吴 珣 施建勇 李玉林 许高杰 刘路路 章 涛

(1 河海大学力学与材料学院, 南京 211100)(2 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 南京 210024)(3 东南大学交通学院, 南京 211189)(4 南昌航空大学土木建筑学院, 南昌 330063)

填埋气的运移与填埋场气体收集和控制[1]、覆盖层的有效性[2]以及沉降变形[3]和边坡稳定[4]等密切相关，垃圾土的气相渗透特性指标是填埋场气体运移分析的关键参数.

垃圾土气相渗透系数的研究主要以室内试验为主.彭绪亚等[5]通过室内试验得到垃圾土的气相渗透系数随着压实密度的增加呈指数递减，随着含水率的增加呈线性递减.Kallel等[6]利用气相渗透仪得到垃圾土固有渗透系数随着有效粒径的增大而增大.魏海云等[7]采用室内试验得到垃圾土气相渗透系数随着孔隙比的减小呈指数递减，随着饱和度的变化表现出2段线性关系，随着垃圾土填埋龄期的增加而增大.Stoltz等[8]通过室内试验研究了压缩过程中垃圾土的气相渗透率，得到垃圾土的气相渗透率随孔隙率或气体体积分数的增加而增大.Han等[9]采用渗透仪研究了颗粒级配和含水率对垃圾土气相渗透系数的影响，得到单孔模型适合于描述气体运移.Zeng等[10]开展垃圾土室内气相渗透试验，得到垃圾土气相渗透系数随法向应力和降解时间的增大而减小.施建勇等[11-12]采用研制的气相渗透试验仪研究发现，垃圾土气相渗透系数随饱和度的变化在半对数坐标系中呈3段线性关系.Xu等[13-14]针对破碎的现场垃圾样开展室内气相渗透试验，得到垃圾土的气相渗透系数随着含水率的增大而减小，固有渗透系数随着深度的增加而减小.

填埋场中降解产生热量，由于热量运移、外部环境或热量管理措施的影响，填埋场内的温度随时间动态变化，且沿深度分布存在差异[15-16].温度影响非饱和土的气相渗透特性[17-18]，而垃圾土作为一种特殊的非饱和土，目前针对温度对垃圾土气相渗透特性影响的研究尚未见报道.另一方面，填埋场中垃圾土的成分复杂，其中塑料成分几乎是不透气材料，填埋场中塑料含量由于有机质的降解会逐步增大，而目前的研究尚未考虑塑料含量对垃圾土气相渗透系数的影响.

本文旨在通过影响垃圾土气相渗透特性的因素变化试验，分析温度和塑料含量对气相渗透特性的影响规律，为实际填埋场设计和应用提供参考.

1 试验方案

对已有气相渗透仪[12]进行可调控温度装置的改装，使其具备加热和控温试验功能.在气相渗透仪试样筒外壁布置加热片，加热片与温度控制箱相连，通过温度控制箱对加热片进行调节.为了使进入试样的气体与试样温度保持一致，在气体压缩机与试样筒之间加装气体加热器，加热器可在试验最大通气量条件下维持气体温度.试验装置图如图1所示.

图1 试验装置图(单位：mm)

气相渗透试验中试样筒为内径10 cm、长度60 cm的有机玻璃筒，试样的长度为54 cm，为了保证试样的压实度，将试样分6层击实.将试样筒安装在仪器架上，连接管路并开启电源，启动步进电机和减速机，将试样筒缓慢进行来回翻转，翻转角度为180°，从而使试样中的水分保持均匀.启动试样筒上的加热片，并对试样内部温度进行监测，等待试样温度达到设定值后打开气体压缩机与气体加热器，监测气体加热器出气端的气体温度，当温度达到设定温度时，将其与试样筒接通进行试验.通过调压阀调整进气压力，待气压传感器与流量计读数稳定之后，记录读数.

