大型水泥土屏障模型试验研究

解子军

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200032)

0 引言

目前，国内填埋场采用的防渗措施主要有垂直隔离防渗和水平防渗。常见的用于控制污染物迁移的垂直隔离措施有:帷幕注浆、地下隔离墙、深层搅拌桩墙、钢板桩墙、高压喷射灌浆板墙等(许丽萍等，2006)。由于帷幕注浆和深层搅拌桩防渗在技术与经济上具有一定优势，在填埋场工程及污染场地中常作为首选方案(席永慧，2003)，其方法是水泥浆与土壤颗粒胶结形成渗透系数较小的隔离帷幕，以截断污染物溶质的迁移路径，隔离污染物。但是在常规的设计中只把它当成防渗屏，未考虑污染物还可能通过扩散的形式迁移，所以需要测得隔离屏障的迁移参数，求出合理的使用寿命，以正确评价屏障的隔离效果。

考虑通过现场试验测定迁移参数虽然较准确，但很难控制试验条件，不仅试验周期长，且会对环境造成污染，而模型试验是排除法，可以重点研究1～2个影响因素。故本次研究拟通过大型模型屏障试验来测定迁移参数。

根据调研，现有室内试验都是采用纯黏土作为隔离屏障，但在实际工程中，水泥土垂直隔离屏障却应用得更加广泛，而在国内外针对水泥土屏障的研究却鲜有报道。因此，希望通过本模型试验获得水泥土屏障迁移参数的研究成果，为指导水泥土屏障在工程中的应用进行初步研究。

1 试验方法

1.1 试验方案设计

屏障的扩散系数主要取决于屏障本身的特性，本试验选取水泥掺量和屏障厚度作为2个主要影响因素，设计了6个屏障试验(表1)。

表1 屏障参数表

2.2 试验材料

2.2.1 土样 取自上海市某工地(第③层土，淤泥质粉质黏土)，风干后磨细过2.5 mm筛后储存待用。具体颗粒组成见表2。

表2 土样颗粒级配表

2.2.2 水泥 标号425。

2.2.3 仪器设备 试验中使用的主要仪器设备有离心机(将取得的水样、泥浆样离心取得清样)和原子吸收分光光度计(测金属离子浓度)等。

2.2.4 污染物质 经过对上海地区大量的污染场地的取样调查，检测结果显示上海地区重金属污染较重的元素是Cd、Pb、Cu、Zn，故本试验选择其中的Zn作为污染离子，使用氯化锌(分析纯，质量分数大于98.0%)作为污染物进行试验。

2.3 试验步骤

2.3.1 屏障模型的试验装置制作 根据一维屏障迁移扩散理论，设计的试验模型如图1所示。该模型由PVC板加工而成，板厚10 mm。模型的内部尺寸如图1所示:长×宽×高为1 200 mm×300 mm×300 mm。模型由2道水泥土屏障分成3个仓，中间仓作为污染源，其长度为600 mm，远远大于屏障厚度;两边仓长度为300 mm，装未受污染的土。

图1 试验模型

总共制作4个模型，其屏障参数如表1。

(1)制作水泥土屏障时，两侧用PVC板作为模板，先将一定量的土和水泥事先混合均匀，再加入水泥质量5%的水玻璃起到快凝作用，最后按60%的比例加水注入模板中。加水保证最后的拌合物有很好的流动性，便于制作较薄的水泥土墙。(2)养护成型:14天后，将需要装土的一侧的模板先拆除，用不锈钢钢丝网支护，外侧再用木条支撑(图2、图 3)。

图2 一侧拆模后的屏障

图3 屏障支护详图

2.3.2 土体密实 本试验土样为重塑土，在试验前需先经过风干、敲碎、过筛处理。

过筛后的土体放入4个加工成型的模型两端的空仓中，并分层人工密实，密实过程中加少量水以增 加密实度。

2.3.3 加水固结土样 土样密实过后，为了使土样充分饱和，开始2天加30%的水，以后每天加入少量的水，持续1.5个月后，打开出水孔处的水龙头排出土中的水和气，模拟自然固结的过程。排水固结的过程持续约2个星期后，关闭水龙头。

2.3.4 配制污染物溶液 土样基本饱和固结完毕后，拆除中间仓两侧的模板，为加入污染源溶液作准备。污染物采用ZnCl2溶液，将去离子水和配制好的溶液加入模型中间仓中，锌离子浓度控制在0.3 mol/L左右。配制ZnCl2溶液过程中，出现了白色絮状沉淀。配制好的溶液稳定2天后，分别取上清液和带有沉淀的浑浊液进行分析，利用滴定法测得溶液的准确锌离子浓度，同时对沉淀进行定性分析。其中，沉淀溶于盐酸，溶解过程不冒气泡，确定不是Ca(OH)2和CaCO3;用NaOH去溶解，当pH值在6～8之间，有沉淀析出，但当pH值大于12时，沉淀又溶解了。因此，杂质可定性分析为Zn(OH)2，因为Zn(OH)2是两性的，溶于酸，也溶于碱;同时水泥土屏障和用来修补缝隙的水泥浆中都存在碱，会和ZnCl2反应生成Zn(OH)2沉淀。Zn离子浓度见表3。

