且结晶很细，一般在1um 以下。 自然界中的高岭土主要由高岭石类粘土组成，已进行的研究表明：高岭土具 有分散性差，离子交换能力弱，双电层较薄，呈现相对电中性，不易受到外界化 学物质的侵蚀破坏。 浆液中的结构剂大多采用的是4 2 5 。普通硅酸盐水泥，部分采用5 2 5 “普通硅 酸盐水泥。添加剂大多选用硅酸钠盐一水玻璃。 粘土固化浆液有以下几个优点( 王星华，1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) ： 良好的抗水稀释性粘土固化浆液能吸收大量的水分而不会分层析水，仅是 浆液变稀，但仍能凝固。故能在流动的地下水条件下止水并获成功，此时浆液流 失量小，注浆成本低。 良好的流变性能粘土固化浆液流变性能好，并且可以根据施工目的而调整 其流变参数以符合施工设计的要求。 粘土固化浆液以胶结方式充填于地下裂隙中并将其胶结起来，具有良好的对裂 隙自我封闭作用。固化后所形成的结石体塑性大，具有良好的抗震性能。 由于粘土固化浆液采用粘土为基础原料( 甚至可以使用施工现场附近的粘土) ， 加上少量的水泥、水玻璃与固化剂，因此材料成本很低。 材料成本很低粘土固化浆液中粘土所占比重大，且粘土颗粒都能充分地分散， 其中非常细颗粒的粘土所占比重大，因此整个浆液表现出流动性好，易于渗入岩 层的微细裂隙中，从而提高了堵塞效果。同时其结石体收缩率小，结石率高，所 形成的结石体密封性好，渗透系数小，注浆帷幕整体堵水效果好。 中南大学硕士学位论文第二章粘土固化浆液性能及在固体废物填埋场中的应用 粘土矿物成分主要为硅氧四面体与铝氧八面体，这些矿物具有良好的化学惰 性，因而其结石体具有良好的抗地下水、各种矿化水、温泉水的侵蚀能力，从而 大大扩大了粘土固化浆液的使用范围及注浆帷幕的使用周期。 粘土固化浆液结石体早期强度较低，强度增长时间长，故粘土固化浆液在注浆 几天后仍可进行重复注浆以提高注浆效果。 粘土固化浆液胶凝时间根据配方不同而不同，从几秒钟到几十分钟可调。 粘土固化浆液与现有粘土水泥浆和水泥粘土浆相比具有以下优点： 浆液胶凝时间大大缩短粘土固化浆液加入固化剂之后，由于固化剂的催化 作用，使得水泥水化反应加快，同时，水泥与水玻璃、与粘土之间的反应也在固 化剂的催化作用下加快反应，从而表现出浆液的胶凝时间大大缩短( 从数小时缩 短为几秒钟到几十分钟，且可调) 。 浆液结石体强度大大提高由于固化剂的催化作用，粘土固化浆液整个体系 反应速度加快，使得浆液结石体的强度增加，特别是浆液结石体早期强度增加较 快( 1 2 h 强度可达数百千帕) ，浆液结石体最终强度( 2 8 天期) 可达数兆帕。 并且，以粘土为主的浆液构筑的帷幕能满足对水的低渗透性、对有毒物质的 高阻滞量及低弥散系数、与场地土壤环境地球化学相容性等要求( l o x h a m ，1 9 8 5 ) 。 2 2 粘土固化浆液在垃圾卫生填埋场中的应用 由于一般填埋场岩、土渗透性差，岩层裂隙开度或涂层裂隙小，普通水泥颗 粒相对较粗，有时难以注入；化学浆液虽好但价格昂贵。故可选择颗粒较细的粘 土、水泥、水玻璃混合材料。 粘土固化注浆已在南昌麦园生活垃圾填埋场帷幕防渗工程中得到应用。麦园 生活垃圾填埋场是南昌市重要的环保工程，它位于昌北麦园( 新建县望城乡) ， 占地面积20 9 k m 2 ，总库容约1 7 9 0 万m 3 ，由基本坝、副坝、截洪沟、边沟、排水 管及污水处理设施组成，填埋场的设计使用年限为3 1 年左右，从南昌市的经济 实力考虑，结合场区的工程地质条件，为防止填埋场内渗滤液外渗污染周围环境 及地下水，南昌有色冶金设计院将之设计为注浆帷幕防渗系统。注浆材料为粘土 固化浆液。 场区内的自然防渗未达标，其渗透性微弱一微弱，为实现对场区内渗滤液进 行有效封堵，据南昌设计院提供的帷幕设计方案，需对基本坝及其由左坝肩至 8 0 m 标高截洪沟这些地段进行注浆防渗处理。即在地下水汇集的出口处构筑防渗 帷幕，利用压力注浆的方法将地下水出口处的岩石裂隙充填封闭，使上游受污染 的地下水阻集于帷幕后的调节池中，以免场区内渗滤液向下游及邻近区扩散渗 透。注浆帷幕设计轴线位于坝前调节池以东南1 0 0 m ，呈东西向展布，帷幕总长 1 4 中南大学硕士学位论文第二章粘土固化浆液性能及在固体废物填埋场中的应用 约3 9 0 m ，其中双帷幕长约2 6 0 m ，单帷幕长1 3 0 m 。