（地质工程专业论文）粘土固化注浆帷幕对渗滤液的阻渗机理与环境效应.pdf

摘要 渗滤液的防渗处理是填埋工程最重要的研究问题之一。本文在对 填埋场防渗技术研究现状讨论分析的基础上，通过理论分析、室内试 验j 现场检测、数值模拟以及工程实践相结合，系统研究了粘土固化 注浆帷幕对渗滤液的抗渗阻滞作用机理及规律，全面分析了帷幕在填 埋场中应用的长期环境效应，主要研究内容如下： ( 1 ) 粘土固化注浆帷幕对渗滤液的抗渗性能。对浆液配比、渗滤 液浓度、p h 值等对粘土固化浆液结石体渗透性能的影响进行了室内 试验，首次给出了结石体渗透系数与粘土加量和水泥加量之间的函数 关系式，研究了帷幕对不同污染物( 重金属离子、有机物) 的抗渗效果 和阻滞特征，并分析了其渗透性能变化的微观作用机理。 ( 2 ) 粘土固化注浆帷幕对污染物的吸附性能和机理。本文首次将 吸附性能引入防渗帷幕的功能作用，通过大量的吸附平衡试验分析了 浆液配比、地下水环境f 温度、p h 值、盐度等) 和用量对帷幕吸附污 染物性能的影响，研究了帷幕对污染物的吸附规律和去除特征，结果 表明粘土固化注浆帷幕对污染物的吸附符合f r e u n d l i c h 吸附模式，为 建立粘固化注浆帷幕、充分发挥其吸附性能提供了理论基础。 ( 3 ) 污染物在粘土固化注浆帷幕中的迁移转化机理，以及不同污 染物在帷幕中的迁移特征。污染物在帷幕及地下水环境中的迁移、吸 附与交换以及转化过程中，将发生物理、化学和生物变化，从而使渗 滤液得到进一步净化。此外，研究了不同污染物在帷幕中的迁移速度、 浓度分布和赋存状态等迁移特征，揭示了帷幕对污染物的阻滞规律。 ( 4 ) 污染物在粘士固化注浆帷幕中运移的水动力数学模型，并进 行模拟计算。概括了渗滤液及污染物在帷幕( 土壤) 及地下水中运移的 基本方程式，对地下水渗流的连续性方程进行了详细推导，首次推求 了基于时问变化的渗透系数的渗滤液流动微分方程，讨论了其定解条 件和数值解法。在试验成果的基础上，建立了污染物在粘土固化注浆 帷幕中的水质方程和水流方程，采用a d i 法进行差分求解并编写了 相应的计算机程序，讨论了相应参数值的确定，对渗滤液的渗流运动 和污染物的迁移转化进行了数值模拟计算，揭示了帷幕对污染物的阻 滞规律，完整系统地研究了渗漏量和污染物迁移转化基本参数的影响 效果。 ( 5 ) 粘土固化注浆帷幕应用于填埋场防渗工程中的长期环境效 应。首次系统地从试验和模型两个方面研究了粘土固化注浆帷幕对渗 滤液及污染物的控制作用，从防渗作用和净化作用两个方面研究了帷 幕对渗滤液及污染物控制的长期环境效应，并分析了帷幕的抗酸稳定 性和高耐腐蚀性。 ( 6 ) 粘土固化注浆帷幕在填埋场防渗工程中的应用情况。首次将 这种垂直防渗体系引入填埋场工程，取得了良好的经济效益和社会环 境效应。实践证明，在这种特殊的构筑物中建立垂直防渗体系，是行 之有效的，其防渗效果能够满足填埋场设计的防渗要求。 关键词注浆帷幕，渗滤液，吸附，环境效应 a b s t r a c t t o p r e v e n ts e e d a g eo f l e a c h a t ef r o ml a n d f i l l i n t oe n v i r o n m e n ti so n e o ft h em o s ti m p o r t a n t p r o b l e m s f o rm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) l a n d f i l l b a s e do i lt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n das e r i e so fm e t h o d si n c l u d i n g t h e o r e t i c a l a n a l y s i s 1 a b o r a t o r y t e s t s ，s i t eo b s e r v a t i o na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h er e t e n t i o nm e c h a n i s ma n da n t i - s e e p a g i n gc a p a b i l i t y o f c l a y s o l i d i f i e dg r o u t i n gc u r t a i n ( c s g c ) t ol e a c h a t e a r e s y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e da n dt h ee n v i r o n m e n t a le f f e c t so fc s g ca p p l i e