何 俊，肖衡林，孔祥怡

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，武汉 430068)

1 研究背景

黏土是垃圾填埋场底部和顶部常用的衬垫材料，能够较为有效地防止垃圾填埋场对周围环境的二次污染。目前国内外常用的衬垫材料包括压实黏土衬垫、膨润土防水毯(GCL)、土工膜等，其中压实黏土衬垫使用时间最长，积累经验最多，是符合我国国情的衬垫材料之一。填埋场产生的渗滤液中含有多种有机和无机污染物，当其在底部衬垫中运移时，将与衬垫之间发生复杂的相互作用，从而影响衬垫材料的防渗性能，这就是黏土衬垫的化学相容性。封顶材料遇到溶液时，其渗透系数也可能与水渗滤时不相同。另一方面，在垃圾填埋过程中，作用于底部衬垫上的压力是逐渐增加的，衬垫性能也将随之发生变化。

国外学者针对压实黏土衬垫化学相容性进行了一些研究［1－3］。Peirce 等研究了500 mg/L FeCl3，50 mg/L和300 g/L Ni(NO3)2溶液在3种黏土衬垫中的渗透，发现这几种无机溶液对压实黏土衬垫渗透系数的影响不大。Kim研究了VOC在压实黏土衬垫中的运移，发现大多数试验中，VOC作用后黏土的渗透系数为作用前的1.2倍。我国学者对渗透性能的研究主要针对传统岩土领域，而对实际工况下垃圾填埋场中压实黏土衬垫渗透性能的研究还不多［4－6］。刘和平等研究了2种浓度的铅镉混合溶液在黏土衬层中的渗透、迁移和转化，发现溶液的渗透系数都比纯水时的渗透系数略有降低;罗春泳研究了0.05 mol/L和0.1 mol/L 2种浓度下 KCl与 Cu-SO4等溶液在杭州天子岭黏土中的渗透，也发现浓度的增高会使渗透系数降低，当以溶液饱和土样时，渗透系数随土中离子含量的增大而增大;刘优平等发现，黏土在酸性条件下渗透系数随时间的推移而增加。已有研究所选取溶液的浓度点相对较少。

本文对模拟渗滤液和压力作用下衬垫的渗透系数进行研究，探讨渗透系数的影响因素，进一步加深对压实黏土衬垫防渗性能的认识。

2 试验方案

试验材料选取武汉市长山口垃圾填埋场附近的黏土，该填埋场将这种黏土作为基层，用于GCL复合衬垫的底部。土样基本物理性质见表1，击实曲线见图1，均按照《土工试验方法标准》(GB/T50123－1999)进行试验。试验土样为高液限黏土，最优含水率为23.0%，最大干密度为1.61 g/cm3。

表1 试验土样的基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of test soil samples

图1 试验土样击实曲线Fig.1 Curve of compaction test on soil sample

选择0～0.07 mol/L的CaCl2溶液模拟渗滤液，这是因为:Ca2+和Cl－是垃圾填埋场渗滤液中常见的污染物离子，Ca2+在200～3000 mg/L之间变化［7］。而渗滤液中高价阳离子的存在是影响衬垫防渗性能的一个重要方面［8］。

在进行渗透试验时，首先将风干土碾碎后过2mm筛，以击实试验得到的最优含水率和最大干密度为标准，制备重塑土样;然后配置CaCl2溶液，将土样抽真空后浸泡于溶液中，静置7天，并定期搅拌溶液使其均匀;采用QY1-2型渗压仪进行不同压力下各溶液浸泡土样的变水头渗透试验，每种状态下各进行了2个平行试验，取平均值进行分析。

在垃圾填埋场的运行期间，随着垃圾的填入，底部衬垫所受的压力发生变化，从填入垃圾前的低应力状态(5～20 kPa)逐渐变化到填入垃圾并封场后的高应力状态(约100～400 kPa)。因此，选用200，300和400 kPa等几种竖向压力进行试验。

采用高压固结仪进行了各浓度溶液下土样的固结和压缩试验，土样的制备过程与渗透试验相同。采用时间对数法确定固结系数Cv，基于太沙基一维固结理论得到渗透系数k，即

式中γw为水的重度;αv为压缩系数;e为初始孔隙比。

3 试验结果

3.1 渗透试验结果

各级压力下压实黏土衬垫渗透系数随CaCl2溶液浓度的变化见图2所示。试验土样渗透系数都大于国家标准10－7cm/s的要求，因此不宜直接用作压实黏土衬垫。随着CaCl2溶液浓度的增大，渗透系数增大;当浓度较小时，渗透系数变化较大，而当浓度较大时，曲线逐渐趋于平缓。各溶液条件下渗透系数与水渗滤时渗透系数的比值最大为2.3。

图2 渗透系数随溶液浓度的变化Fig.2 Relationship between hydraulic conductivity and solution concentration

