（水工结构工程专业论文）GCL防渗特性及填埋场防渗系统的研究.pdf

摘要 g c l 是一种新型防渗土工复合材料，在环境工程、地下工程中已得到广泛应 用。国外对于g c l 产品性能的研究已取得一定成果，但是国内对于该防渗产品的 研究尚少。本文利用试验的方法对g c l 的性能进行了研究，特别是对于其自我愈 合能力的研究，还对固体垃圾填埋场中的边坡稳定在前人研究的基础上做了进一 步的探索。对由g c l 和土工膜组成的复合衬垫上缺陷的渗漏量的计算提出了自己 的方法，为垃圾填埋场淋滤液收集系统的设计提供依据。 主要内容如下： ( 1 ) 简介了g c l 的发展史、结构、用途和优点。对g c l 的产品特性，即物理 特性、水力特性、力学特性和耐久性，进行了描述； ( 2 ) g c l 的渗透系数受到众多因素的影响，文中在分析了膨润土的膨胀机理 的基础上说明了膨润土中蒙脱土的含量、膨润土的颗粒分布、孔隙比、渗透液的 化学成分、水化程序等对g c l 渗透系数的影响。 ( 3 ) 依据我国工程实际，参考和借鉴国外经验和试验，对g c l 特性进行了研 究，对膨润土的自由膨胀特性、含水率，与g c l 的抗拉强度、剥离强度、剪切强 度。在现有三轴试验系统的基础上，研制了用于测量g c l 渗透系数的柔性壁渗透 仪，并利用该试验装置对g c l 的渗透系数随时间变化的趋势进行了研究。 ( 4 ) g c l 具有良好的自我愈合能力，利用柔性壁渗透仪通过对不同孔洞g c l 试样水化过程中渗透系数的测试，对g c l 的自我愈合能力迸行了研究。发现g c l 在刺破后经水化作用，具有良好的自我愈合能力。并且对影响g c l 自我愈合能力 的因素进行了简单分析。 ( 5 ) 。简单介绍了垃圾卫生填埋场的分类，对垃圾填埋场的衬垫系统、封顶系 统、淋滤液收集系统和气体收集系统进行了阐述。 ( 6 ) 同时考虑材料的c 和p 对稳定的影响作用，在前人研究的基础上利用极 限平衡法对垃圾填埋场的边坡稳定问题进行了进一步的探索，更好的反映了实际 情况。对于由土工膜和g c l 组成的复合衬垫上土工膜存在缺陷的工况，在参考了 众多文献的基础上，也建立了一个计算模型，用以计算淋滤液通过土工膜刺破缺 陷的复合衬垫的渗漏量。 关键词： g c l 膨润土渗透系数柔性壁渗透仪自我愈合能力固体垃圾填埋 衬垫边坡稳定缺陷流量 g c li san e wk i n do f c o m p o s i t ew a t e r p r o o f i n gg e o s y t h e t i c s ，a n di th a sb e i n g w i d e l yu s e di nf i e l d so fe n v i r o n m e n t a la n du n d e r g r o u n dp r o j e c t s o i 、，e r s e a se x p e r t s h a v ea l r e a d ya c q u i r ec e r t a i nr e s e a r c ho np r o p e r t i e so fg c l ，b u tr e s e a r c ho nt h i s p r o d u c ti sr a r ei no u rc 0 1 i l t r y i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ep r o p e r t i e so fg c lb y m e a n so f t e s t i n g ，e s p e i a l l ya b e u tt h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a l i n g i na d d i t i o n , w eh a v e f n l 恤e rs e a r c h e dt h es l o p es t a b i l i t yo fs o l i dw a s t el a n d f i l lb a s i n go nf o r n e rs t u d i e s w ea l s ob r i n gf o r w a r dan e wc a l c u l a t i o nm e t h o df o rl e a k a g e t h r o u g hc o m p o s i r el i n e r s c o n s t r u c t e dw i t hg e o m e m b r a n e sa n dg c l w h i c hp r o v i d i n ge v i d e n c et o d e s i g n i n g p r o p e r l yl e a c h a t ec o l l e c t i o na n d r c r n o v a ls y s t e mo f t h es o l i dw a s t el a n d f i l l