固体废弃物填埋场衬里的水力缺陷及愈合机制

发布时间：2018-03-23 22:39

  本文选题：土工膜　切入点：膨润土防水毯(GCL)　出处：《兰州大学》2014年博士论文

【摘要】：随着社会的发展,城市化进程的加快,城市固体废弃物的处置已经成为大家关注的焦点。目前,城市固体废弃物的卫生填埋处置为最常用的方法。为了防止垃圾渗滤液等有害物质对垃圾填埋场周围环境的土体和地下水等造成污染,垃圾填埋场处置的首要问题就是衬里的防渗。 本文针对广泛应用于垃圾填埋场衬里系统的土工合成材料,以土工膜(Geomembrane)和膨润土防水毯(Geosynthetic clay liner, GCL)为例,探讨了两种材料的防渗效果及影响因素,初步分析了两种缺陷材料的渗透机理及自愈效果。分析了土工膜和GCL试样所受到的压力条件、渗透水头大小以及渗透液对材料渗透性能的影响。针对两种材料的特点,在实验室人工制得存在裂缝缺陷的土工膜和GCL试样,利用美国汉堡公司生产的柔性壁渗透仪精确测量有关渗透参数。分析试样受力状态及渗透条件等对存在裂缝缺陷的土工膜和GCL的单位时间渗流量的影响,探讨有关机制。利用扫描电镜拍摄的图片,定性分析了土工膜渗透参数的变化的原因；直观的说明了含水率对GCL试样孔隙结构的影响。 本文的主要研究内容和取得的研究成果包括： (1)柔性壁渗透仪可以精确测定复合土工膜(Composite Geomembrane)试样在一定时间内的渗透量,是评价土工膜防渗性能的有效仪器。复合土工膜在O.1MPa的有效压力作用下,渗透水头在0.1-0.6MPa的变化范围内,渗透系数随渗透水头的增大有3种变化趋势,包括：渗透系数基本不变；渗透系数随渗透水头的增大而增大；渗透系数随渗透水头的增大而减小。复合土工膜的厚度和纤维织物的分布是不均匀的,纤维织物有一部分镶嵌在土工膜内部,渗透水头引起土工膜渗流通道形态的变化可能是渗透系数变化的原因之一。 (2)在0.05显著性水平时,通过Shapiro-Wilk检验发现,试验所用复合土工膜的物理指标和力学参数指标的测定结果符合正态分布,因此对于复合土工膜的测试评估,要有一定的样本容量,以便于利用统计参数来判断试样的质量优劣。试验中所用的复合土工膜,在0.1MPa渗透水头时的渗透系数和0.6MPa渗透水头时单位时间的渗透量均符合指数分布,因此可以利用指数函数直观地表征复合土工膜质量的差异。复合土工膜的测试是物理、力学和水力学参数的综合评价,可以通过归一化指标、指标的无量纲化、选择合适的权重等步骤,最后利用综合评价值来定量化评价土工膜的性能。各个指标权重的选择是影响评价结果的重要因素,因此应根据工程的实际情况选择合适的权重系数。 (3)针对存在裂缝缺陷的土工膜,通过试验室模拟试验分析了裂缝尺寸、限制围压(范围20～100kPa)和渗透水头(范围20～100kPa)对试样单位时间渗流量的影响。试验结果表明,单位时间渗流量与裂缝的长度、渗透水头之间并不是简单的线性关系。在限制围压为20kPa时,当试样的裂缝长度小于6mm时,单位时间渗流量并不随渗透水头的增大而增大,而是基本保持不变,均小于5.0×10-5cm3/s,单位时间渗流量的值可能存在较小的波动。对于7mm长的裂缝来说,存在裂缝缺陷的试样的单位时间渗流量随着渗透水头的增大而增大。对于试验所用的存在裂缝缺陷的土工膜,在两侧为透水石的情况下,7mm长的裂缝可能是一个单位时间渗流量变化的临界值,7mm裂缝土工膜的单位时间的渗透量较大。同时,单位时间渗流量还受到限制围压大小的影响。 (4)在实验室测得两种不同渗透性能的GCL饱和渗透系数随时间的变化规律。低渗透性的GCL的原始渗透系数为10-9cm/s,高渗透性GCL的渗透系数为10-6cm/s。试验过程中所用的渗透液为蒸馏水,限制围压为20kPa。测定了GCL试样在一定围压条件下的体积变化情况,分析了试样的饱和过程。在反压饱和过程中,进水管的液面在第一天上升,主要是由于反压引起；随后进水管的液面变化越来越小,直至为零。出水管的液面变化类似。在18天以后,GCL试样才在20kPa的反压力下饱和完全。因此,利用柔性壁渗透仪可以反压饱和试样,仍然需要一定的饱和时间。饱和时间与试样的性质、反压力大小等因素有关。不管两种GCL材料的初始渗透系数为多大,在20kPa的限制围压条件下,试样均可能发生固结渗流现象,渗透系数均有一定程度的降低,降低幅度大约为半个数量级。存在贯通裂缝的GCL可以在一定程度上完成自我愈合；以渗透系数作为检测指标,GCL并不能完全自我修复。在蒸馏水中,围压条件20kPa时,经过2个月的时间,试样的渗透系数大约为没有缺陷时渗透系数的2倍。通过分析渗出液的可溶性离子可知,钙离子与GCL试样中的钠离子发生了交换吸附或置换,认为氯化钙溶液与膨润土内离子发生反应可能是钠基膨润土防水毯渗透系数增大的原因。 (5)复合衬里系统可以充分发挥土工膜和GCL两种材料的优势,防渗效果良好。当土工膜存在孔洞时,孔洞的面积决定了复合衬里防渗的总效果。本试验研究的土工膜,直径为10cm左右,当直径lmm的孔洞数目为三个时,土工膜对复合衬里的整体防渗效果几乎没有贡献；同时,复合衬里的防渗效果还受到外界压力条件的影响。外界围压越大,对于减少复合衬里的过流面积越有利,可以在一定程度上减少复合衬里的渗透系数。单从防渗效果来看,当土工膜不含有纤维织物时,土工膜与GCL接触关系更好,比含有土工织物的复合土工膜渗透系数要小。存在孔洞缺陷的土工膜与GCL复合衬里的渗透系数和渗透水头关系不大。渗透水头在20kPa到80kPa的变化过程中,复合衬里的渗透系数没有变化。综上所述,复合衬里的渗透系数主要受到缺陷面积、土工膜与GCL接触关系、围压条件的影响。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU993

【共引文献】

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本文编号：1655545