（岩土工程专业论文）基于微观分析的填埋场gcl中运移规律的理论研究.pdf

摘要 摘要 人工合成材料粘土衬垫( g c l ) 用于垃圾填埋场衬垫材料时具有厚度小、防渗性能 好、有较好的自愈能力和能承受较大不均匀沉降等优点，但是容易受到渗滤液成分和浓 度的影响，对其防渗性能有一定的威胁。应力状态等外界条件的变化使得g c l 中膨润 土孔隙比有较大的变化范围，对水和污染物在g c l 中的运移也有较大的影响。目前对 于g c l 及膨润土中运移参数的研究主要采用宏观试验方法，存在试验时间长、试验结 果受试验终止指标影响等问题，而运移参数的计算没有充分考虑膨润土的微观结构特 征，使得化学相容性等问题的研究存在一些困难。从微观角度对运移参数进行分析对于 g c l 的研制和应用有重要意义。本文以g c l 中起防渗作用的主要材料一膨润土为研究 对象，在微观结构观察和分析的基础上，推导出运移参数的计算公式，对膨润土在孔隙 比和孔隙溶液浓度变化时渗透系数和扩散系数的变化规律进行研究，并对g c l 复合衬 垫中污染物的运移进行计算和分析。本文的主要研究工作包括： 1 对g c l 中常用的膨润土微观结构特征进行定量研究，分析孔隙分布和形态特征 等随干密度和孔隙溶液浓度的变化规律。并用衷观孔隙率和粒内孔隙比表征膨润土的微 观结构特征，得到表观孔隙率和粒内孔隙比随干密度和c a c l 2 溶液浓度的变化公式，为 运移参数的定量研究打下基础。 2 将膨澜土看作双重结构，推导粒问孔隙中凝胶态蒙脱石矿物层间距离的计算公 式，基于p o i s e u i l l e 公式得到膨润土饱和渗透系数的改进计算方法。得到膨润土饱和渗 透系数随孔隙比和渗滤液浓度的变化公式。 3 燎微观结构作为媒介，建立扩散系数与渗透系数之间的关系，得到扩散系数计 算公式。用扩散试验结果对扩散系数计算公式进行验证，并得到扩散系数随孔隙比的变 化公式。 4 在运移参数驻孔隙比变化公式的基础上，用数值计算方法分析加载过程对g c l 复合衬垫缺陷处污染物运移的影响，并对g c l 复合衬垫与c c l 复合衬垫的等效性进行 评价，明确g c l 复合衬垫的适用条件。 关键词：g c l ；膨润土；微观结构；渗透系数；扩散系数；运移计算 i i a b s t r a c t a b s t r a c t g e o s y n t h e t i cc l a yl i n e r ( g c l ) i sag o o db a r r i e rm a t e r i a lt ob eu s e di nl a n d f i l l ，f o ri t s m e r i t so fl i t t l et h i c k n e s s ，l o wh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , a n da b i l i t yo fs e l f - h e a l i n ga n db e a r i n g n o n - u n i f o r ms e r l e m e n t b u th y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fg c lo rb e n t o n i t ei ng c li sv e r y s e n s i t i v et od l e m i c a li n t e r a c t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo fg c lw i l lb ei n f l u e n c e db ys t r e s ss t a t e a n dh y d r a t e dc o n d i t i o n c u r r e n tt e s tm e t h o d sf o rt r a n s p o r tp a r a m e t e r ss t u d ya r e t i m e - c o n s u m i n ga n dp r o n et ob ei n f l u e n c e db yt e r m i n a t i o nc r i t e r i a a n dt h ec a l c u l a t i o no f t r a n s p o r tp a r a m e t e r sf a i l s t oa p p r o p r i a t e l yc o n s i d e r a t et h em i c r o s c o p yc h a r a c t e r i s t i c so f b e n t o n i t e , w h i c hm a k e si td i f f i c u l tt os t u d yc h e m i c a lc o n s i s t e n c yo fl i n e r t h er e g u l a t i o no f h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t