t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ra r et h e s ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) 1 1 1 i sp a d e rb r i e fi n t r o d u c e dt h ep h y l o g e n y 、s t r u c t u r e 、f u n c t i o na n dm e r i to f g c li td e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg c lt h a ti s p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s 、 h y 7 d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s 、m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n d i t sd u r a b i l i t y ( 2 ) ，t h e r ea r el o t so ff u n d a m e n t a lf a c t o r sw h i c ha f f e c t i n ge v a l n a t i o no ft h e h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo f g c l 。i nt i f f sp a p e r , o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gs w e l l p r i n c i p l e ， w e e x p l a i n e dt h ef o l l o w i n gf a c t o r sw h i c ha f f e c th y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fg c l o n f i n a l ：s m e c t i t eo fb e n t o n i t e 、a g g r e g a t es i z eo fb e n t o n i t e 、v o i dr a t i o 、c h e m i s t r y c o m p o n e n t a n d h y d r a t i n gp r o c e d u r e e c t ( 3 ) a c c o r d i n ga se n g i n e e r i n gp r a c t i c e so fo u rn a t i o n r e f e r r i n gt ot h ee x p e r i e n c e s a n de x p e r i m e n t a t i o n so fo v e r s e a s w eh a v er e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg c l - 血a t i sf r e es w e l lt e s t i n go f b e n t o n i t e 、m o i s t u r ec o n t e n ta n dt e n s i l es t r e n g t h 、p e e ls t r e n g t h a n ds h e a rs t r e n g t h 0 nb a s i so fe x i s t i n gt r i a x i a l t e s t i n gs y s t e m ，w ed e v e l o p e do n e f l e x i b l ew a l lp e r m e a m e t e rw h i c hi su s e df o rm e a s u r i n g h y r d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fg c l a n d m a k i n g u s eo f t h et e s t e rt os t u d yt h ec u r r e n to f h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yv s t i m e ( 4 ) g c lp o s s e s s e sa b i l i t yo f s e l f - h e a l i n gw e l l w eh a v es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i e s o fh e a l i n gi t s e l f , m a k i n gu s eo ft e s t i n gt