双帷幕区注浆孔距为3 0 0 m ， 梅花状布置，单帷幕区孔距为2 5 0 m ，注浆孑l 深为2 3 3 0 m ，具体孔深由防渗标 准= o0 1 l ( m i n m m ) 控制确定( 杨明，1 9 9 8 ) 。 整个工程中，设计了2 7 个检查孔，从测试结果来看，粘土固化注浆在该工 程中的防渗效果是明显的，所有的帷幕区基岩段值均小于0 0 1 l ( m i m 朋m ) ， 平均防渗效果提高了5 0 1 0 0 倍。 2 3 粘土固化浆液在尾矿库防渗工程中的应用 我国建有众多的废石、尾矿坝，废石、尾矿的露天堆放在风化、淋溶、渗漏、 溢流等作用下，极易氧化和水解，形成含重金属离子的酸性水，从而对周围水源 造成污染。因此坝的防渗成为坝区环境保护的重要课题。选用化学浆液一般价格 都比较昂贵，纯水泥浆液又颗粒较粗，可注性差，抗酸能力差，通过选用粘土固 化浆液结石体作抗酸试验，证明其抗酸稳定性较好，能够作为含硫矿山、尾矿堆 积所形成的酸性污水坝防渗帷幕注浆材料。 江西永平铜矿的4 4 、54 、54 副坝废石、尾矿坝渗漏的酸性废水含有c u ”、 z n ”、c d 2 。、s 0 4 2 、f 等成分，其p h 值在2 3 3 1 范围内，严重污染了周围环 境，决定对坝基进行防渗处理。从永平铜矿经济实力考虑，结合场区内的工程地 质条件，为防止场区内酸性污水向库外渗漏污染下游地下水和地表水，南昌有色 冶金设计研究院将之设计为注浆帷幕防渗系统。注浆材料为粘土固化浆液。坝基 注浆帷幕线为单排帷幕，总长3 7 5 米。注浆孔孔距为1 5 0 m ，共2 5 0 个注浆孔。 帷幕承受的最大水头差约为3 0 m 。施工结果表明，利用粘土固化浆液构筑的防渗 帷幕能够取得良好的防渗效果，可以使帷幕的防渗等级达到( l ) o0 3 l m i mm 肌 ( 宁文彬，2 0 0 0 ) 。粘土固化浆液的结石体具有良好的抗酸为定性，能够在酸性 环境中长期稳定地工作，能够取得良好的经济效益和环境效益。 中南大学硕士学位论文第三章粘土固化注浆帷幕对有害物质的阻滞机理试验研究 第三章粘土固化注浆帷幕对有害物质的阻滞机理试验研究 3 1 结石体的特性 粘土固化注浆结石体的塑性强度比较低，一般在l o k p a 一1 0 0 k p a 之间。采 用南一一5 5 渗透仪测定粘土固化浆液结石体的渗透系数时，其渗透系数基本上 在1 0 c 州s 范围内( 宁文彬，2 0 0 0 ) 。浆液的最终抗剪切塑性强度值很高，因而 防渗性能好( 冯向东，2 0 0 0 ) 。粘土固化浆液所形成的结石堵水效率高；材料来 源广，价格便宜：能节省大量水泥；粘土固化浆液成本约为水泥降成本的1 4 ( 张可能，1 9 9 5 ，1 9 9 9 ) 。浆液可脱水密实形成高结石强度的堵水帷幕( 徐润， 左永江，1 9 9 6 ) 。 3 2 渗滤液特性 一般渗滤液的化学成分见表3 。 表3 垃圾填埋场渗滤液水质( 沈耀良，19 9 3 ；张志强等，1 99 8 ) 含量( m g 1 )成分含量( g 1 ) 成分 变动范围一般值变动范围一般值 b o d2 0 0 0 3 0 0 0 01 0 0 0 0p h 3 86 c o d3 0 0 0 4 6 0 0 01 8 0 0 0 总硬度 3 0 0 0 1 0 0 0 03 5 0 0 s s2 0 0 1 0 0 05 0 0c a 2 +2 0 0 3 0 0 01 0 0 0 氨氮态氮 1 0 8 0 02 0 0 m 9 2 + 5 0 1 5 0 02 5 0 有机氮 1 0 8 0 02 0 0k +2 0 0 2 0 0 03 0 0 硝酸盐 5 4 02 5n a +2 0 0 2 0 0 05 0 0 总磷 1 7 03 0c l 一1 0 0 3 0 0 05 0 0 总铁 5 0 6 0 06 0t o c1 5 0 0 2 0 0 0 06 0 0 0 c u0 1 l4 3p bo 1 2 o c d0 0 3 1 7a so 1 o 5 h g o o 0 3 2m n0 4 7 3 8 5 3 3 主要试验方法简介 研究渗滤液与结石体之间的作用机理的主要试验方法有以下几种，方法不 同，目的也各异。 ( 1 ) 渗透试验 中南大学硕士学位论文第三章粘土固化注浆帷幕对有害物质的阻滞机理试验研究 借助于土工试验中的渗透仪，对样品进行抗渗试验。渗透仪有刚性侧壁渗透 仪、三轴柔性侧壁渗透仪、固结渗透仪，选用不同的渗透仪所得出的结果有时会 相差几个数量级，一般用柔性侧壁渗透仪得出的结果比较有意义。该试验主要是 测试渗透系数，用于定性地评价其阻滞性能。 ( 2 ) 土柱试验 在柔性圆筒中制作长度为7 1 5 c m 左右的结石体样品，底部预先密封并留 有一个小孔以导出渗出液，上部预留圆筒高度为2 c m ，直接将渗滤液置于样品上， 并加上一定压力，或恒定水头为1 0 2 0 i 。该试验可以评估重金属离子在化学扩 散作用下的迁移衰减特征，通过分析土柱试验后的土柱切片，确定被阻滞的重金 属离子的化学扩散深度和吸附状态的分布。 ( 3 ) 浸泡试验 配制高浓度的有害离子成分的溶液，将结石体直接浸泡于其中，观察结石体 的开裂、软化、破损等情况及重量的变化，在这种化学物质侵蚀结石体的最不利 的条件下，能查明粘土固化浆液的化学相容性。 3 4 试验内容及过程 3 41 土柱试验 在含水层中渗透水流的对流运移常常起决定性的作用，而在隔离层中弥散运 移往往起决定作用。为评估重金属离子在化学扩散作用下的迁移衰减特征，确定 被阻滞的重金属离子的化学扩散深度和吸附状态的分布，土柱试验是一种能完成 此项任务的重要方法。国内外均采用这种方法来研究重金属离子污染物在土样材 料中的迁移能力。除了能确定被阻隔的重金属离子相关信息的污染物剖面外，对 试验后土柱样品进行分级选择萃取、分析，可确定所阻隔的重金属离子在土柱中 结合形态的分布。 粘土固化浆液由主成分、结构剂、添加剂和溶剂组成。主成分粘土为高岭土， 过7 5 u m 筛；结构剂采用普通硅酸盐4 2 5 “水泥；添加剂为水玻璃，模数为3 ，玻 美度为4 0 b e ，密度为13 8 。每组配比制备三个试样。 采用的粘土固化浆液的配比为： 1 # 2 # 3 # 水泥( g ) 1 0 0 2 0 0 1 5 0 粘土( g ) 4 0 0 4 0 0 4 0 0 水玻璃( m 1 ) 1 5 1 5 1 2 采用三种试验液作为渗滤液，其初始浓度为：砷酸钠1 0 0 0 m 鲥， 1 7 水( g ) 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 硫酸锰 中南大学硕士学位论文第三章粘土固化注浆帷幕对有害物质的阻滞机理试验研究 1 0 0 0 m i ，苯酚1 0 0 0 0 m g 1 。 本次试验采用的实验装置如下 密封盖 密封圈 图3 土柱试验装置图 试验步骤： 配置三种不同配比的粘土固化浆液样品( 直接在圆柱形测试筒中制 作) ，样品高度为i o c m ，并养护l0 l5 天； 用去离子水饱和一段时间： 将试验液直接置于试样上，液位深度维持2c m 左右，持续3 个月。 试验液浓度参考现场填埋场渗漏液中重金属离子的浓度，大致一样或 稍高一些，其p h 值维持在1 ，5 2 左右，以增加重金属离子的活动 度，避免刚一开始渗入样品中就发生沉淀： 将试样从试筒中卸出，切成2 c m 厚的薄片，再用化学萃取法逐步交 换出以各种形式存在于结石体样品中的重金属离子。 每种渗滤液对应三种浆液配比，这样交叉试验，共有九个样品。每批收集的 渗出液都进行分析。试验从6 月3 0 日正式开始，至9 月l o 日结束，共收集七批 渗滤液。 用原子吸收分光度法测定滤出液中锰离子的浓度( 金伯立，1 9 9 4 ) ，用钼兰 光度法进行测定滤出液中砷离子的浓度，用紫外可见吸收光谱法进行测定苯酚滤 出液的浓度。 定义结石体对有害物质的阻滞效率u 为；渗滤液的浓度c 。与滤出液的浓度 c 的差l c o c ) 与渗滤液的浓度c o 的百分比，即： u = ( c o c ) c o 1 0 0 分析结果如下： 主堕查堂婴主堂垡丝苎笙三至塑圭旦些鋈鉴竖蔓型壹童塑! 塑堕鲨塑堡塑墼竺塑 袁q 不同结石体样品对m n 的阻滞效果 批次 l 一2 一li - 2 21 2 3 l 一2 41 2 5 1 2 6l 一2 7 c n i g 儿 枪不出检不出 00 41 1 00 1 0 o 2 30 0