ya n dd i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw i t hd r yd e n s i t ya n dc o n c e n t r a t i o no fp o r o s o l u t i o nw a ss t u d i e db a s e do nm i c r o s t r u c t u r es m d y , a n dt h ee f f e c t i v i t yo fg c lc o m p o s i t e l i n e rw a se v a l u a t e d t h es t u d yc o n t a i n e dt h ef o l l o w i n gm a i n p a r t s 1 n eb e n t o n i t em i e r o s t m e t u r ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sd i s t r i b u t i o na n dr o u g h n e s so f p o r e , a p p a r e n tp o r o s i t ya n di n t r a p a r t i c l ev o i dr a t i o w e r es t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y 1 1 l er e g u l a t i o n o ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hd r yd e n s i t ya n dc o n c e n t r a t i o no fp o r es o l u t i o nw a so b t a i n e d , w h i c hw a st h eb a s eo f q u a n t i t a t i v es t u d yf o rt r a n s p o r tp a r a m e t e r s 2 t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ed i s t a n c e ，d 2 ，b e t w e e nm o n t m o r i l l o n i t ei ni n t r a p a r t i c l e p o r e sw a sd e d u c e d h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo f b e n t o n i t ew a so b t a i n e du s i n gd 2a n dp o i s e u i l l e l a w t 1 l er e g u l a t i o no fh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yw i mv o i dr a t i oa n dc o n c e n t r a t i o no fl e a c h a t e w a sa n a l y z e d 3 t a k i n gm i c r o s t r u c t u r ea sm e d i u m ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n d h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yw a sd e v e l o p e d , a n dc a l c u l a t i o ne q u a t i o no fd i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw a s o b t a i n e d t 1 l ee q u a t i o nw a sv e r i f i e dw i t hm e a s u r e dd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s t h er e g u l a t i o no f d i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw i t h v o i dr a t i ow a sd i s c u s s e d 4 b a s e do nr e g u l a t i o no ft r a n s p o r tp a r a m e t e r sw i t hv o i dr a t i o ，s o l u t et r a n s p o r tt h r o u g h g c lc o m p o s i t el i n e rc o n s i d e r i n gl o a dp r o c e s sw a