h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fg c l s a m p l e 、 w h i c ho w n sv a r yh o l ed i a m e t e r s ，b ym e a n so ff l e x i b l ew a l lp e r m e a m e t e r w ef o u n d p u n c t u r e dg c lp o s s e s s e da b i l i t yo fs e l f - h e a l i n gw e l la f t e rh y d r a t e d a n dw ea l s o s i m p l ya n a l y z e d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f a b m t y o f s e l f - h e a l i n g ( 5 ) b r i e fi n t r o d u c e dt h es o r to fs o l i dw a s t ei a n d f i l l a n di l l u m i n a t e di i n e r s y s t e m s 、c o v e rs y s t e m s 、l e a c h a t ec o l l e c t i o na n dr e m o r a ls y s t e m s 、g a sc o l l e c t i o na n d r e m o v a l s y s t e m so f a s o l i dw a s t el a n d f i l l ( 6 ) c o n s i d e r i n gs y n c h r o n o u s l y 血ep a r a m e t e r s ca n d 口i n s t a b i l i t ya n a l y s i s ，i n o r d e rt or e f l e c tt h ef a c t ，w eh a v ef u r t h e rs e a r c h e ds l o p es t a b i l i t yo fs o l i dw a s t el a n d f i l l w h i c hb a s e do nt h ef o r l n e rs t u d i e s 0 nt h eb a s i so f p l e n t yo f l i t e r a t u r e sr e f e r r i n gt o w ea l s ob r i n gf o r w a r dan e wc a l c u l a t i o nm e t h o df o rl e a k a g et h r o u g h c o m p o s i t e l i n e r s c o n s t r u c t e dw i t l lg e o m e m b r a n e sa n dg c l w h i c h p r o v i d i n g ac a l c u l a t i o nm e t h o df o r l e a k a g et h r o u g h h o l ei ng e o m e m b r a n e so f c o m p o s i t el i n e r s k e y w o r d ： g c lb e n t o n i t e h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y f l e x i b l ew a l l p e r m e a m e t e r c h a r a c t e r i s t i c so f s e l f - h e a l i n g s o l i dw a s t el a n d f i l ll i n e r s l o p es t a b i l i z a t i o n l e a k a g et h r o u g h h o l e 擘位论文独创性声明： 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) ：二乒娶卜 2 0 0 5 年5 月1 6 日 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 舨) 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c 签名，：二叠缸2 。5 年5 月6 日 第一章绪论 1 1 g c l 在固体垃圾卫生填埋场与防渗工程中的应用 随环境工程、地下工程等对防渗要求的不断提高，土工合成材料粘土衬垫 ( g e o s y n t h e t i cc l a yl i n e r ，简称g c l ) 作为一种新型防渗土工复合材料正逐步 得到工程界的认可，并且在越来越多的工程领域得到应用。