竖向防污屏障服役行为演化机理的固结—击穿—弯曲元研究

作     者：陈枭 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：巴特

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 081401[工学-岩土工程] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0814[工学-土木工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：竖向防渗屏障 膨润土 氨氮 剪切波速 击穿曲线 渗透系数 渗流溶蚀 

摘      要：土壤和地下水污染是一个全球性的问题,中国有101万平方公里的土壤污染超标,欧洲共确认了 80000个污染场地,美国预计需要治理294000个污染场地。不正当的城市固体废弃物填埋场是导致该问题的主要缘由之一,大量填埋场周边的地下水及渗流区域被泄露的填埋场渗滤液污染。对此人们常用土-膨润土基竖向防污屏障进行阻隔,然而化学兼容性问题以及污染物的扩散作用共同导致了其长期服役性能的不足。为了解决上述问题,研究产生化学兼容性问题背后的机理以及建立起屏障服役性能的现场监测就显得非常重要。剪切波监测手段对屏障结构无损、耗时短且成本低,具有监测土-膨润土防污屏障服役性能的潜能。针对化学兼容性问题的机理研究以及剪切波速监测机制的建立需要大量的土单元体试验提供数据支撑。但目前很少有能联合固结、击穿及弯曲元测试到同一个土单元体中的实验装置。针对上述现状,笔者研发了 Rowe型固结-击穿-弯曲元测试联合实验装置（简称“CBB柱）,以渥太华砂及玻璃珠-盐混合物为实验材料开展了 CBB柱的验证实验。随后使用CBB柱对土-膨润土防污屏障材料开展了固结-氨氮击穿-剪切波速测试联合实验。获得了如下研究成果:（1）采用CBB柱对玻璃珠-盐混合物进行了固结-渗流-弯曲元测试联合实验。研究结果表明:在渗流过程中,玻璃珠-盐混合物的剪切波速在1孔隙体积内内变化最剧烈。颗粒接触点数的变少以及孔隙比的上升共同导致了土壤渗流溶蚀过程中剪切波速的剧烈下降。对于含盐量较低的玻璃珠-盐混合物,溶蚀过程初期所形成的的力拱结构在整个渗流溶蚀阶段都处于稳定的状态,随着溶蚀的进行,K0值和孔隙体积逐渐上升。对于含盐量较高的玻璃珠-盐混合物,溶蚀初期颗粒相互自锁,K0值下降。但随着后续更多的盐被溶解,颗粒自锁被打破,力拱开始形成,K0进一步上升。实验结束后,土体内部出现了“蜂窝状的力链分布,变得更加各向同性。玻璃珠-盐混合物在渗流过程中经历了四个阶段:胶结作用被破坏、盐颗粒被钝化、盐颗粒直径逐渐下降以及盐颗粒进入到周围孔隙中并导致剪切波速的稳定,前两个阶段土体的剪切波速下降程度最剧烈。剪切波速在盐未完全溶解完后就稳定了。（2）对高庙子及怀俄明膨润土开展了 COD、氨氮及二价铅的膨胀指数实验。研究结果表明:垃圾填埋场渗滤液中的高浓度氨氮将大大降低高庙膨润土及怀俄明膨润土的膨胀能力。而渗滤液中的铅离子、填埋场污染地下水中的氨氮及铅离子浓度因较低,低于让膨润土膨胀指数降低所需的临界离子强度（单价为221.5mM,二价为7.45mM）,故降低不了膨润土的膨胀指数。随着填埋场龄期的增加,COD及重金属浓度值将会下降,而氨氮浓度反而会因为填埋场的产甲烷阶段而上升。所以在垃圾填埋场领域,氨氮是一个需要被重点关注的污染物对象。（3）测试了在30kPa的K0固结应力状态下氨氮击穿土-膨润土基防渗屏障材料的渗透系数、出流浓度曲线及剪切波速,并在化学反应及微细观层次上研究了高庙子膨润土吸附氨氮的过程。研究结果表明:注入氨氮0.5孔隙体积后,土样孔隙水中的铵根离子逐渐扩散进入到膨润土双电层中,导致其收缩,宏观上表现为在污染物流经处逐渐产生优势流通道,土-膨润土试样的渗透系数进而剧烈上升。而渗透系数的剧烈上升又将加速氨氮的迁移速率,导致孔隙水中氨氮浓度的剧烈上升。当孔隙水中的氨氮浓度上升到一定程度后,膨润土在接触污染液后絮凝,且部分细颗粒通过拓宽的优势流通道流失,共同导致了实验结束后土体级配曲线中细颗粒含量的降低以及土体剪切波速的上升。4孔隙体积后,土-膨润土试样被击穿。8孔隙体积后,土样渗透系数值上升了两个数量级并稳定。膨润土吸附氨氮的X射线能谱分析结果表明,膨润土的钠钾镁离子被铵离子置换了。铵离子的离子水化半径略小于钠离子,而单价阳离子水化半径越大膨润土的渗透系数越低,再加上细颗粒的流失,共同导致了 土-膨润土试样在击穿后使用清水冲洗的渗透系数值无法恢复到初始值。