di nm s w l a n d f i l li s c o m p l e t e l ye v a l u a t e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t s i nt h i sp a p e r a r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 p e r m e a b i l i t yo fc l a y s o l i d i f i e dg r o u t i n gc u r t a i nt o1 e a c h a t e t h e i n f l u e u c eo f c o m p o n e n t sa n dt h e i rr a t i oo fg r o u t s c | o n c e n t r a t i o na n dp h o fl e a c h a t eo n p e r m e a b i l i t ya r es t u d i e dw i t hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，a n d t h ef u n c t i o n a lf o r m u l ao f h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t ya n d c o n t e n to f c l a ya n d c e m e n ti s b r o u g h tu p t h e nt h e e f f e c t sa n dt h ec h a r a c t e r so fc s g c a n t i s e e p a g et oc o n t a m i n a n t s u c ha sh e a v ym e t a l sa n d o r g a n i c m a t t e ra r e s t u d i e d 2 a d s o r p t i o nm e c h a n i s ma n dp r o p e r t yo fc l a y s o l i d i f i e dg r o u t i n g c u r t a i nt oc o n t a m i n a n t i nt h i sp a p e r , a d s o r p t i o ni sf i r s t l yd e s c r i b e da sa f u n c t i o no fc s g c ，a n dt h ee f f e c t so f c o m p o n e n t a n dt h e i rr a t i oo f g r o u t s ， l e a c h a t ee n v i r o n m e n ts u c ha st e m p e r a t u r e ，p ha n d s a l i n i t yo na d s o r p t i o n a r es t u d i e dw i t he q u i l i b r i u me x p e r i m e n t t h ee v i d e n c es h o w st h a tt h e a d s o r p t i o n m e c h a n i s mo fc s g ct oc o n t a m i n a n t c o n f o r m i n g t o f r e u n d l i c ha d s o r p t i o nm o d e l i tp r o v i d e st h et h e o r yf o re s t a b l i s h i n g c s g ca n d u t i l i z i n ga d s o r p t i o nm e c h a n i s m 3 。t r a n s p o r t a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o n t a m i n a t e s i n c l a y s o l i d i f i e dg r o u t i n g c u r t a i na n d c o n t a m i n a t e s t r a n s p o r t a t i o n f e a t u r e si nc s g c c o n t a m i n a t e si nt h ep r o c e s so f t r a n s p o r t i n gi nc s g c a n dg r o u n d w a t e r , o f a d s o r b