(1)

式中，P1为压力显示器1的读数，kPa；P2为压力显示器2的读数，kPa；L为试样长度，m；μ为气体的黏滞系数，Pa·s；v为气体流速，m/s.流速v采用如下公式计算得到：

(2)

式中，Q为流量计读数；r为试样的截面半径，这里r=0.05 m.

垃圾土样通过人工配制而成，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)与美国材料与试验协会标准(ASTM-D 5084)中的要求，试样各组分的最大粒径控制在6 mm以内.考虑塑料含量对垃圾土渗透系数的影响，调研统计了我国典型城市生活垃圾中各组分的含量，塑料质量分数在10%～20%左右.有些矿化垃圾填埋场中，塑料质量分数达到30%以上[20].综合考虑普通填埋场与矿化垃圾填埋场2种实际情况，在试验过程中设置了9种不同的配比，见表1.

表1 垃圾土配比 %

陈云敏等[21]针对某垃圾填埋场开展现场试验，测得垃圾土的孔隙比e随着填埋深度的增大逐渐减小，从3.5减小为1.0.涂帆等[22]统计得到中国和美国的填埋场垃圾土孔隙比的范围均为1.0～3.7.本试验选择试样的孔隙比分别为3.50、3.25、3.00、2.75、2.50、2.25、2.00、1.75和1.50.

国外许多学者对实际填埋场中的温度进行了监测，填埋场中垃圾土的温度范围见表2.基于此，本试验选择20、25、30、35、40、45、50、55和60 ℃九个温度.

表2 填埋场中垃圾土的温度范围 ℃

试验的组号见表3，试样的初始含水率(质量分数)均为40%.A、B、C组试验分别进行孔隙比、温度和塑料含量对垃圾土气相渗透性影响研究.通过不同初始参数试样的渗透试验，分析孔隙比、温度和塑料含量对垃圾土气相渗透特性的影响规律.

表3 垃圾土的试验组号

试验装置不同温度下的温度加热与控制效果如图2所示.试样与气体温度均可达到设定温度并维持稳定，但达到设定温度并维持稳定存在滞后性.试样安装完成后，应等待设定温度对应的滞后时间后再开始试验.

(a) 试样加热片

(b) 气体加热器

2 试验结果与分析

2.1 重复试验和结果对比

为了验证装置和方法的可靠性，对孔隙比2.0、塑料质量分数15%的试样在温度20℃下分别进行了3组重复性试验，结果如图3所示.绘制压力梯度ΔP/L与流速v的关系曲线，并根据式(1)对关系曲线进行拟合，计算垃圾土的气相渗透系数.

图3 重复试验的压力梯度随流速变化规律

3组重复试验的拟合相关系数R2均在0.999以上，计算得到3组重复试验的气相渗透系数Kd分别为4.14×10-12、3.94×10-12和3.94×10-12m2.可以发现，3组试验得到Kd的最大值与最小值的误差百分数为5%，表明本试验的可靠性较高.

目前，国内外学者对垃圾土气相渗透系数影响因素研究较多的有孔隙比、饱和度、试样成分等，其中孔隙比的研究成果较为显著，将本文的试验结果与现有部分文献的试验结果进行对比，如图4所示.由图可见，本文试验结果与现有文献的结果有较好的一致性.

图4 与现有试验结果对比

2.2 孔隙比对垃圾土气相渗透系数的影响

本试验中针对A组试样研究了不同孔隙比的垃圾土气相渗透特性的变化，选取了孔隙比分别为3.5、3.0、2.5、2.0和1.5，塑料质量分数15%的试样在温度20 ℃时进行气相渗透试验，压力梯度与流速关系曲线见图5.由图可见，在孔隙比较大时，试样内部孔隙较多，气体迅速流经试样，无法在其内部积聚，导致试样压力梯度小且流速大.随着孔隙比的减小，气体流经试样的难度增大，一部分气体在试样内部积聚，导致试样压力梯度逐渐增大，而流速迅速减小.