g c l 是在两层土工合 成材料之间夹封一层膨润土或其它透水性极小的材料，采用针刺、缝合或粘合加 工而成的一种土工复合防渗材料，也有的g c l 产品只有一层土工膜，其上用水溶 性粘合剂粘合一层薄薄的膨润土删。 在过去的1 0 年中，国外很多设计工程师和环保部门逐渐用g c l 来代替压实 粘土垫层( c o m p a c t e dc l a yl i n e r ，简称c c l ) 作为防渗材料。g c l 在拉伸、局 部下陷与冻融循环等情况下湿水均可以保持极低的渗透系数( j j r ( a ) 粘合g c l ( 双层) 上层土工织物 下层土工织物 ( b ) 针刺g c l 上层土工织物 针刺纤维 下层土工织物 上层土工织物， _jl0 - 一定间距缝台u 一 上层或下层 f 下层土工织物土工膜 ( c )缝合c c l( d ) 粘合g c l ( 单层) 图2 1g c l 结构组成示意图 2 1 3g c l 的特性和优点 3 河海大学硕士学位论文 g c l 是一种新型防渗材料，其渗透系数很小，一般在lxi 0 1 2m s 1 1 0 1 0 s 。国外一些专家学者对g c l 的渗透特性进行了很多的研究工作并取得了 不少成果。通过大量试验发现影响其渗透性的因素主要有：g c l 产品总厚度、蒙 脱石含量、吸附层厚度、水化液体特性、矿物部分的空隙率和上覆压力大小等呻1 。 g c l 作为一种新型防渗材料，有许多优点”，包括： ( 1 ) 被穿孔后具有良好的自我修复能力，此优点使g c l 相比土工膜等防渗材 料有很大的优势； ( 2 ) 适应较大的不均匀沉降，而渗透系数无大幅度的增加： ( 3 ) 安装快捷、操作简单和造价低； ( 4 ) 不依赖当地材料的可用性； ( 5 ) 能够承受反复冻融影响； ( 6 ) 较小的厚度富有较大的气体空间； ( 7 ) 勿须进行野外渗透试验： ( 8 ) 水化后的g c l 是有效的气体隔板： ( 9 ) 便于维修； ( 1 0 ) 减小了下伏压缩层的过载负荷。 作为一种新型防渗复合材料，g c l 产品还有一些不足需在今后的研究和：【程 实践中不断改进”“，例如： ( 1 ) g c l 水化后，其中的膨润土的抗剪强度较低； ( 2 ) g c l 在安装过程中或运行时有可能被穿孔； ( 3 ) 在安装过程中可能造成某些损失； ( 4 ) 如果不能和与之共存的水源预先水合，可能会由于内部充填物的不兼容 而造成渗透系数的不断增大； ( 5 ) 存在与其它矿物的潜在交界面问题； ( 6 ) 倾向于离子交换( 对于钠质膨润土g c l 而言) ； ( 7 ) 较低的剥离强度，尤其当水化后剥离强度更低： ( 8 ) 用在干燥地区，如果没有合理厚度的覆盖层，容易干燥。 现在国内外很多的地下工程中使用了g c l 作为防渗材料，很多垃圾填埋工程 中也己使用g c l 代替c c l ，况且g c l 在其它的工程领域也得到日益广泛的应用， 其原因是多方面的： ( 1 ) g c l 的渗透系数比c c l 的渗透系数小的多( c c l 的渗透系数约为1 1 0 s ，而g c l 的渗透系数约为l l o 。1 m s ) ； ( 2 ) c c l 需在现场施工，而g c l 是在工厂加工，运送到施工现场，现场铺设， 施工速度快； ( 3 ) c c l 厚度约为6 0 9 0 c m ，而g c l 约为1 2 1 5 c m ，大大增加了填埋场的 4 第二章土工合成材料粘土村垫( g c l ) 容量； ( 4 ) 不可能在任何旌工地方都可以合适的粘土作为c c l 的材料，而g c l 可以 由工厂运至任何施工地点： ( 5 ) 在c c l 的旖工过程中，质量保证步骤很复杂，需要高度熟练和有技术的 监理人员，而g c l 的旌工相对简单，仅需直接的常规的监理； ( 6 ) ，c c l 的费用变化幅度较大，估价约为1 7 0 1 6 9 7 美元米2 ，而对于大 的场地，g c l 的费用仅需1 4 3 2 0 4 美元米2 。 g c l 作为一种新的防渗复合材料具备良好的工程特性，和土工膜或压实粘土 衬垫相比具有很强的竞争力，已经被应用到众多的工程领域。因为g c l 在拉伸、 局部下陷与冻融循环等情况下湿水具有极低的导水率( 8 时， 其抗渗能力递减的很快，更有甚者，半年内就会失效。所以还应当要求防渗膨润 土的p h 9 。 3 1 4 膨润土的粒径分布 用于g c l 中的膨润土是开采后碾压粉碎加工而成的，膨润土的粒径分布是由 使用的碾压粉碎的工艺所决定的。膨润土的粒径分布对渗透液为标准液体( 即去 离子水、蒸馏水) 的g c l 产品的水力渗透系数影响很小。但是膨润土的粒径分布 对其膨胀速度有一定影响，并且当渗透液为非标准液体时，粒径分布对c - c l 的水 1 4 萋 第三章g c l 的渗透特性 力渗透性有明显影响。 大粒径的膨润土颗粒需要更长的水化时间，因为水化液体渗至较大颗粒膨润 土颗粒的内部需要的时间较长。此外，如果水化液体不能使膨润土形成吸附层， 或形成的吸附层厚度很薄，将不能发生膨胀或膨胀量很小，也就无法形成一个完 整的防渗隔离层。