黏土屏障重金屬遷移離心模擬相似性及擊穿時(shí)間評(píng)估方法.pdf

1、固廢堆場(chǎng)及污染場(chǎng)地污染控制工程中防污屏障的長(zhǎng)期服役時(shí)間需達(dá)數(shù)十甚至上百年。目前防污屏障被污染物擊穿時(shí)間主要是采用解析模型或數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，預(yù)測(cè)結(jié)果缺乏長(zhǎng)時(shí)間尺度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。為了能有效模擬防污屏障的長(zhǎng)期服役性能，本文以黏土屏障和重金屬Pb2+為研究對(duì)象，采用batch試驗(yàn)、擴(kuò)散試驗(yàn)、1g土柱試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)等對(duì)Pb2+遷移超重力離心模擬相似性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了基于離心模型縮時(shí)試驗(yàn)的防污屏障擊穿時(shí)間評(píng)估方

2、法，并首次開展了歷時(shí)72小時(shí)（對(duì)應(yīng)原型21年）Pb2+擊穿黏土屏障離心模型試驗(yàn)，獲得了以下研究成果:
　　(1)發(fā)明了一套用于黏土防污屏障污染物遷移離心模擬的試驗(yàn)裝置，由常水頭保持裝置（馬氏瓶）、模型筒、安裝有差壓傳感器和電導(dǎo)率儀的底部出流收集及監(jiān)測(cè)裝置三部分組成。馬氏瓶可實(shí)現(xiàn)超重力狀態(tài)下自動(dòng)補(bǔ)水及水位穩(wěn)定，底部出流收集及監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境下防污屏障模型試驗(yàn)滲流量及出流濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　(2)分析了離心加速度不均勻?qū)?/p>

3、土柱模型中滲透力和土壓力的影響。結(jié)果表明:對(duì)于ZJU-400g.t離心機(jī)，當(dāng)模型高度小于90cm時(shí)，由加速度不均勻?qū)е碌哪Ｐ团c原型應(yīng)力的誤差可忽略。確定了模型的等效離心半徑。根據(jù)模型滲透系數(shù)控制在10-7cm/s以下的要求，確定高嶺土土柱模型制備的最大固結(jié)應(yīng)力為400kPa，使模型在離心機(jī)內(nèi)為超固結(jié)狀態(tài)，可降低離心力固結(jié)對(duì)試驗(yàn)中污染物遷移過程的影響。
　　(3)以高嶺土和惰性污染物氯離子為材料，開展了高嶺土重塑試樣的純擴(kuò)散試驗(yàn)、常

4、重力(1g)和超重力(25-50g)下不同滲流速度土柱試驗(yàn)，得到了模型的彌散度以及水動(dòng)力彌散系數(shù)Dh與流速vs的關(guān)系，分析了機(jī)械彌散作用的相似性:當(dāng)Pe是基于彌散度定義時(shí)，可沿用前人提出的臨界Pe數(shù)（即Pe=1）來判別高嶺土中氯離子彌散作用的離心模擬相似性;當(dāng)Pe數(shù)是基于平均粒徑定義時(shí)，用于判別高嶺土中彌散作用相似性的臨界Pe數(shù)遠(yuǎn)小于1。針對(duì)垃圾填埋場(chǎng)可能遇到水頭差(0-40m)，當(dāng)離心機(jī)加速度低于100g時(shí)，其擊穿時(shí)間模擬誤差不超過2

5、4％。
　　(4)基于batch試驗(yàn)、土柱擴(kuò)散試驗(yàn)、1g土柱試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)結(jié)果，分析了土水比、滲流速度等對(duì)高嶺土吸附Pb2+的影響:高土水比對(duì)應(yīng)的土柱狀態(tài)高嶺土所表現(xiàn)出的吸附性能小于低土水比對(duì)應(yīng)的散粒狀態(tài)高嶺土;模型流速?gòu)?增大到5.67×10-7m/s時(shí)，高嶺土對(duì)Pb2+的阻滯因子Rd從12.5減小為8，流速在5.67×10-7m/s～14.8×10-7m/s之間，Rd基本不變，建立阻滯因子Rd與滲流速度vs的關(guān)系。離心模型

6、試驗(yàn)用于低滲透性高嶺土襯墊Pb2+擊穿時(shí)間模擬時(shí)，吸附作用不完全滿足相似，模擬得到的擊穿時(shí)間偏小，可根據(jù)Rd-vs的關(guān)系修正吸附作用導(dǎo)致的誤差。
　　(5)提出了基于離心模型縮時(shí)試驗(yàn)的防污屏障擊穿時(shí)間評(píng)估方法:計(jì)算模型選擇能反映粘土吸附行為的一維對(duì)流-彌散模型，邊界條件選擇宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定;分子擴(kuò)散系數(shù)采用土柱擴(kuò)散試驗(yàn)確定，采用惰性離子土柱試驗(yàn)確定試驗(yàn)室土柱的彌散度，現(xiàn)場(chǎng)原型的彌散度采用經(jīng)驗(yàn)公式確定，吸附模式及參數(shù)采用一批不

7、同源濃度的短土柱全擊穿試驗(yàn)確定;最后采用代表性工況下離心模型縮時(shí)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。開展了72小時(shí)Pb2+遷移離心模型試驗(yàn)，模擬了Pb2+在黏土襯墊中的21年遷移過程，驗(yàn)證了擊穿時(shí)間評(píng)估方法的可靠性。
　　(6)利用上述擊穿時(shí)間評(píng)估方法，分析了源溶液濃度、吸附模式以及水頭對(duì)均質(zhì)黏土防污屏障擊穿時(shí)間的影響，獲得以下結(jié)論:1）減小污染源濃度有利于延長(zhǎng)擊穿時(shí)間，但其效果與吸附模式有關(guān):源濃度從1000mg/L降為10mg/L，擊穿時(shí)間分別增加

8、了0.6年（Freundlich模型）、5.3年（線性）、13.3年（Langmuir模型）;2）吸附模式對(duì)于屏障的防污性能影響非常明顯:Langmuir模型對(duì)應(yīng)的絕對(duì)擊穿時(shí)間是線性吸附模型的2倍以上，是Freundlich模型的12.8倍以上;3）考慮流速減小可增加屏障材料的吸附時(shí)，30cm水頭對(duì)應(yīng)的絕對(duì)擊穿時(shí)間約為10m的4倍以上，減小水頭能有效增大擊穿時(shí)間。
　　(7)獲得了HDPE膜-膨潤(rùn)土復(fù)合防污帷幕三層結(jié)構(gòu)一維擴(kuò)散解析