sn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d t h ee q u i v a l e n c e b e t w e e ng c lc o m p o s i t el i n e ra n dc c lc o m p o s i t el i n e rw a se v a l u a t e d t h es c o p eo f a p p l i c a t i o no f g c lc o m p o s i t e 5 h e rw a sd e t e r m i n e d k e yw o r d s ：g c l ；b e n t o n i t e ；m i c r o s t r u c t u r e ；h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ；d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ； t r a n s p o r tc a l c u l a t i o n 1 1 1 刖茸 1 上j - 日l j吾 人工合成材料粘土衬垫( g c l ) 是近年来垃圾填埋场中常用的衬垫材料。比起应用 广泛的压实粘土衬垫( c c l ) ，g c l 有厚度小、防渗性能好、有较好的自愈能力和能承 受较大不均匀沉降等优点。但是由于g c l 中起到防渗作用的主要是膨润土，其活性大， 容易受到渗滤液性质的影响，进而影响污染物在g c l 中的运移。g c l 用于垃圾填埋场 衬垫时，受到上覆压力变化的影响使得膨润土孔隙比有较大的变化范围，g c l 阻滞水和 污染物运移的能力也会相应的发生变化。研究在渗滤液作用下、上覆压力作用下( 孔隙 比改变) g e l 运移参数的变化规律，对于g c l 的研制、应用等有重要意义。 本文以g c l 中主要的防渗材料一膨润土为研究对象，采用扫描电子显微镜( s e m ) 对不同干密度、受不同成分和浓度溶液影响的膨润士进行微观结构观测，通过s e m 照 片分析得到膨润士孔隙微观结构定量参数；在此基础上，将膨润土看作双重结构，推导 粒闻孔隙中凝胶态蒙脱石矿物层间距离的计算公式，并应用到p o i s e u i l l e 定律中得到能 够用于分析化学相容性的膨润土饱和渗透系数的改进计算方法，分析渗透系数随孔隙比 和c a c l 2 溶液浓度的变化规律；将微观结构作为媒介，得到扩散系数计算公式，并通过 扩散实测值对扩散系数计算公式进行验证，讨论扩散系数随渗透系数和孔隙比的变化规 律和计算公式；在运移参数分析的基础上，对考虑加载过程的g c l 复合衬垫中污染物 运移进行计算，分析两种复合衬垫的等效性及有效性。 本文主要的创新之处有： i 根据膨润土微观结构观察的结果，用表观孔隙率和粒内孔隙比来描述膨润土的 微观结构特征和不均匀( 双重) 结构，得到表观孔隙率和粒内孔隙比随干密度和溶液浓 度的变化公式。 2 得到运移参数的预测公式：将膨润土看作双重结构，得到能够反映孔隙比和溶 液浓度影响的膨润土饱和渗透系数的改进计算公式，分析饱和渗透系数随孔隙比和溶液 浓度的变化规律；以微观结构为媒介，在渗透系数分析的基础上得到扩散系数计算公式， 分析扩散系数随孔隙比的变化规律。 3 对考虑加载过程的g c l 复合衬垫缺陷处污染物的运移进行计算，分析g c l 复 合衬垫与c c l 复合衬垫的等效性，明确g c l 复合衬垫用于垃圾填埋场衬垫时的优势。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： j 芝l ! ! 鱼 少哪6 年 9 月v 日 i ，u 、 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： j 函蔓：矽6 年9 月乙日 河海大学博士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 垃圾的卫生填埋处理是目前国内外大中城市最常用的垃圾处理方式，具有投资少、 处理费用低、处理量大、操作简便等特点。这种方法在世界上许多国家得到广泛应用， 也是符合我国国情的垃圾处理方法之一。在今后的很长一段时期，卫生填埋方法都是我 国垃圾处理不可取代的方法【1 1 。以北京市垃圾处理为例，目前主票的垃圾处理方式为卫 生填埋、堆肥和焚烧，所占的比例分别为8 9 6 、5 8 和4 6 ；在已建成的1 7 座垃圾 处理设施中，垃圾卫生填埋场有9 座。 、 衬垫系统是垃圾填埋场中最重要的部分f 2 】，是垃圾填埋场设计的主要内容之一。衬 垫系统并不能完全阻止污染物的运移，垃圾产生的渗滤液最终会透过衬垫系统，向周围 的土体和地下水扩散。因此，垃圾填埋场设计的目的不是在无限长的时期内完全阻隔污 染物不向周围环境的散布，而是使得一定的时期内从垃圾填埋场释放出来的污染物质的 量在一定的标准之内。只有对衬垫系统中污染物的运移规律有清楚的认识，才能设计出 可靠的衬垫系统，有效地防止垃圾填埋场中渗滤液对环境的二次污染，使得填埋场实现 其功能。 