如果膨润土颗粒不能水化分解，则g c l 的水力渗透特性和与 g c l 内使用的膨润土的粒径分布相似的粗颗粒材料的水力渗透特性相似。 3 1 5 离子交换能力 一般g c l 中使用的膨润土为钠质膨润土，天然膨润土的在离子交换体( 即吸 附层中的离子) 中包含的离子( 如下表) 1 4 1 阳离子相对含量随膨润土的产地而 不同，并且影响到吸附层的厚度。因而，即使其它的所有的条件相同，g c l 中使 用的膨润土的产地不同，或同一产地的不同矿物，一般都具有不同的水力渗透系 数，对渗透液的成分也将表现出不同的反应。 表3 1 两种膨润土的化学特性 特性颗粒状膨润土粉末状膨润土 阳离子交换能力( 毫克当量1 0 0 克) 6 3 97 2 3 离子交换能力( 毫克当量1 0 0 克) c a1 8 6 2 6 6 m g 7 44 2 n a2 9 83 6 3 k1 3o 9 a io 2 s il o1 3 总数 5 8 16 9 5 可溶性盐( 毫克千克) c a1 4 08 0 2 m g 4 8 81 8 3 n a2 8 2 04 2 0 0 k 1 9 ，61 9 6 膨润土p h 9 18 9 粘土导电率( m s c m ) 2 53 3 3 1 6 膨润土的化学抵抗性 为了提高g c l 的产品性能，技术人员在有些膨润土中填加了稳定剂。然而， 稳定剂可能与膨润土发生化学作用，进而影响到g c l 的水力渗透特性。对于经过 抗腐蚀处理的膨润土，现阶段对其在恶劣的现场条件下，评价其是否满足规范 河海大学硕士学位论文 膨 胀 4 0 体 积 3 0 ( l 2 e ) 口天然膨润土 溶鼹导电率( m s c m ) 图3 2 多膨胀性膨润土与各种液体的膨胀体积 要求指标的长期特性试验还很少。但从现在仅有的资料可以看出膨润土的化学稳 定性明显得以提高。 例如，o n i k a t a 等人发明了一种抗腐蚀性膨润土，将天然膨润土和活性膨胀 剂混合而成，称为多膨胀性膨润土( m s b ) “”。对多膨胀性膨润土和天然膨润土 进行了不同液体水化条件下的自由膨胀试验验证其特性( 试验结果见图3 ，2 ) ， 试验证明在相同水化液体条件下，m s b 比天然膨润土具有更好的膨胀特性。但是 对于m s b 在水化液体的长期作用下，其膨胀能力和低渗透性是否发生变化，目前 尚没有进行试验研究。 3 2 吸附层对渗透系数的影响 吸附层厚度，在胶体化学中的被成为扩散双电层( d d l ) ，一般用s t e r n g u o y 模型来描述1 1 7 1 。根据s t e r n - g u o y 模型，由定向排列的双极性水和固定的水化离 子组成的薄膜称为腹膜。这层腹膜位于粘土表面，当水化离子的扩散层吸附于粘 土表面时，也就立即滞留于腹层上。扩散层中的离子浓度为粘土表面负离子的电 位的函数，随着与粘土表面距离的增大而减少。德拜长度五，大约等于扩散层质 心到边缘的距离，可以由下式给出“”： 五：三：鱼：冬：! 、2 y f 2 - 节 式中：占孔隙水的介电常数； 岛真空的介电常数； ( 3 一1 ) 第三章g c l 的渗透特性 r 大气气体常数； ，法拉第常数： 丁绝对温度； v 离子化合价； ，7 电解液浓度。 虽然实际上扩散层与孔隙水之间没有明显的的边界，但是按照惯例，五仍被称为 扩散双电层的厚度。 由方程( 3 - 1 ) 可知，电解液浓度、离子化合价和介电常数会对z 的数值产 生影响；进而影响到膨润土的渗透系数和膨胀特性。五的减少会引起渗透系数的 增加，这是因为流动通道尺寸增大了。因而，具有较小介电常数的溶液引起的五 的急剧的减小会引起离子相互吸引、收缩和破裂，从而导致渗透系数急剧增大。 在控制膨润土渗透系数大小体系中，起主导作用的是吸附层。m e s r i 和q l s o n 曾将高龄石、伊利石和膨润土的沉积物试样与非极性溶液( 苯和四氧化炭，s ( o ) 、 盐溶液( n a c l 和c a c l ：) 和蒸馏水进行水化。在非极性溶液水化条件下，吸附层 完全破坏；然而在盐溶液和蒸馏水中可以得到厚度不同厚度的吸附层。在非极性 溶液中，在一定的孔隙比条件下，高龄石、伊利石和膨润土具有大约相等的渗透 系数。但是，如果在盐溶液和蒸馏水中，三种矿物却具有不同的渗透系数 3 3 1 。 3 2 1 化合价的影响 膨 胀 体 积 ( m l 2 9 ) 3 0 i 7 蒸馏水0 0 2 5 m 0 0 2 5 m0 0 2 5 l i c l k c l za 1 c 1 3 图3 2 膨润土在不同化合价溶液中自由膨胀体积 由方程( 3 - 1 ) 可以看出，在离子交换体中钠离子交换能力会对吸附层的厚 度产生影响，因而会影响到g c l 中膨润土的膨胀体积和水力传导特性。从一种针 刺g c l 中取出的膨润土在去离子水和三种o 0 2 5 m 的氯化物溶液中进行水化，其 1 7 河海大学硕士学位论文 自由膨胀试验结果验证了这一理论( 试验按照美国a s t md 5 8 9 0 方法操作) 。 由图3 2 可以看出，膨润土在a i c i 。