i n g ，o fe x c h a n g i n g ，a n do ft r a n s f o r m i n gw i l l t a k e p l a c ep h y s i c a l ，c h e m i c a l a n db i o l o g i c a lr e a c t i o n ，w h i c hm a k e s l e a c h a t e p u r i f i e df u r t h e r m o r e o v e r , t h e f e a t u r e so fc o n t a m i n a t e s t r a n s p o r t i n gs p e e d ，c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，a n dc o n t a m i n a t e se x i s t i n g f o r mi nc s g ca r es t u d i e d 4 m a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt h e i rs o l u t i o n sf o r h y d r o d r n a m i c t r a n s p o r t o fc o n t a m i n a n ti n c l a y - s o l i d i f i e dg r o u t i n gc u r t a i n t h eb a s e f o r m u l ao f t r a n s p o i t a f i o nt h a to f l e a c h a t ea n dc o n t a m i n a n ti nc s g ca n d t h ef o r m u l ao fg r o u n dw a t e r s e e p a g ea r ep u t f o r w a r d t h el e a c h a t e t r a n s p o r te q u a t i o nw i t ht i m e - v a r y i n gh y d r a u l i cc o e f f i c i e n ti se s t a b l i s h e d a n di t sm a t h e m a t i c a ls o l u t i o ni so b t a i n e da n dp r o g r a m m e db yf i n i t e d i f f e r e n c ea d i m e t h o d b ym e a n s o fm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nb a s e do n t h e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h ea s s e s s m e n to f a n t i s e e p a g i n g a n d r e t e n t i o ne f f e c to fl e a e h a t e s e e p a g e a n db a s i c p a r a m e t e r sd e s c r i b i n g c o n t a m i n a n tt r a t l s p o r t a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o na r ec a r r i e do u t ， 5 l o n g t i m e e n v i r o n m e n t a le f f e c t so f c l a y - s o l i d i f i e dg r o u t i n g c u r t a i na p p l i e di nm s wl a n d r i l l t h el o n g f i m ee n v i r o n m e n t a le f f e c t so f c s g cc o n t r o l l i n gl e a c h a t ea n t i s e e p a g i n ga n dc o n t a m i n a n ta r ep r o b e d s y s t e m a t i c a l l y a tt h ef i r s tt i m ei nt w oa s p e c t so fa n t i s e e p a g i n ga n d p u f f l y i n g ，a n dt h ed u r a b i l i t yo fc s g c i