g c l ( g e o s y n t h e t i cc l a yl i n e r , c , c l ) 是工厂制造的防渗材料，由一层薄的膨润土夹于 两层土工织物或固定在一层土工膜上形成。如美国c l a y m a x 、b e n t o m a t 和德国b e n t o f i x 的产品为钠膨润土夹于土工织物之间形成，美国g u n d s e a l 的产品由固化钠膨润土和土工 膜组成，单位面积膨润土质量均为4 9 k g m 2 。近年来，我国也出现了一些g c l 的生产 厂家，如泰安、鞍山、海城和天津等地生产的g c l 为天然钠膨润土夹于土工织物之间 形成，单位面积膨润土质量不小于4 5 k g m 2 。大连渤泰建材有限公司生产了由无毒粘合 剂将重量为3 6 6 k g m 2 的钠膨润土粘附于一层i t d p e 膜之上构成的g c l ，并在膨润土表 面粘有一层土工布用来保护膨润土层。其中，h d p e 膜分为光面和毛面两种，毛面h d p e 膜有助于提高在斜坡使用时的稳定性。 自1 9 9 0 年左右开始使用以来【引，g c l 在环境岩土工程中有越来越多的应用，在国 外垃圾填埋场中广泛用作顶部密封层和底部衬垫材料，有全部或部分取代压实粘土衬垫 ( c o m p a c t e dc l a yl i n e r , c c l ) 的趋势【2 1 。与压实粘土衬垫和土工膜等衬垫材料相比，g c l 的优势主要体现在：( l ) g c l 对水有很好的防渗性能( 渗透系数 1 2 ) 时才影响膨胀和渗透系数。k o l s t a d 5 1 研究了多种成分和浓 度的无机混合溶液对g c l 渗透系数的影响，提出用r m d 反映溶液中单价阳离子和多价 阳离子的相对含量( r a i d = m f c 。，其中，地，和 易分别为单价阳离子摩尔数和二 价阳离子摩尔数) 。渗透系数随r m d 的增大而减小。得到渗透系数随离子强度，和r m d 变化的关系表达式： l o g k c ：1 , 0 8 5 一t 0 9 7 1 + 0 0 3 9 8 1 2 r m d( 1 1 ) l o g 量日 式中，k 和石。，分别表示非预先水化条件下溶液渗滤时渗透系数和水渗滤时渗透系数， 对1 ：0 0 5 0 5 m 和r m d 2 0 m m l 膛成立。l e e 和s h a c k e l f b r d 【2 1 悃c a c l 2 溶液渗滤时渗透 系数的实测值与用式( 3 5 0 ) 得到的计算值进行比较，计算值与实测值之比在o 5 5 之 间，且与是否预先水化无关。 v a s k o 等2 2 1 研究了预先水化时含水量对c a c l 2 溶液在g c l 中渗滤时渗透系数的影 第一章绪论 响。表明，无论预先水化时含水量为多少，渗透系数随着c a c l 2 溶液浓度的增大而增大。 当g c l 以二价溶液渗滤时，只有当溶液浓度不大于0 0 1 m 时渗透系数才与以水渗滤时 渗透系数相当：当溶液浓度大于0 0 i m 时，渗透系数增加1 0 8 5 0 0 0 倍。当g c l 不完全 预先水化再以c a c l 2 溶液渗滤时，对于浓度较低的c a c l 2 溶液，渗透系数与孔隙比没有 相关性；对于浓度较高的c a c l 2 溶液，渗透系数随着孔隙比增加而减小。 j o | 2 0 2 3 1 、l e e l 2 1 , 2 4 , 2 5 研究了对g c l 进行渗透试验时，试验时间对测量结果的影响。 浓度高的溶液不会存在这个问题，但是当浓度低的溶液在g c l 中渗滤时，由于离子交 换过程需要时间，使得不同测量时间下得到的渗透系数不相同。研究表明，当发生离子 交换时，蒙脱石表面吸附水的体积减小，自由水的体积增加，有效流通路径增大，渗透 系数增加。 l e e 2 s l 研究了g c l 中膨润土质量对渗透系数的影响。两种不同蒙脱石含量的g c l 在不同浓度c a c l 2 溶液下的渗透试验研究表明，膨润土质量较好的g c l 对渗滤液更为 敏感，随着c a c l 2 溶液浓度的增加，质量好的g c l 渗透系数有较大的增加。 刘长礼等口6 1 对砂一膨润土的渗透性能进行了试验研究，表明当膨润土含量为5 时， 城市垃圾渗滤液在混合材料中的渗透系数与蒸馏水渗滤时的渗透系数相差不多，变化不 超过一个数量级。 也有学者对有机溶液在g c l 中的渗透系数进行了研究。d a n i e l 等【2 7 l 研究了预先水 化对五种有机溶液在g c l 渗滤时的作用，对风干土( 非预先水化) 、不同含水量的部分 水化土样在不同有机溶液渗滤时渗透系数的变化进行了试验研究。当含水量不高于5 0 时，渗透系数变化不大( 约2 1 0 e n d s ) ；当含水量增加到1 0 0 时，渗透系数减小3 q 个数量级。p e t r o v 等【l8 j 认为，这是由于土样中化学平衡没有达到才导致测量出较低的渗 透系数。g e o s e r v i c e s f 2 8 】研究了汽油、柴油和航空煤油在g c l 中的渗滤。在预先水化条 件下，渗透系数在2 0 7 k p a 有效应力下渗透系数低于1x 1 0 4 1 m s 。