溶液中水化得到最小的体积膨胀量，此 结果也与s t e r n - g o u y 理论的结论相一致，这说明在三价阳离子a l ”存在的环境 中形成的吸附层厚度最小。与此相对应，在l i c l 溶液中水化得到的膨胀体积大 于在去离子水中水化后膨胀体积量的9 0 ，这是因为l i + 为单价阳离子，对吸附 层厚度的形成影响很小。正如试验前所预料的，在m g c l ：溶液中水化得到的膨胀 体积介于l i c i 和a i c i 。溶液水化后膨胀量之间，这是因为二价离子m g ”的存在。 利用去离子水、0 0 2 5 m 的l i c i 溶液和0 0 2 5 m 的m g c i ：溶液对g c l 进行了渗透试 验，得到在l i c i 溶液中的渗透系数为4 1 1 0 4 c m s ，而在m g c l 。溶液中为4 1 l o “c m s 1 4 1 。将膨胀试验与渗透试验的结果比较可以看出，渗透系数的大小与 形成的吸附层厚度的大小是息息相关的。 3 2 2 水化液体浓度 水化液体浓度会对g c l 的渗透系数和膨胀体积产生影响，如图3 3 中描述了 一种针刺g c l 在浓度为0 0 1 m o 1 m 的z n c l 。溶液水化条件下其渗透系数和膨胀 后体积与浓度的关系“”。在试验中，将试样放置在柔性壁渗透仪中测其渗透系 数，试样上作用的平均有效压力为2 0 k p a ，水力梯度为i 0 0 ，并且无反压力作用； 、渗透系数曲线 1 。 。 、，： 三，；彩 渗 ： 、 7 ： 胀 羹”7 ；t 影二2 0 篓 。耋。h 。； 文，。壁鳖堂 - - i 1 5 ( m l 2 9 ) ：一 、一一一一一= ” 1 0 4 ：一 j= 。 t o ”l 靠百百弋南_ 石五丽r 百面气铽茜而r 百百1 i 矿二0 图3 3 膨润土在蒸馏水和不同浓度z n c h 溶液 中的自由膨胀体积和渗透系数 按照美国a s t md 5 8 9 0 中的试验方法对其膨胀后的体积进行量测。由图3 3 可以 看出，水化液体浓度对g c l 水力传导系数和膨胀体积的产生影响，随着电解液体 浓度的增高，吸附层的厚度会减少。因而，膨胀体积减小并且渗透系数增加。 浓度的增加对某种针刺c , c l 的渗透系数的影响也可以从p e t r o v 等人提供的 1 8 第三章g c l 的渗透特性 图3 4 中资料表现出来。他们在3 4 k p a 的上覆压力和相同的水力梯度( 1 4 4 f l 。因此，当乙醇的浓度大于5 0 时，渗透系数会发生 、 第三章g c l 的渗透特性 明显的增加。 3 2 4 水化次序的影响 一些研究人员已经报道了水化液体的水化次序会对g c l 的最终渗透系数有 显著的影响。特别是当g c l 与含有化学物质的溶液水化前，预先用去离子水水化 得到的渗透系数一般比直接用化学溶液水化后得到的渗透系数小得多。这种影响 作用在1 9 9 7 年p e t r o v 等人的试验中表现的较为突出 4 1 1 。另外，s t e r n 和 s h a c k e l f o r d 等人也进行了试验，表明这一特性。他们利用0 5 m 的c a c l ：溶液直 接对膨润土进行渗透试验，与预先利用去离子水对膨润土水化然后再用o 5 m 的 c a c l ：溶液水化渗透得到的结果比较，发现前者比后者的数值明显大一个数量级。 f 了五j 矿而i 一f 一一i ( a ) i ，一7 4 未预先水化 i 0 “ 一一二j i 二i r 。一一 渗f 透 i ： 系l o ! 一一一一一 ，数、 i 预先水化 ( c m s ) 。、j 型o ，j 、曼 l o 三扛一一一1 一：_ _ = = ；二二二二二二二j 二二二j ； i “一一一，一一，+ + 一 1 0 90 _ 厂1 丁一1 一一i 0 1 21 4 鼍鲁5i一一半划_一广_1 2 l 河海大学硕士学位论文 另一个是试样直接用淋滤液水化进行渗透试验( 没有预先水化) n ”。两个试验的 平均上覆压力为2 7 6 k p a ，按照美国a s t md 5 0 8 4 的操作步骤进行，但是其水力 梯度为3 3 0 3 8 0 。 图3 6 a 中的数据表明：预先水化的试样达到渗流稳定时的水力渗透系数为 7 x 1 0 。c m s ，然而事先未水化的g c l 试样达到渗流稳定时的水力渗透系数则为9 x 1 0 1 c m s ，后者水力渗透系数数值为前者的1 2 8 0 倍。两个试验皆是以流入量和 流出量的相对导电率达到平衡为结束标准，这表明试验中已经达到化学平衡。 d a n i e l 等人也对此进行了一系列试验，他们将一种g c l 产品预先水化，在将试 样置入到柔性壁渗透仪之前，使其中的膨润土的重量含水量达到5 0 、1 0 0 和 1 2 5 。试样在预先水化后，在8 0 1 2 0 水力梯度下，分别在苯、汽油、甲基叔丁 基醚( m t b e ) 和三氯乙烯( t c e ) 溶液中水化渗透两个月，测试其渗透系数。