渗透系数随竖向压力的变化如图3所示。可以看出，压力的变化对渗透系数有较大的影响，渗透系数随压力的增大而减小。无论CaCl2溶液的浓度为多少，当压力从200 kPa增大到400 kPa时，渗透系数减小约1个数量级。因此，在衬垫设计和评价时，衬垫渗透系数的取值考虑竖向压力是非常有必要的。

图3 渗透系数随竖向压力的变化Fig.3 Relationship between hydraulic conductivity and vertical pressure

3.2 固结和压缩试验结果

溶液作用下土样的压缩曲线和固结曲线见图4和图5。从压缩曲线可以看出:在相同的压力下，CaCl2溶液浓度越大孔隙比越小，但变化幅度不大。从固结曲线可以看出:不同压力下，固结曲线的形态有较大变化，但是CaCl2溶液浓度所引起的曲线形态变化很小。

图4 试验土样压缩曲线Fig.4 Curves of compression test on soil sample

图5 试验土样固结曲线Fig.5 Curves of consolidation test on soil sample

采用时间对数法得到固结系数，根据渗透系数与固结系数之间的关系得到渗透系数如图6和图7所示。可以看出，图6与图3曲线相似，均反映出压力对渗透系数的影响较大;图7中渗透系数随CaCl2溶液浓度变化不明显。

图6 渗透系数随压力的变化Fig.6 Relationship between hydraulic conductivity and vertical pressure

图7 渗透系数随溶液浓度的变化Fig.7 Relationship between hydraulic conductivity and solution concentration

图8所示为渗透试验与固结试验得到渗透系数的关系，两者的比值均大于1(固结试验得到的结果较小)，且随压力的增大而增大。这表明，根据固结试验确定渗透系数虽然能够反映其随压力和溶液变化的基本规律，但结果偏于不安全。固结试验中应力场与渗流场相互影响，而渗透试验是在各级压力下变形稳定后进行的;另外，理论假设等方面的差异，造成2种方法得到渗透系数结果不尽相同。

图8 渗透试验与固结试验所得渗透系数的比值随压力的变化Fig.8 Ratio of hydraulic conductivity of seepage test to that of consolidation test vs.time

4 讨论

4.1 模拟渗滤液对界限含水率的影响

如前所述，已有研究表明，无机溶液对黏土衬垫渗透系数的影响不明显，本文得到的结果与已有结果是一致的。本文以溶液饱和土样，CaCl2溶液浓度的增大将使扩散双电层厚度减小，土的结构发生絮凝，渗滤液更容易通过，因此渗透系数增大。

土样界限含水率随试验溶液的变化见图9(a)。对于选用的试验土样，用自来水和去离子水进行试验得到的液限、塑限及塑性指数变化很小，所以，压实黏土衬垫的性质试验可以用自来水进行试验。当试验溶液从水变为0.05 mol/L的CaCl2溶液时，液限减小，塑限增加，塑性指数减小。图中还显示了离子强度与0.05 mol/L CaCl2溶液相等的KCl和CaCl2混合溶液的界限含水率，均处于水和纯溶液之间。

液限常被用作表征衬垫化学相容性的参数，增加离子化合价或离子浓度或降低介电常数，会造成液限减小和渗透系数增大。渗透溶液分别为自来水、CaCl2溶液和混合溶液时，渗透系数与液限的关系见图9(b)。可以看出，混合溶液的渗透系数也处于水和纯溶液之间。渗透系数随液限的增大有减小的趋势。

4.2 概率分析

为分析模拟渗滤液浓度和压力对压实黏土衬垫渗透性能的影响程度，采用无交互作用的双因素方差分析(见表2)。方差分析将所有样本结合在一起，使数据数量增多，在分析众多因素对试验结果影响的显著性上，分析结果的稳定性较高，通过比较检验统计量F和临界值Fα即可确定因素是否对观测变量有显著影响。从表2可以看出，由于FA=4.11＜F0.01=5.63，说明在显著性水平 α=0.01下，模拟渗滤液CaCl2溶液浓度对压实黏土衬垫的渗透系数没有显著影响;而 FB=177.61≫F0.01=7.56，说明压力对压实黏土衬垫的渗透系数有显著影响。

图9 溶液浓度对界限含水率的影响Fig.9 Impact of solution concentration on the limit water content

表2 压实黏土衬垫渗透系数双因素方差分析Table 2 Dual-factor variance analysis on the hydraulic conductivity of compacted clay liners

5 结论

(1)对于压实黏土衬垫而言，压力是影响渗透系数的重要因素。当压力增大2倍时，渗透系数可能减小1个数量级。

(2)以CaCl2溶液为模拟渗滤液进行试验时，压实黏土衬垫的渗透系数有增大的趋势，最大可增加约2倍。

(3)CaCl2溶液浓度对压实黏土衬垫渗透系数没有显著影响，而压力的影响是显著的。在进行衬垫系统的设计和评价时，考虑实际压力条件是非常有必要的。从本文试验结果来看，用自来水代替模拟渗滤液进行压实黏土衬垫的渗透试验所带来的误差较小。

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