s h a n 和d a n i e l t t l 的研究 表明，在预先水化条件下，g c l 以有机和无机溶液渗滤时，渗透系数没有表现出急剧的 增加。p e l r o v 等【培】研究了乙醇浓度对g c l 渗透系数的影响。当浓度小于5 0 时，g c l 渗透系数减小；当大于5 0 时，渗透系数急剧增加。 为对渗透系数进行预测，很多学者采用渗透系数计算的方法代替渗透试验来进行研 究。在饱和渗透系数方面：b o a d u 2 9 1 采用多元回归方法，从颗分曲线上得到粒度分维、 熵、细粒含量、孔隙度等参数估计渗透系数。r e d d i 3 0 i 采用2 维随机嘲络( r a n d o mn e t w o r k ) 河海大学博士学位论文 的方法定量描述了压实粘土的细观结构。文中针对细观结构对于渗透性能的重要性，假 设水流在圆形团聚体之间的细观孔隙中发生，在渗透理论的基础上，定量描述了细观结 构的变化对渗透性能的影响。t h e v a n a y a g a m 等d 1 3 2 1 基于分形的思想提出饱和粘土渗透 系数的分形模拟，分析了不同类型的孔隙对高岭土和膨润土渗透系数的影响，得到膨润 的有效孑l 隙率为总孔隙率的7 5 0 一8 0 。k o m i n e l 3 3 1 通过试验研究发现，膨润土中的孔 隙完全由膨润土吸附结合水的膨胀变形填充。假设水的运移主要发生在两层蒙脱石矿物 之间，把蒙脱石矿物层间水流看作p o i s e u i l l ef l o w ，根据p o i s e u i l i e 定律计算膨润士一砂 混合材料的饱和渗透系数，建立了渗透系数与膨润土含量之间的关系。j a q u i n 和a d l e r l 3 引、 k o r v i n l 3 引、o i m e n e z 等【3 6 1 和刘建国【3 7 j 将土多孔介质的孔隙和表面看作分形，基于 k o z e n y c a r m a n 方程，采用分形几何方法建立了渗透系数与士的微观结构参数之间的关 系，得到了用孔隙体积分维和表面分维等参数描述的饱和渗透系数表达式。p u s c h l 3 8 3 9 】 提出模拟压实风干膨润土微观结构的方法，认为膨润土吸水引起颗粒膨胀、剥落致使粘 土凝胶填充颗粒间的孔隙，模拟了膨润土渗透系数随参数的变化。 从渗透系数的研究现状可以看出： 1 g c l 的渗透系数研究仍然是研究的热点问题，其大小受多种因素影响，如孔隙 比、水化条件和渗滤液的成分与浓度等。 2 渗透系数的宏观测量是研究的主要手段。渗透系数的测量结果受到试验终止标 准等因素的影响，选择不同的试验终止标准将导致测量的结果存在差异，尤其在渗滤液 浓度较低的情况下表现更为明显。这是造成分析g c l 渗透系数与孔隙比的关系、与渗 滤液浓度的关系时存在矛盾的主要原因。当渗滤液浓度较低时，渗透系数的宏观测量往 往需要很长的时问，这为试验仪器的精度等提出较商的要求。 3 渗透系数的微观计算是较为方便的方法，但针对g c l 或膨润土中饱和渗透系数 的微观计算还较为缺乏，一般以压实粘土的饱和渗透系数微观计算为主。现有的微观计 算方法存在应用不方便和没有反映膨润土微观结构特征等缺点。 1 2 2 扩散系数研究 土中离子扩散系数主要采用扩散柱试验进行测量。s h a c k e l f o r d 和d a n i e l l 4 0 】对扩散柱 试验方法进行了介绍，指出在进行扩散试验时需要注意：为了减少土中吸力引起的质量 损失，在扩散试验之前需要饱和土样。根据土样尺寸的不同，吸水饱和时间为1 7 1 6 0 天。 试验时土样与渗滤液直接接触。 9 第一章绪论 n a k a s h i m a t 4 1 ，4 2 1 利用c t 图像观察，对重金属离子在蒙脱石中的扩散过程进行分析， 采用高斯分布解拟合得到扩散系数。这是一种不同于传统浓度剖面获取的方法，具有无 破坏性、快速、安全的优点，但只能对重金属离子的扩散系数进行测量。 l o 4 3 1 在进行g - c l 的渗透系数试验时，从渗透试验资料推出c l 。的扩散系数为 1 5 x 1 0 m 2 “9 1 0 。6 c m 2 s ，并估算出c i - r 散时有效孔隙率为总孔隙率的4 8 * o - 一5 7 。 r o w e 等【蚪】、l a k e 和r o w e 45 1 、l a k e 6 1 等设计了测量g c l 中无机污染物扩散系数的试验 仪器，研究了无机污染物在g c l 中的扩散行为。表明：孔隙比和上覆压力对扩散系数 有很大影响，在一定的浓度和孔隙比范围内，n a + 和c 1 的扩散系数与孔隙比成正比。扩 散系数与溶质的浓度有一定的关系，当溶质浓度改变时，扩散系数有明显的变化，这是 由于敏感矿物成分尤其是钠膨润土的结构调糇等原因造成的。l a k e 6 i 对膨润柱中n a c l 溶液的扩散试验研究得到有效孔隙率为总孔隙率的4 3 * 0 - 4 8 。m a l u s i s t 4 6 j 在研究g c l 半透膜效应对k c l 溶液扩散的影响时指出，一般研究扩散时都假设扩散系数与浓度无 关，实际情况下，扩散系数是随污染物浓度变化的。只有基于与扩散源浓度一致的扩散 系数分析才是正确的。