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膨润土防水毯在填埋场的运用效应

发表时间：2020/6/29 来源：《基层建设》2020年第6期作者：李晨

[导读] 摘要：膨润土防水毯（Geosynthetic Clay Liner，GCL）由于其防渗效果良好、施工简单方便等特点，常用做填埋场的底部防渗衬垫，用以防止填埋场渗滤液的泄漏对填埋场周围环境、地下土层和地下水的污染。

        广州大学广东广州 510006
        摘要：膨润土防水毯（Geosynthetic Clay Liner，GCL）由于其防渗效果良好、施工简单方便等特点，常用做填埋场的底部防渗衬垫，用以防止填埋场渗滤液的泄漏对填埋场周围环境、地下土层和地下水的污染。由于填埋场垃圾成分复杂，常常发生物理化学反应产生大量的热，填埋场内部温度可高达90℃，对填埋场衬垫系统的抗渗性和力学性质可能产生不利影响，进而威胁填埋场的安全稳定。本文以填埋场常用的膨润土防水毯衬垫材料为对象，对不同温度下的膨润土防水毯水理性质和渗透性质进行试验研究，探讨温度、围压、渗滤液等因素对衬垫性质的影响，并基于考虑热扩散的污染物运移计算分析温度梯度下污染物的运移规律，为提高垃圾填埋场安全性和有效性打下基础。
        关键词：膨润土防水毯；渗透性能；温度效应
        0引言
        随着经济社会发展，我国城乡一体化发展速度明显提高，随之带来的影响是城市生活垃圾显著增加。据资料统计，从1990年全国城市生活垃圾产量约6800万吨增加到2002年的1.4亿吨，到如今，每年的生活垃圾达到了3亿吨，我国已成为全球生产垃圾最多的国家。目前，生活垃圾的处理能力还较低、处理技术还不高，尤其是绿色无害化水平还很低。卫生填埋法具有投资费用低、处理量大、操作简便等特点，在今后很长的一段时期内，卫生填埋都是我国垃圾处理不可取代的方法[1]。垃圾填埋场衬垫的合理设计以保证垃圾卫生填埋的有效性，是环境岩土工程领域需要解决的一个重要问题[2]。目前国内外常用的衬垫形式多为单层衬垫（如土工膜、压实黏土衬垫等）和复合衬垫（包括土工膜+压实黏土和土工膜+膨润土防水毯等），衬垫必须具有低渗透性、足够的强度、稳定性和耐久性。由于城市生活垃圾卫生填埋场垃圾成分复杂，渗滤液中常含有浓度高、成分复杂的有机污染物和重金属，是填埋场周边地下水和土壤长期的潜在污染源。例如刘田等检测出填埋场渗滤液中含有大量的酚类、胺类、含氮杂环类、杂环芳烃类等有机物质，杨志泉等发现渗滤液中铬、镍、锌、铜、铅等重金属含量相对较高。同时垃圾中有机物降解产生大量的热，实测数据表明，城市生活垃圾填埋场内部温度可高达90℃，相应地衬垫系统的温度一般能达到 30-40℃，甚至可能高达 60℃。
        1黏土水理性质的温度效应研究
        温度的变化常常影响液塑限、膨胀指数、渗透性能等黏土水理性质。根据大量文献发现，众多学者对黏土水理性质进行了大量研究，其中影响结合水最重要的是结合水膜厚度，而结合水膜厚度受温度的影响较大。Morin等认为结合水膜的厚度与温度的平方根成正比，得出结合膜厚度随温度的升高而增加。吴青柏等从冻土工程地质、路基下冻土温度场、冻土环境的影响、冻土工程分类、地理信息系统等5方面研究了冻土水分迁移的温度效应。Ma等得到了饱和黏土对恒定功率输出线路热源响应的数值模拟结果，并与解析解进行了对比，得出了温度变化影响黏土结合水膜厚度的结论。Bridgeman提出了在云母表面低能位置的结合水的确定方法，黏土中的OH基易吸附水分子，而黏土薄片表面易吸附阳离子。Tone认为高岭石如有较大的表面能，就会吸附较多的阳离子，从而具有较厚的结合水膜。Carrique研究了黏粒的双电层重叠对结合水膜厚度影响，忽略双电层重叠对双电层影响较大。朴明月等研究表明，黏土结合水量受溶质的影响较大，不同的溶质、相同溶质不同的浓度对黏土渗透性影响也不一样。针对膨润土膨胀性能方面，Mishra等研究15种不同的膨润土影响膨胀指数的控制因素及其对土-膨润土混合物渗透系数的影响，认为黏粒和可交换性钠的含量决定膨润土的膨胀指数大小。刘志彬研究了冻融循环对GCL膨胀指数的影响，探讨了粒径分布和膨胀指数间的关系，认为膨胀指数主要由属于主导粒径的颗粒决定。Castellanos研究了NaCl和CaCl2为孔隙液条件下，FEBEX膨润土的膨胀性质，结果发现，膨润土的膨胀力随孔隙水盐度的增加而减小。刘月妙对压实高庙子膨润土进行了膨胀试验研究，结果表明膨润土膨胀力与蒙脱石含量有关。