试 验中还对干态膨润土( w = 1 7 ) 和饱和态膨润土( w = 1 4 5 ) 条件下的g c l 的渗 透系数进行了测试( 结果见图3 7 ) ，在图3 7 中没有提供膨润土最初含水量为 1 2 5 和1 4 5 的g c l 试样的渗透系数，这是因为在这两种情形下没有观测到流量。 + 亿e 一汽油 一t 睥 m t b e h 芷 z 。 面_ _ 护下一导才f 击铲。 膨润上的最初含水量，w ( ) 图3 7 膨润土的不同最初含水量 对g c l 与非标准液体的渗透系数的影响 由图3 7 中可以看出，预先未水化的g c l 试样和预先水化后膨润土含水量 小于5 0 的渗透系数，比预先水化后膨润土含水量大于1 0 0 的试样渗透系数高 3 5 个数量级。而且，所有膨润土含水量小于5 0 的g c l 试样的渗透系数均大于 1 0 一c m s 。由试验中的结果可以看出g c l 的渗透系数在某种程度上是预水化的函 数，可能受到压力条件和给水量的影响“”。 尽管很多试验数据都表明g c l 预先水化可以防止渗透系数大幅度的增加， 但是这些试验得到的结果都是短期内的特性。因而，预先水化对g c l 渗透系数影 响的长期效应现在还不甚了解，这方面的试验需在今后的研究工作中得以开展。 ? 2 一。一；：。；一：一，一。 。 旷 一 ，。 s 渗透系数、吾 第三章g c l 的渗透特性 3 3 孔隙比对渗透系数的影响 m e s r i 和o l s o n 在曾经指出：膨润土被含有水的溶液水化渗透得到的渗透系 孔5 隙 比 嗣 苎己日一坝无刁( 化 o j ； 填充一未预先水化i i - - 1 _ i 】j i ；? i r 7i ! j 啄7 、爻f ； ， 一j i r jj j j 。0 o i m 0 i m 0 6 m o 2 m 0 1 m 0o i m 0 6 m 2 m 可海大学硕士学位论文 吸附层厚度的变化对6 c l 渗透系数比孔隙比对其的影响要大。 渗 透 系 数 ( c m s ) 1 0 5 i o 6 渗 透l o 。1 系 n a c l 溶液浓度( m ) ! ( bj l o ；百百j i i i 弋j i 一一j 一一i 5 n a c l 溶液浓度( m ) 图3 9 膨润土被n a c l 溶液渗透下的渗透系数与孔隙比之间的关系 3 4 生产工艺对渗透系数的影响 不同的生产工艺会对g c l 的特性产生不同的影响。r i c h a r d s o n 正明了未加 筋的g c l 比采用针刺工艺生产的6 c l 的内部抗剪强度低。p e t r o v 和r o w e 对一种 非热锁型针刺g c l 的膨胀特性进行了研究，发现采用针刺工艺比现行的其它工艺 可以有效减少最后的体积孔隙比，尤其是当g e l 的上覆压力较低时，3 k p a 6k p a ， 这些压力是g c l 用于池塘防渗衬垫、泻湖防渗衬垫和封盖系统防渗的压力的代表 值：一般来讲，在其它因素都相同的情况下，低的体积孔隙比对应着较小的渗透 系数“”。其它的试验研究也证明了上覆压力和生产工艺可以影响到c c l 的渗透 系数。 l a k e 和r o w e 的试验表明了在自由膨胀条件下，热锁型6 c l 中间夹封的膨润 土孔隙比较小，因而水力渗透系数也较小“1 。在较低的上覆压力下，采用热锁 加工工艺更能有效控制g c l 的膨胀；既在较低的上覆压力作用下，热锁针刺纤维 羞羞譬 一 一 一 一 争昏 嚣一 第三章c , c l 的渗遗特性 能更好的控制通过g c l 的流量。通过试验成果还可以看出当g c l 在较低的压力作 用下预先水化后，压力增加时，g c l 加工工艺对孔隙比的影响比未经预先水化变 小。 由于膨润土是g c l 主要的防渗构件，所以影响膨润土的特性的因素都会影 响到g c l 渗透特性，另外上下层土工织物或土工膜的特性以及加工工艺也会对其 渗透特性有一定影响。目前对影响g c l 渗透特性的研究还在不断进行，随研究的 不断深入，其防渗特性会不断得以优化。 第四章g c l 的一些特性研究试验 现在虽然对g c l 的特性已经有了一定的认识，但是很多特性试验都是在国外 进行的。现阶段国内对于g c l 特性的研究还比较少，基本处于起步阶段。对于 g c l 特性的研究应该依据我国工程实际，参考和借鉴国外经验和试验方法。作者 在下述的特性试验中就遵循了上面的原则。 4 1 有关膨润土的试验 4 1 1 膨润土自由膨胀试验 膨润土的自由膨胀试验可以用来测试其膨胀特性，一般用膨胀指数来反映其 膨胀特性的大小，膨胀指数大小与温度、压力和水化液体的类型等因素有关。 根据美国a s t m 标准及参考本国工程经验，作者对几种膨润土的膨胀指数进 行了试验：称量2 0 0 o o l g 烘干的膨润土试样( 试验中要使用微波炉烘干，不 可以使用烘箱，以避免膨润土中的某些物质成份发生化学反应) ，慢慢将其加入 盛有1 0 0 m l 蒸馏水( 或去离子水) 的量筒内水化，静止放置至少1 8 个小时后， 对膨润土试样水化后的体积进行量测。 