l a k e l 6 l 设计了g c l 中有机污染物扩散试验装置，对v o c 在g c l 的扩散进行了试验研究。 g a r c i a g u t i e r r e z 等1 4 7 l 对获取压实膨润土扩散系数的试验方法进行总结。通过试验得 到了膨润土中中性物质、阴离子和阳离子的表观扩散系数和有效扩散系数，并对有效孔 ， 隙率进行分析。结果表明：对干密度为1 0 1 6 5 9 e m 3 的膨润土，h t o 和3 6 c l 。的扩散系 数的对数和有效孔隙率的对数随着干密度的增大线性减小，扩散系数协与干密度办的 关系可以表示为： 见= a 2 p 。2 0 ( 1 2 ) 式中，a 2 和6 2 为拟合参数；e 为自然对数底；见为考虑孔隙率的有效扩散系数。 v a nd e rs l o o t 等【48 j 的研究表明不同孔隙率材料的渗透系数和非反应性溶质的有效扩 散系数现存在一定的关系。图l - 3 为j a n g 和h o n g l 4 9 1 对硬化衬垫材料( h l m ，h a r d e n e d l i n e rm a t e r i a l s ) 的渗透系数和扩散系数关系的研究成果。对于研究的材料，渗透系数和 扩散系数在双对数坐标下存在两个线性关系区域：当渗透系数小于k = 5 x 1 0 玎e m s 时以扩 散为主，l o g d - l o g k 关系曲线的斜率较大：当渗透系数大于k = 5 1 0 4 c m s 时以对流为主， l o g d l o g k 关系曲线斜率较小。 河海大学博士学位论文 乏 善 蠢 懈 描 拓 较 扭 渗透系数( m s ) 图1 3 非反应性溶质扩散系数和渗透系数之问的关系( j a n g 等，2 0 0 3 ) 4 9 1 为对扩散系数进行预测，a u b e r t i n 等【5 川应用m i l l i n g o n 和s h e a r e d 5 1 1 提出、由c o l l i n 等【5 2 1 修改的统计模型来确定弯曲因子，根据g c l 的基本材料性质估计气体的扩散系数： 一1 ：_ 0 2 m + l ：口2 “ ( 1 3 ) tr痒 n ：d o( 1 4 ) t f 式中，r ，为弯曲因子，为孔隙通道实际长度与其直线长度之比的平方；0 为体积含水量， 对于饱和土，o 与孔隙率n 相等；牌为拟合参数。 在环境岩土工程中，对于溶质在土多孔介质中的扩散运移问题多采用f i e k 第一定律 来描述，扩散通量只与浓度梯度有关。但是土是带电介质，带电离子在士中扩散运移时 不仅与浓度梯度有关，还受电场的影响。阴离子运移时出现排斥现象，一般在f i c k 定律 中用有效孔隙率代替总孔隙率。r o w e 等1 5 3 1 用扩散试验通过反算得到有效孔隙率，结果 表明：对于表面永久电荷较少的土，阴离子排斥的体积较小，有效孔隙率与实际孔隙率 相当。文中指出，对于表面永久电荷多的土，有效孔隙率可能比实际孔隙率小很多。 s p o s i t o f 5 4 】进行b a t c h 试验测量固体颗粒表面浓度和澄清液浓度计算阴离子排斥体积，进 而得到有效孔隙率。g a r c i a g u t i e r r e z 等【4 刀对压实膨润土扩散试验的研究表明，h t o 的 有效孔隙率和实际孔隙率相当，而3 6 c l 即使在较低的干密度下，其有效孔隙率比实际孔 隙率低很多，表现出较强的阴离子排斥现象。 第一章绪论 m u u r i n e n 【5 5 】指出，膨润土颗粒表面大量表面电荷和交换性阳离子存在以及蒙脱石大 的比表面积等特征使得膨润土中扩散过程非常复杂。s m i t h 等f 5 6 1 对片状粘土中阴离子排 斥和扩散运移进行了理论分析，并通过有限单元法求解研究简化体系中阴离子排斥现 象，得到了离子分布图和有效孔隙率。得到的结论是：有效孔隙率依赖于粘土片的表面 电荷和电解质浓度，对在f i c k 第一定律和f i c k 第二定律中用有效孔隙率来反映阴离子 排斥现象提出质疑。 j u n g n i e k e l 等1 5 7 】对粘性土中多离子耦合扩散进行了理论研究，在传统对流弥散方程 的基础上考虑了离子之间的相互作用。得到的结论是：用标准扩散分析反算得到的扩散 系数并不是离子真实的扩散系数，丽只是特定体系对应的拟合参数。这样得到的扩散系 数在用到其他体系时需要考虑体系的差异。m a l u s i s t 58 5 9 1 研究了g c l 作为半透膜阻止污 染物运移的能力，估计了这种现象对g c l 中污染物运移的影响。提出了基于不可逆热 力学的模拟l 维耦合污染物运移模型。l m p e 等1 6 0 l 研究了渗透效应对污染物运移参数的 影响，指出，夹有膨润土的g c l 半透膜现象比较明显，使得渗透系数和扩散系数的测 量都会受到影响。由于传统的对流弥散模型没有考虑半透膜现象和离子问的相互作用， 使得采用传统对流弥散放出求解土中污染物运移的逆问题时表现出矛盾现象。 从扩散系数的研究现状可以看出： 1 目前对g c l 的研究仍然以渗透性能的研究较多；对扩散性能的研究以压实粘土、 高密度膨润土或膨润土与砂的混合物为主，针对用于垃圾填埋场衬垫对g c l 和膨润土 中扩散性质的研究较为缺乏。 