图5 不同孔隙比e的垃圾土压力梯度与流速关系曲线

图6为垃圾土气相渗透系数Kd随孔隙比的变化规律.可以发现，随着孔隙比e的增大，垃圾土Kd增大明显，当e=3.5时，垃圾土Kd为e=1.5时的32倍.这是由于随着孔隙比增大，试样内部孔隙增大或增多，气体的渗流通道增大或增多，在渗流过程中遇到的阻力小.

图6 垃圾土气相渗透系数随孔隙比变化规律

2.3 温度对垃圾土气相渗透系数的影响

本试验针对B组试样研究了不同温度下垃圾土气相渗透特性的变化，选取了孔隙比为2.0、塑料质量分数为15%的试样分别在20、30、40、50和60 ℃时进行气相渗透试验，压力梯度与流速关系曲线见图7.

图7 不同温度下垃圾土压力梯度与流速关系曲线

图8为垃圾土气相渗透系数Kd随温度的变化规律.本文试验温度选取填埋场常见的温度区间20～60 ℃，可以看出，在此温度区间内，温度对垃圾土的气相渗透系数有一定的影响，随着试样温度的升高，Kd随之增大，当温度从20 ℃增大到60 ℃，Kd从3.94×10-12m2增大到5.55×10-12m2.这是由于随着温度的升高，气体分子的运动速度增大；另一方面，随着温度的升高，气体的黏滞系数增大.由式(1)可知，在相同压差下，随着温度升高，v增大，μ增大，从而气相渗透系数Kd增大.

图8 垃圾土气相渗透系数随温度变化规律

2.4 塑料含量对垃圾土气相渗透系数的影响

本试验针对C组试样研究了不同塑料含量的垃圾土气相渗透特性的变化，选取了孔隙比为2.0、塑料质量分数分别为10%、15%、20%、25%和30%的试样在温度20 ℃时进行气相渗透试验，压力梯度与流速关系曲线见图9.

图10为垃圾土气相渗透系数Kd随试样中塑料含量的变化规律.随着塑料含量的增加，试样Kd先增大后减小.塑料质量分数为30%试样的Kd最小，且塑料质量分数为20%的试样Kd大于塑料质量分数为10%的试样.塑料质量分数为15%试样的Kd为塑料质量分数为30%试样的3倍.

图9 不同塑料含量的垃圾土流速和压力梯度关系曲线

图10 垃圾土气相渗透系数随塑料含量变化规律

当试样中的塑料质量分数从10%增加到15%时，塑料含量增加，试样中的有机质成分的减少导致细颗粒含量减少，气体在试样中形成优先流，导致试样的气相渗透系数增大.随着塑料含量持续增加，试样中的塑料出现堆积，塑料成分不具渗透性，使得气体在试样中的流通受阻，积聚效应逐渐大于优先流效应，导致试样气相渗透系数减小.为了直观地表现出塑料成分在垃圾土试样中的积聚现象，在试验过程中对试样进行了拍照(见图11)，试样中的红色成分为塑料成分，可以看出，试样中随着塑料含量增大，塑料积聚越发明显.

(a) 10%

(b) 15%

(c) 20%

(d) 25%

(e) 30%

3 结论

1) 研制了温控垃圾土气相渗透仪，试验仪器和试验方法具有可靠性和可重复性.

2) 孔隙比对垃圾土气相渗透系数的影响显著，塑料质量分数为15%且处在20 ℃环境下，随着试样孔隙比的增大，气相渗透系数增大，孔隙比从1.5增大至3.5时，气相渗透系数增大了22倍.

3) 温度影响垃圾土气相渗透系数，在填埋场常见的20～60 ℃范围中，随着温度的升高，气相渗透系数逐渐增大.

4) 塑料含量对垃圾土气相渗透系数的影响较为显著，塑料质量分数从10%增大到15%，气相渗透系数增大；塑料质量分数从15%增大到30%，气相渗透系数逐渐减小，主要是由于不透气成分塑料的积聚.