sa l s os t u d i e dw i t he x p e r i m e n ti n t h ep a p e r 6 a p p l i c a t i o no fc l a y s o l i d i f i e dg r o u t i n gc u r t a i no na n t i s e e p a g i n g e n g i n e e r i n gi nm s w l a n d f i l l i th a sb r o u g h tg r e a ts o c i a l ，e c o n o m i ca n d e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t si nt h ec o n s t r u c t i o no fm s w1 a n d f i l l si n n a n c h a n ga n dc h a n g s h a t h ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tc s g c c a l lm e e t t h ed e s i g n r e q u i r e m e n ta n d t h es o h e p o i s o n o u ss u b s t a n c e sw e l l k e yw o r d s g r o u t i n gc u r t a i n ，l e a c h a t e ，a d s o r p t i o n ， e n v i r o n m e n t a le f i e c t s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘= 邀日期：j ! 生年月旦目 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盘：垫薹导师签名 博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 第一章绪论 城市生活垃圾( m u n i c i p a ld o m e s t i cr e f u s e ) 是在城市日常生活或者为城市日常 生活提供服务的活动中产生的固体废物( 中华人民共和国建设部，c j j l 7 2 0 0 1 ) ， 也称为城市固体废物( m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ，m s w ) 。随着社会经济的不断发展和 自然资源的不断开发利用，特别是人口高度密集和城市化迅速推进，垃圾困其 数量庞大、增长速度快、危害范围广已成为世界性难题。据有关资料统计，近 十年来全世界每年约产生49 亿吨垃圾，平均年增长速度为8 。4 2 。其中，美国 是世界上垃圾产量最高的国家，年产垃圾2 亿吨，日本年产垃圾约l 亿吨。2 0 0 1 年，我国城市约产垃圾1 3 亿吨，城市垃圾产生量以平均每年6 8 的速度增长， 6 8 8 座城市中已有2 3 被垃圾所包围，全国垃圾存占地累计达7 5 万亩译”。世界 环境正遭受着前所未有的破坏，人类生活正面临着垃圾围城日益严重的威胁。 目前无论是发达国家还是发展中国家，普遍按照“减量化、资源化、无害 化”的原则对城市生活垃圾进行处理，采用的主要方法有堆肥技术、焚烧技术 和卫生填埋。堆肥法是垃圾资源化利用的有效方法，但处理量因市场需求而定， 许多大中城市难以用堆肥法来消纳和处理所产生的垃圾，而且堆肥前后的残余 仍需处理( 一般均运至填埋场) 。焚烧法虽能有效处理垃圾，但成本相对较高，投 资大。卫生填埋( s a n i t a r yl a n d f i l l ) 是采取防渗、铺平、压实、覆盖对城市生活垃圾 进行处理和对气体、渗沥液、蝇虫等进行治理的垃圾处理方法( 中华人民共和国 建设部，c j j l 7 2 0 0 1 ) 。卫生填埋方式具有简单易行、费用低、能处理多种类型 废弃物的优点，同对还可回收能源。因而受到世界许多国家的欢迎，目前世界 上建成具规模的垃圾填埋场4 8 1 7 座，其中美国己建成2 2 4 7 座，欧共体建成1 7 5 斛8 3 1 。我国卫生填埋场的建设大约始于2 0 世纪年代，现在有许多城市修建 了基本符合卫生填埋工艺要求的卫生填埋场f 见表1 - 1 ) 。& 口便如此，据中央电视 台一套2 0 0 3 年6 月2 3 日新闻早八点报道，我国城市生活垃圾处理率不足5 4 ， 雨无害化处理率不足2 0 ，每年仍有5 6 0 0 万吨生活垃圾露天堆放，就我国当前 的经济发展水平而言，在今后相当长的一段时间内，卫生填埋法仍是绝大部分 城市处理垃圾的重要甚至唯一方法。 