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        2填埋场衬垫系统渗透性能的温度效应
        近年来，填埋场衬垫系统的温度效应研究受到专家学者的广泛关注，在黏土衬垫渗透性方面研究的较多，但考虑黏土渗透性能的温度效应的研究还不多。邵玉娴等对三种黏土采用硬性壁渗透试验研究发现，当温度从5℃增至45℃时，渗透系数增大1.22~8.68倍，认为温度升高时产生吸附结合水量的变化是导致黏土渗透系数升高的主要原因。Cho等研究了在20~80℃范围内饱和钙基膨润土的渗透系数变化规律，研究发现，渗透系数随温度的变化主要由水黏滞系数的变化造成。而Ye等[3][4]研究了不同温度下对初始干密度为1.7Mg/m3的压实高苗子（GMZ01）膨润土进行膨胀压力测试和饱和渗透系数测试，分析了温度对膨润土膨胀压力和渗透系数的影响机理，仅考虑水黏滞性变化的渗透系数理论推算值与实测值存在较大差异。何俊等采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪(柔性壁)和南55渗透仪(硬性壁)开展渗透试验,研究温度和试验方法对黏土渗透系数的影响.结果表明：黏土的渗透系数随温度的升高而增大,渗透系数对数值与温度线性正相关,当温度从20℃升高至70℃时,柔性壁和硬性壁渗透试验结果增幅分别为5.5倍和2.7倍，发现压实黏土渗透系数随温度升高而增大主要由水黏滞系数的变化引起。
        3温度梯度下衬垫系统污染物的运移计算
        在填埋场衬垫污染物运移方面的研究已有大量的研究成果，衬垫中污染物运移的温度效应主要表现在两个方面：1）运移参数与温度密切相关。当温度变化，渗透系数会改变，而扩散系数和分配系数也有随温度升高而增大的趋势，运移参数的变化必然导致污染物运移规律的改变。2）温度梯度下产生污染物的运移。填埋场内部由于有机物的降解而产生高温，而填埋场外部土壤和地下水的温度一般为5~20℃，因此衬垫中存在温度梯度。污染物除了对流运移和浓度梯度下的扩散运移以外，温度梯度下也将产生污染物的扩散运移，也称为热扩散（Thermodiffusion）或Soret效应。通常情况下，相对于浓度梯度下的分子扩散，温度梯度下的扩散量较小，但近年来这种现象在核废料处置、储油层中流体分布等研究中受到了重视。针对垃圾填埋场衬垫系统中的污染物运移，主要是采用数值模型进行研究，研究方法有有限元、有限差分及有限层等方法，但考虑热扩散的运移计算还不多。Leo等提出了污染物在多孔介质中的运移模型，运用边界元法分析了填埋场污染物在非均匀介质的运移问题。Foose等基于泄漏率、质量通量和吸附能力三方面对比分析了三种垃圾填埋场复合衬垫，运用有限差分法探讨了污染物在复合衬垫中的扩散运移问题。
        4结束语
        GCL具有较低的渗透系数、抗剪抗拉能力高和自愈能力强等特点，且现场施工简单、造价较低，广泛应用于市政、水利、铁路、公路中的地下防渗工程，常被用于垃圾填埋场的底部和覆盖层。膨润土防水毯（GCL）具有良好的防污性能主要要求就是“高吸附性”和“低渗透性”，系统研究填埋场复杂环境下膨润土防水毯（GCL）温度效应研究对于提高生活垃圾卫生填埋的安全性，解决日益严峻的垃圾卫生填埋造成的二次污染，具有重要的社会意义和应用价值。
        参考文献
        [1]栾智慧,王树国.垃圾卫生填埋实用技术[M].北京: 化学工业出版社, 2003.
        [2]钱学德,施建勇,刘晓东.现代卫生填埋场的设计与施工（第二版）[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
        [3]刘田,孙卫玲,倪晋仁,等. GC-MS法测定垃圾填埋场渗滤液中的有机污染物[J].四川环境, 2007, 26(2):1-5.
        [4]杨志泉,周少奇.广州大田山垃圾填埋场渗滤液有害成分的检测分析[J].化工学报,2005, 56(11):2183-2188.
        作者简介：李晨(1997-)，女，汉族，江西鹰潭人，广州大学硕士研究生，研究方向：岩土工程