在整个试验过程中添加的膨润土量较少，况且膨润土水化后膨胀量一般很 大，所以在试验中要尽量减小误差，应注意以下一些问题： ( 1 ) 试验前必须将膨润土试样研碎，使之能够1 0 0 通过1 0 0 目( 0 1 5 4 m m ) 的美国标准筛，并且2 0 0 目( 0 0 7 6 m m ) 的美国标准筛的通过率不小于6 5 ； ( 2 ) 将膨润土试样烘干后，称量2 9 放入量程为1 0 0 m l 的量筒内。注意在将膨 润土放入量筒时，必须小心以防止洒落； ( 3 ) 每次取膨润土试样不要多于o 1 9 ，并且在整个添加试样过程中要保持较 慢的速度，因为一次性加入过多会使膨润土聚集成块，从而使其不能充分水化； ( 4 ) 向量筒内添加膨润土试样时不要使用漏斗，因为它可能会使膨润土与水 结合聚集成块； ( 5 ) 膨润土试样水化沉降过程中不可晃动量筒，让其自行沉降； ( 6 ) 为使膨润土试样与蒸馏水或去离子水充分水化，每次向量筒内添加膨润 土这一过程中，膨润土浸水变湿膨润土与水结合水化沉降至量筒底部， 这一过程至少需要l o 分钟： ( 7 ) 将2 0 0 9 膨润土试样加完后，必须用滴液管小心地冲洗量筒内壁上附着 的粘土矿物颗粒； ( 8 ) 膨润土试样加完后静止放置时一定要用玻璃塞盖住量筒； ( 9 ) 测量时应忽略任何低密度的絮状物质( 有时呈浅自色) ，记录时应从沉降 的膨润土顶部精确至0 5 m l 的体积量。 第四章g c l 的一些特性试验研究 作者选择了几个厂家生产的膨润土，对其自由膨胀指数按照上面的试验方法 进行了测定( 试验结果见表4 1 ) 。 试验中发现b 号膨润土在蒸馏水中沉降比其它四种膨润土速度较快，不符合 粘土在水中的沉降特征。且在手指间将b 号膨润土轻轻碾压，会感觉到粘性。说 明b 号膨润土中添加了粘合剂。由试验结果可以看出，在b 号膨润土中使用的粘 合剂对其短期膨胀特性无害。但对其长期膨胀特性是否有影响尚需要进一步借助 试验来验证。 通过以上试验结果，并结合防渗膨润土体积膨胀2 6 m i 的指标要求，可以 看出b 号膨润土( 平均膨胀后体积为3 0 3 m l 2 9 ) 和d 号膨润土( 平均膨胀后体 积为2 6 6 m l 2 9 ) 符合防渗要求，从这一标准来讲，这两种膨润土产品可以用在 g c l 中作为其主要的防渗构件。 表4 i 膨润土自由膨胀指数( 单位：m 2 9 ) a 号b 号c 号d 号e 号 第1 次 l o 03 0 51 9 52 6 o1 4 5 第2 次 儿o3 0 o2 0 o2 4 51 6 o 第3 次 1 3 52 9 52 0 o2 7 51 6 5 第4 次 1 2 03 0 02 1 52 8 o1 4 0 第5 次 1 0 53 1 52 1 o2 7 o1 5 5 平均值1 1 43 0 3 2 0 42 6 61 5 3 标准差 1 3 9o 7 6o 8 21 3 91 1 l 变异系数c 。 1 2 1 2 5 4 o 5 2 7 2 膨润土在不同的液体中进行自由膨胀试验会得到不同的膨胀体积。膨润土在 酸性水溶液中自由膨胀时膨胀量最大，考虑到膨润土浆的p h 值一般大于8 ，产 生这个结果的原因可能是酸与孔隙水中的碱中和，这样使得膨润土更加膨胀。膨 润土用海水浸泡后发生最低限度的膨胀，其原因是海水中较多的多价阳离子抑制 了膨润土的膨胀。膨润土由m s w 冲洗液水化，膨胀指数仅为蒸馏水中的一半，这 是由于淋滤液中的溶解物引起的。 另外，需要考虑膨润土与一些离子的不兼容性，例如膨润土在钾、氯和钙电 解质溶液中不能发生膨胀，所以在有这些电解溶液存在的环境中不能使用g c l 作 为防渗材料。 4 1 2 含水率 美国材料协会推荐其含水率的测定依据a s t md 4 6 4 3 ，将一定质量的膨润土放 在微波炉里面进行烘干( 为防止膨润土中的矿物质在烘箱中发生化学反应，所以 使用微波炉烘干膨润土试样) 。 考虑到a s t md 4 6 4 3 和国内测试粘土矿物含水率方法相似，作者运用国内的 2 7 河海大学硕士学位论文 一般方法对膨润土的含水率进行了测试。但是考虑到膨润土的吸水性很强，以及 为了缩短试验时间，对膨润土进行了研磨，使之成为粉末状。试验中将膨润土粉 放入已经编号的小铝盒内，称量其质量；然后将装有膨润土的小铝盒放入微波炉 内烘干，至质量不再减小为至，此时的质量即为烘干后的质量。经过计算后即可 以得到膨润土的含水率( 试验结果见表4 2 ) 。 表4 2 膨润土含水率试验( g ) 号号号号号平均 m l 1 9 9 22 1 6 92 1 3 22 0 9 82 1 5 2 m 2 1 1 2 91 1 3 21 1 3 21 1 3 11 1 3 7 m 。 8 6 31 0 3 71 0 o o9 6 71 0 1 5 w7 6 4 4 9 1 6 1 8 8 3 4 8 5 5 0 8 9 2 7 8 6 2 3 注：表格中的m 和m ，中不包含小铝盒的质量。 表中：肘烘干前湿态膨润土试样质量，g m ，烘干后干态膨润土试样质量，g m 。膨润土中含有的水的质量，m 。= m 】一m ，g w 膨润土含水率，w = m 。，m ， 由表中数据可以看出，该g c l 中膨润土含水量极高，平均含水量达到8 6 2 3 。 该g c l 产品运送途中