表3 各模型原始污染溶液的浓度

2.3.5 钻孔 待土体基本固结完成后，利用麻花钻和冲击钻钻头在饱和土中钻出取样孔，以备以后取水样用。取样孔离屏障的距离分别为2，6，9，12 cm(图4)。

图4 取样孔位置分布图

2.3.6 取样 当完成上述所有的试验步骤后，试验的前期准备工作基本完成，可告一段落，下阶段就是取样检测。取样检测时间经过初步计算，定在4个月和6个月后进行。

从事先钻好的孔中用针筒取得水样，或者用长柄不锈钢薄壁勺子取得泥浆样，然后将样进行离心以获得清液，接着将清液稀释，再利用原子吸收分光光度法测定溶液中的Zn离子浓度。

3 试验结果及分析

本试验共进行了2次取样。第一次取样时间为试验前期准备工作完成后的4个月后;第二次取样时间为6个月后。

3.1 第一次取样结果

从图5看出，有些屏障的另一侧出现了较多的Zn离子，其主要原因有:① 为了加快屏障试验的进度，在设计试验的时候，设计的屏障水泥掺量较小，厚度较薄，所以金属离子有可能在较短的时间内通过屏障;②由于屏障的厚度和水泥掺量都较小，其刚度较小，易变形或出现裂缝，如裂缝出现，其测试结果剔除，不能应用于迁移参数的研究。如图5中H10C5、H10C7、H15C5所测得的数据不能用于计算迁移参数。

图5 第一次样品体积质量统计图

从得到的数据中也可以看出一些规律。图6是厚度同为10 mm、水泥掺量不同的屏障的第一排取样孔中得到的体积质量比较结果。从中可以看出，随着水泥掺量的增 大，干净土中受污染的程度大幅降低，当水泥掺量为5%时，孔中体积质量高达2 472.5 mg/L;当水泥掺量增 至7%时，孔中体积质量降为1 718.9 mg/L;水泥掺量为12%甚至更高时，基本上已经检测不到了。这说明:随着屏障水泥掺量的提高，屏障的隔离效果会大幅提升;对于某一特定的屏障(指某一特定污染源浓度和设计使用年限的屏障)，可以找到一个较为经济的水泥掺量值，例如本试验中的12%。

图7是水泥掺量同为5%、厚度不同的屏障的第一排取样孔中得到的体积质量比较结果。从中可以看出一个基本趋势:随着厚度的增 大，取样孔中体积质量降低。当厚度为10 mm时，孔中体积质量高达2 472.5 mg/L;当厚度增 至20 mm时，孔中体积质量降为9 51.8 mg/L;当厚度达到30 mm时，体积质量为50.5 mg/L。数据表明:随着屏障厚度的增 加，屏障的隔离效果会有显著提升;但是其提升效果并不如水泥掺量那么明显，当其厚度增 至原厚度的3倍时，仍有少量锌离子击穿屏障。而当水泥掺量增 至原掺量的2倍时，在试验时间内基本上阻隔了所有离子的通过。

图8是3个不同屏障所对应的不同取样孔中体积质量的比较结果。根据一维屏障迁移扩散理论，在平流的情况下，污染物的迁移主要取决于介质的扩散系数D，那么本试验中3个屏障一边所用的土样都是相同的，其扩散系数也相同，所以理论上来说，图8中所得到的3条曲线应该是吻合的。从中可以看到，得到的试验结果基本符合理论预期，只有屏障H10C7在最初的2个点有点偏离，其原因可能有:人工钻孔时位置有偏差;稀释过后数据误差累积;第一排孔和第二排孔的位置是错开的，也有可能第二排孔所对应的屏障位置存在较大裂缝。

图6 10 mm厚不同水泥掺量的屏障的体积质量结果

图7 5%水泥掺量不同厚度的屏障体积质量结果

图8 距屏障不同距离的体积质量结果

3.2 第二次取样结果

在第一次取样的2个月后，进行了第二次取样，所得的结果列于图5。

从图9中可以看出:第一次取样后得到的规律在第二次取样时仍然成立。10 mm厚度的屏障第一排孔中的体积质量随着水泥掺量的提高显著降低(图10);5%水泥掺量的屏障第一排孔中的体积质量随着屏障厚度的增 大显著降低(图11);同一屏障中离屏障越远的孔中的体积质量越小(图12)。