博士学位论文第一章绪论 表1 - 1我国已建部分垃圾卫生填埋场设计标准 总投资占地总库容日处理 名称 ，万元痦l y j m 3量飚 建成情况备注 杭州天子蛉垃圾填埋场【2 ”1 8 5 0 06 9 06 0 02 4 0 0 8 0 年代建成国内第一座 北京阿苏卫垃圾填埋场唧5 3 8 79 0 06 1 32 0 0 01 9 9 7 年建成 上海老港垃圾处置场3 2 0 0 05 1 5 77 5 0 01 9 9 6 三期建成 贵阳高雁垃圾填埋场0 1 q 2 2 0 0 01 3 3 91 9 9 09 0 0 2 0 0 0 年投产中目环境合作 广州大田山垃圾填埋场 1 3 0 0 03 8 02 2 0 0 2 0 0 2 年封场 中山老虎坑垃圾填埋场】4 0 0 02 1 91 5 6 1 9 9 7 年投产 深圳下坪填埋场p 6 8 2 0 0 0 02 2 3 54 6 9 32 0 0 0 期1 9 9 7 建成国内最先进 南昌麦园垃圾填埋场”1 8 5 0 01 6 0 01 7 9 31 5 0 0 1 9 9 7 年投产国内最经济 长沙固体废物填埋场口7 例1 9 9 6 52 6 1 04 5 0 03 1 0 02 0 0 2 年建成日本协力基金 成都长安垃圾填埋场【1 1 】1 2 7 0 02 4 0 02 0 0 1 年建成 然而，垃圾卫生填埋处置方式也存在明显韵弱点：一是占地面积大，寻找 一个新的更合适的场地更加困难；二是二次污染问题。实践表明，处理不好填 埋释放物( 渗滤液和气体) 将对周匿地区造成严重危害。例如，1 9 8 9 年美国缅因州 中部一填埋场因防渗垫层原因导致5 0 0 ，0 0 0m 3 垃圾填埋体发生滑坡，填埋体下 沉了6 9m ，滑坡蔼积超过4 0 ，0 0 0m 2 ，与之邻近形成2 9 ，0 0 0m 2 破坏带 ( r i c h a r d s o i lgn e l a l ，1 9 9 0 ) ；据美国国家环保局统计，美国己有的填埋场中有 3 4 的填埋场对周围的地质环境产生了比较明显的污染作用，加拿大在调查的填 埋场中有8 0 的填埋场通过渗漏对周围地下水环境产生了一定程度的污染( l e e gf e la 1 ，1 9 9 1 ) ，其它发达国家早期建设的填埋场也对周围环境产生了类似的 污染影响( e a s t o nc a e t a l ，1 9 9 3 ) 。我国从八十年代建设杭州天子岭垃圾卫生填 埋场开始，已有不少城市采用卫生填埋处理生活垃圾，但由于受社会经济条件 和旖工技术水平限制，因填埋场防渗失效导致渗滤液污染地下水的情况时有报 道( 徐则民等，2 0 0 3 ) ，国家环保总局于2 0 0 1 年对全国生活垃圾处理设旌进行了 调查、监测，共调查各类垃圾处理场3 4 5 座，监测1 0 7 座馆i 家环境保护总局， 2 0 0 1 ) a 填埋处置对周围环境造成二次污染的因素主要来自三个方面：填埋工艺； 博士学位论文 第一章绪论 渗滤液污染；填埋气体影响。其中渗滤液污染问题最为突出，它一直为国 内外研究人员所重视，对渗滤液最为直接的控制方法就是建立防渗系统，将渗 滤液严格控制在一定的独立水文地质单元体内，以免污染周围地下水和地表水。 渗滤液是由垃圾中有机物降解生成的新物质以及生活垃圾的溶解物质与雨 水和地下水混合而成的，由于垃圾组份的多样性和复杂性，导致渗滤液的化学 成分十分复杂，浓度变化范围很大。表1 2 、l 一3 分别列出了国内外城市生活 垃圾渗滤液的基本化学成分特征和几种水质标准的最高允许排放浓度。 表1 2 生活垃圾渗滤液化学成分统计表9 1( 单位：m g l ，p h 无单位) 博士学位论文第一章绪论 表1 3 几种水质标准的最高允许排放浓度( 单位：m g l ，p h 无单位) 标准c j 3 0 8 2 1 9 9 9 1 1 1 引g b 8 9 7 8 1 9 9 6 t 1 1 。1c h z z b l 1 9 9 9 f 2 “g b t 1 4 8 4 8 。1 9 9 3 t 1 1 1 l p h 值 6 0 906 0 9 06 5 b 56 5 - 8 5 b o d j 1 0 0 ( 3 0 0 ) 6 03 c o d “ 1 5 0 ( 5 0 0 ) 1 5 01 5 总镉g e0 10l00 0 5o 0 0 1 总铅p b1 01 00 0 5o0 1 总铜c u2 0l01 0o 0 5 氨氮2 5 0 0 5 o ) 2 50500 2 注：a 、c j 3 0 8 2 1 9 9 9 污冰排入城市下水道水震标准，括号内数值适用于有城市污水处理厂 的城市下水道系统；b 、g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ：污水综合排放标准；c 、c h z z b i 1 9 9 9 ：地表水环境 质量标准；d 、g b , r i 1 4 8 4 8 1 9 9 3 ：地下水质量标准表中所列均为i l 类水质量标准基本项目 标准值。 