2 扩散柱试验方法是测量扩散系数的常用和有效手段。用于测量膨润土扩散系数 时，存在饱和时间较长等问题。由于膨润土有较强的吸水膨胀特性，在试验过程中易发 生膨胀变形。在进行膨润土扩散试验时需要考虑膨润土的特点，以便快速有效地得到扩 散系数。 3 扩散系数不仅与干密度和孔隙比有关，还与扩散源的浓度有关系。为简化计算， 对扩散系数与孔隙比、干密度之间的关系进行了分析，但这些分析只是对试验数据经验 分析，缺乏理论根据。而扩散系数与扩散源浓度之问关系的认识只是定性的。 4 由于蒙脱石活性很大，膨润土中离子扩散现象是复杂的。研究膨润土中离子扩 散还有很多问题需要解决，如阴离子排斥现象、半透膜现象等。目前在实际工程应用中， 仍然将膨润土简化为一般士，对膨润土中特殊现象的研究离实际应用还有很长距离。 河海大学博士学位论文 1 2 3 污染物运移计算 r o w e l 6 1 1 得到了层状多孔介质中污染物运移的分析方法，建5 z t p o l l u 1 濮型，并 编制了计算机程序。与数值方法求解相比，这种半解析法效率较高。p o l l u t e 模型在 确定运移参数时应用较多。r o w e 6 2 1 采用半解析法对g c l 和其下减弱层中污染物的运移 进行计算。 f o o s e 等 6 3 , 6 4 1 将m o d f l o w 与m t 3 d 结合起来，用有限差分法对复合垫层中的污染物 运移进行3 维模拟。将g c l 中污染物的运移用传统对流弥散方程描述，分别考虑无机 污染物和有机污染物在完好衬垫和有缺陷衬垫中的运移，对地下水位较深和较浅两种边 界条件下，土工膜与压实粘土复合衬垫和土工膜与g c l 复合衬垫中污染物运移进行了 比较。 钱学德等【6 5 1 根据半无限边界条件下传统对流弥散方程的解析解对通过g c l 和c c l 的污染物浓度分布、平流量、扩散量及累积量等进行了计算分析。表明，以不同的评价 指标比较两种衬垫时得到的结果是不同的。 在对粘土衬垫中污染物运移进行计算时，一般将粘土作为常孔隙率介质，不考虑外 界环境的变化对孔隙率的影响，也不考虑渗透系数和扩散系数随孔隙率的变化。s m i t h 6 6 基于固结理论推导出污染物在变形介质中运移的1 维控制方程，对模拟填埋场中污染物 运移过程进行计算，表明污染物的运移受介质变形的影响较大。张金利【6 刀考虑了由于吸 附引起孔隙率的变化，将渗透系数作为孔隙率的函数，通过数值计算分析了变孔隙率介 质中污染物运移。 在垃圾填埋场中，压实粘土衬垫应用时间较长，积累了较多的经验，用g c l 代替c c l 需要进行等效性评价。进行等效性评价时，首先需要确定评价标准。目前对g c l 和c c l 进行定量评价时常用的标准有1 6 3 , 6 4 , 6 5 1 ：衬垫底部污染物浓度；衬垫底部污染物通量； 衬垫底部污染物累积量。g c l 和c c l 的等效性关系除了与本身的性能有关以外，还与 污染物的性质、含水层的特征及其与衬垫底部之阀的距离等密切相关t 6 引。对于c c l 的有 效性评价的评价标准有【6 9 】：渗漏浓度、击穿时问和总渗漏量等。 从污染物运移计算的研究现状可以看出： 1 目前对于垃圾填埋场g c l 中污染物运移仍采用传统对流弥散方程描述，将渗透 系数、扩散系数、孔隙率及g c l 的厚度都看作常数，用解析法、半解析法及数值法对 各种边界条件下g c l 与压实粘土衬垫中污染物的运移进行计算和等效性评价。将孔隙 第一章绪论 率、渗透系数等作为随固结过程和溶质吸附过程变化的量引入运移方程中，更符合垃圾 填埋场中村垫系统的实际情况，但都是针对压实粘土衬垫进行的。在g c l 渗透系数和 扩散系数随孔隙率的变化规律方面有一定的认识，没有将这种变化与g c l 复合衬垫中 污染物的运移计算联系起来。 2 对于g c l 和c c l 的等效性评价仍然是g c l 在垃圾填埋场中应用时研究的热点。 正确的评价只能在与实际情况相符性较好、评价指标选择合理等条件下才可能得到。一 般对于不同的衬垫大都进行等效性判断，在有效性方面的分析还较少。需要在合理评价 指标下对外界条件变化时衬垫有效性及等效性进行分析，在此基础上来判断g c l 的适 用条件及不适用时的解决方案。 1 2 4 国内对衬垫中污染物运移的研究 国内对在衬垫系统中污染物运移的研究除了以上提到的以外，还包括：试验研究 方面：浙江大学罗春泳例、胡敏云等对粘土衬垫渗透、扩散、吸附等性能的研究；同 济大学席永慧 7 1 , 7 2 1 、胡中雄【7 3 1 等对粘土衬垫及粘土衬垫中掺入粉煤灰、膨润土改性后屏 障材料阻滞污染物性能的研究等：河海大学黄婉荣、郭志平1 7 4 , 7 5 1 等对压实粘土衬垫渗透 系数的研究等；河海大学李宪【7 6 1 对g c l 的防渗性能进行了试验研究，研究t g c l 的愈合 能力；成都理工大学张莲花等【7 7 】通过土柱试验研究了填埋体填土层对渗滤液的净化机 理。衬垫设计方面：中国地质科学院水文地质工程地质研究所刘长礼等( 7 8 , 7 9 提出将村 垫设计的指导思想改为“截污”，在设计时考虑粘土衬垫的截污容量；西南交通大学李启 彬等【8 0 】在综合考虑防渗层防渗性能、截污能力及场址区环境容量的基础上，对填埋场防 渗层进行设计。