图9 第二次样品体积质量统计图

图10 10 mm厚不同水泥掺量的屏障体积质量结果

图11 5%水泥掺量不同厚度的屏障体积质量结果

图12 屏障H15C5不同距离取样孔的体积质量结果

3.3 试验结果分析

从图13中可以看出，随着试验时间的延长，每一个对应的取样孔中的体积质量都有较大幅度的增 长。其中屏障H10C9和H15C5的体积质量增 长很快，而唯一未被击穿的是水泥体积质量最高的H10C15屏障;而与之相对的是厚度最大的屏障H30C5已被击穿。

同时，根据已经得到的2次取样数据和一维弥散迁移方程，拟合得到不同水泥土屏障的扩散系数，拟合结果见图14—图17。求得的扩散系数见表4。

图13 2次取样数据比较

图14 H10C9

图15 H10C12

4 结论

(1)水泥掺量和屏障厚度能够显著地影响屏障的隔离效果:随着水泥掺量的增 大，屏障的隔离效果增 强;随着屏障厚度的增 大，屏障的隔离能力也增 大。但是在本试验中，相对而言，水泥掺量的影响更大，屏障厚度的影响不如水泥掺量的影响显著。所以，工程中屏障的设计，其水泥掺量将是重中之重。

图16 H20C5

图17 H30C5

表4 屏障的扩散系数

(2)通过试验可以看出，距离屏障越远，取样孔中的体积质量越小，这一规律符合迁移理论。由图13可以看出，3月份时屏障H15C5被击穿，但第2、3、4排孔中的体积质量很小，说明取样时该屏障刚被击穿，而过去2个月后，距离屏障12 cm的4号孔中也检测到了很大的Zn离子浓度。这充分说明金属离子在土中的扩散很快，土的扩散系数D很大。所以在工程中设计屏障时应做到在使用年限内保证不被击穿，否则其污染的危害将会大大增 加。

(3)在仅仅4个月的试验时间里，有部分屏障(H10C5、H10C7、H15C5)已经基本失效，其取样孔中的体积质量高达每升几克，远远超出预期。其主要原因不是屏障已经完全被击穿，而是由于宏观裂缝的存在。所以在工程设计屏障时应充分考虑到屏障的抗裂性，要重视屏障的力学计算(包括抗裂验算、应力应变等)，以保证其在使用年限内不出现裂缝。因为一旦出现裂缝，尽管屏障还未达到使用年限，但也已失效。

(4)由图13可知，仅相隔2个月时间，屏障H30C5的另一侧体积质量就已经增 大了几倍，说明当屏障被击穿后，其隔离效果已大大降低，所以在设计屏障时应充分考虑隔离屏障的使用年限。

(5)根据两组试验数据求得的扩散系数D非常小，数量级为10－6～10－7m2/a，而黏土的扩散系数数量级仅为10－2～10－3m2/a，可以说明水泥的加入能有效改善屏障的防扩散性能。由表4可知，水泥掺量由5%提高至10%，其扩散系数降低了一个数量级。充分说明水泥掺量对水泥土屏障的扩散系数D有着决定性影响。

本次模型试验屏障从厚度和水泥掺量对隔离效果的影响进行了初步研究，为下阶段的深入研究提供了基础性资料，下阶段研究可从掺入活性物质(如膨润土、石灰石等)的屏障迁移参数，结合实际工程，从扩散、力学性能、渗透等几方面综合计算，合理确定屏障的厚度和角度，以便进行进一步深化研究。

陈先华，唐辉明.2003.污染土的研究现状及展望［J］.地质与勘探，39(1):77 －80.

席永慧.2003.废弃物屏障系统技术理论研究［D］.上海:同济大学.

席永慧，任杰，胡中雄.2006.污染物离子在黏土介质中扩散系数和分配系数的测定［J］.岩土工程学报，28(3):397－402.

许丽萍，李韬，陈晖.2006.国内外污染土的修复治理现状［C］//第二届全国岩土与工程学术大会论文集:下册.北京:中国岩石力学与工程学会，860－863.

徐超，黄亮，邢皓枫，等.2010.水泥－膨润土泥浆配比对防渗墙渗透性能的影响［J］.岩土力学，31(2):422－426.

俞调梅.1999.废弃物填埋场设计［D］.上海:同济大学.

张文杰，陈云敏，詹良通.2008.垃圾填埋场渗滤液穿过垂直防渗帷幕的渗漏分析［J］.环境科学学报，28(5):925－929.

KURZYDLO A S，MOHAMMADI J.2011.Modeling long-term reliability of vertical barriers［C］//Vulnerability，Uncertainty，and Risk:Analysis，Modeling，and Management-Proceedings of the ICVRAM 2011 and ISUMA 2011 Conferences.Hyattsville，USA:ASCE，930 －937.

SHACKELFORD C D.1996.Modeling and analysis in environmental geotechnics:An overview of practical applications［C］//Second International Congress on Environmental Geotechnics.oska，Japan:ISSMGE，141 －171.