衬垫中污染物的运移计算方面：大连理工大学张金利、栾茂田等1 6 7 , 8 1 1 对填埋场一压实粘土衬垫一含水层结构体系和填埋场一压实粘土衬垫一饱和或菲饱和 土层一含水层结构体系建立1 维和2 维计算模型，通过数值计算探讨污染物运移过程及其 基本规律，认为粘土衬垫渗透速度及其吸附性是控制污染物运移过程的最重要因素，且 粘土衬垫厚度和含水层渗流速度也有影响。 从国内对衬垫系统中污染物运移研究的现状可以看出：主要以压实粘土衬垫的研究 为主，g c l 中污染物的运移研究涉及较少，缺乏试验研究资料和相关的理论研究和模拟。 1 2 5 膨润土微观结构及运移参数与微观结构关系研究 ( 1 ) 膨润土的微观结构研究 河海大学博士学位论文 x m b n l 8 2 】提出不同尺度下膨润土的结构模型，将膨润土的孔隙空间分为两个部分： 粘土颗粒( g r a i n ，p a t r i c l e ) 之间的孔隙和粘土颗粒内部的层间孔隙。 y o n g t m 对用于废弃物衬垫材料的研究认为，膨润土中存在多重结构层次，孔隙和结 构单元体都存在多个等级。 p u s c h 9 4 对压实膨润土的微观结构研究表明，膨润土中存在双重结构：在微观层次 为团聚体内部的土颗粒与团聚体内部的微观孔隙；在宏观层次为团聚体与团聚体之间的 宏观孔隙。p u s c h 【3 9 】采用高压透射电子显微镜对高密度膨润土水化前后的微观结构进行 试验研究，观察到膨润土吸水膨胀过程的变化，根据t e m 照片的灰度将膨润土的微观 结构分为两个部分，即完全或基本不透水的团聚体和非蒙脱石颗粒：透水性较强的蒙脱 石凝胶填充孔隙和没有填充孔隙。讨论了膨润土微观观测制样过程中应注意的问题，对 t e m 图像进行数字化处理，采用不同的颜色表示不同的组分，提出微观结构定量处理 方法，并分析了定量指标与渗透系数、扩散系数、膨胀压力等宏观量之间的关系。 m u u r i n e n t 8 5 】提出水饱和膨润土的微观结构示意图见图1 4 。颗粒之间由凝胶填充， 自由水存在于凝胶中。 图1 4 水饱和膨润土微观结构示意图( m u u r i n e n 等，2 0 0 3 ) 1 8 5 1 n o r r i s h l 8 们、k j e l l a n d e r 等f 8 6 】、f a i s a n d i e r 等8 刀和g u y o n n e t 等采用小角度x 射线衍 射等方法的研究认为，在蒙脱石膨胀的过程中，根据含水量的不同将微观结构分为3 类， 见图1 5 。在a 区域，随着含水量的增加，粘土片层间距离以间断方式增加，直到2 + 2 n m ， 分别对应层问吸附1 层水分子( 1 3 n m ) 、2 层水分子( 1 6 n m ) 、3 层水分子( 1 9 n m ) 和 4 层水分子( 2 2 i u n ) 。在这个阶段，粘土为水化固体( h y d r a t e ds o l i d ) 结构，见图i 6 a ， 第一章绪论 多层粘土片形成土颗粒。在区域c 内，粘土片层间距离大于4 n m ，形成类似凝胶( g e l 1 i k e ) 结构，见图1 6 b 。区域b 为过渡阶段。由于过渡阶段的存在，且土中水分分布和阳离子 分布的不均匀性，造成在膨润土中两种结构共存。 1 2 1 0 喜： 善4 ： 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 含水量佴) 图1 5 蒙脱石吸水膨胀过程中平均层间距离的变化( n o m s h1 9 5 4 ) 嘲 许多粘土片形 成的颗粒 几个粘土片形 成的颗粒 0 孤立粘土片 自目毒， 堡 a 水化固体相 b 凝胶相 图1 6 膨润土中两种结构( g u y o n n e t ，2 0 0 5 ) 1 8 8 】 p u s c h 等冈采用t e m ( 透射电子显微镜) 得到饱和膨润土的照片见图1 7 ，可以明显地 看到凝胶态和水化固体相( 黑色部分) 。 水化固体相内吸附水层厚度随交换性阳 离子、含水量而变化。k o z a k i 等1 9 0 i 采用x 射 线衍射方法对干密度为0 7 1 8 9 ，c m 3 钠蒙脱石 层间间距的研究表明，当干密度增大到图l 7 饱和膨润土的t e m 照片( p u s c h 等) 1 0 # c m 3 时才观察到吸附水层为3 层；当干密度不低于1 4 c i n 3 时，观察到吸附水层为 2 层。钠蒙脱石层问间距随干密度的变化见表1 - 3 。 1 6 河海大学博士学位论立 表1 3 钠蒙腿石层闻闻距随干密度的变化( k ( m k i 等2 ) 0 1 ) 【蛐1 干密度( g e r a 3 ) 1 1 岛 1 4 2 1 4 层数 4 32 d t ( m ) 2 21 ，91 6 l l o r e t 等 g l l 总结了采用压汞法、扫描电子显微镜观察以及宏观力学试验方法对膨润 中微观结构的研究成果，认为膨润土中存在双重结构：不同密度的膨润土中存在不受 密度影响的微观孔隙( 粒内孔隙) 。当干密度改变时，粒间孔隙的大小和数量发生变化， 但粒