从以上两表可以看出，垃圾渗滤液一般具有以下化学特征： ( 1 ) 渗滤液的化学成分极为复杂，有机污染物、无机污染物和重金属离子等 多种污染组份共存，表现出很强的综合污染特征。 ( 2 )渗滤液污染成分浓度很高，如化学耗氧量c o d 。最高可达1 0 5m g l 以 上，为工业污染允许排放标准的1 0 0 倍以上，氨氮d 池的平均浓度高达7 0 0 m g 甩v a 上，是粪便的3 4 倍，硬度值是饮用永标准的几十倍，其它组份的含量 也很高。由此可见，渗滤液污染性极强，是一种严重的污染源。 ( 3 ) c o d 和b o d 指标表明有机物含量高，成分复杂。目前已经发现在渗滤 液中可能存在的有机物超过1 0 0 种，这些有机污染组份单独测定极为复杂， 般都通过综合指标c o d 和b o d 来进行表征。 ( 4 ) 渗滤液中无机污染物的组份也十分复杂，其成分和浓度在很大程度上与 填埋垃圾的成分和时间有关，主要以c 1 、s 0 4 卜、c a ：+ 、m s 2 + 等离子来表征。 ( 5 ) 在生活垃圾中含有一定量的金属物质，经淋滤和各种酸化作用后进八渗 滤液，使渗滤液中重金属离子含量远远超过工业水排放标准和生活水饮用标准。 对填埋场中渗滤液的防治与控制主要是建立防渗系统，将渗滤液及其有害 博士学位论文 第一章绪论 - 田t t i l l l l i ii l lr l i i = 鼍幂毒，蠢拿皇晴阜暑量_ 田毫暑置e e j 芒詈詈詈詈= = ! = 詈詈詈= = = ! = 污染物控制在一定范围之内，同时建立渗滤液处理设旌进行处理，使其达到相 关污水排放标准再进行排放。在填埋场中建立的防渗系统是否有效达到肪渗目 的，一方面取决于防渗系统是否能有效阻止渗滤液外泄，另一方蔼取决于防渗 系统是否能有效阻止污染物向外迁移，同时还要尽量阻止地下径漉进入填埋场， 防止产生更多渗滤液。一般来说，一个良好的填埋场防渗系统应具有以下功能： ( 1 ) 尽量封闭渗滤液于填埋场中，使其进入渗滤液收集系统，肪止其渗透流 出填埋场之外，造成对周围土壤、地下水及地表水的污染。 ( 2 ) 防止地下径流进入填埋场，避免产生过多渗滤液，使处理量增加。 ( 3 ) 避免填埋场内产生的气体向外迁移，使之得至有控释放，提高收集效率。 “) 与渗滤液有很好的化学相容性，能抵抗渗滤液的侵蚀，能有效阻滞渗滤 液中的有害污染物质。 ( 5 ) 具有足够的强度和耐久性，保证填埋工作寿命之内防渗系统的安全性。 ( 6 ) 具有较好的环境效应，本身不会对环境产生负面影响和破坏。 目前在填埋场中建立防渗系统有水平防渗衬层和垂直注浆帷幕两种。以粘 土垫层及土工膜防渗设施等建立的水平防渗技术有其自身的优势，如施工透明 度高、易于质量监控等，但这种水平防渗系统一旦投入使用则不具有修复性， 并且其高造价对于一般城市填埋场建设的实施将具有一定的难度。而利用帷幕 注浆在填埋场中建立垂直防渗系统，应用在工程中具有低成本、投资少及易修 复等特点，对于像我国这样的发展中国家具有明显的优势。 由于历史原因和早期的技术问题，因填埋场渗滤液的渗漏导致环境污染的 事故时有报道，采用粘土固化注浆技术构筑垂直防渗帷幕不失为一种经济、合 理、科学的技术手段。而防渗体系的结构和功能以及防渗作用机理直接决定着 防渗效果。因此该课题己成为当今填埋场工程所关注的热点和难点问题。深入 研究污染物与防渗帷幕之间的作用机理，既是现实提出的要求，也是理论发展 之所需。本文将主要围绕渗滤液及其污染物质在以粘土固化注浆技术构筑的垂 直防渗稚幕中的迁移、转化机理迸行试验研究和分析，并对粘土固化注浆帷幕 这一防渗技术引入填埋场应用的环境效应进行分析和评价。 本课题是国内外首次涉及这一领域的研究研究成果将为粘土固化注浆技 术在填埋场防渗工程中构筑垂直防渗系统建立牢固的理论基础。 搏士学位论文 第一章结论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 卫生填埋技术 英国早在2 0 世纪3 0 年代就开始对城市垃圾卫生填埋技术进行研究，接着 美国在2 0 世纪4 0 年代开始采用生活垃圾卫生填埋技术，随之德国、日本等国 家也相继开展了该技术的研究。早期研究多侧重于垃圾填埋处理的无害化，对 场址选择也主要是考虑地形地貌等地质因素以及交通运输等地理因素。进入2 0 世纪6 0 年代，由于能源危机的冲击，人们开始研究垃圾处理的资源化，也逐步 开始关注填埋场场址水文地质和工程地质条件的分析与评价，逐步在填埋场的 规划、设计、施工和管理等方面积累经验，并开发出相应的成套技术及设备， 使这一技术愈发成熟。 自1 9 7 2 年“人类环境会议”在斯德哥尔摩召开，环境问题引起了全世界的 重视，垃圾填埋作为潜在的污染源，对环境的影响开始受到更大的关注，其中 以渗滤液对地下水的污染防治为主的地质环境保护尤为突出，地质环境效应的 研究在世界上越来越得到重视。研究的范围和深度也不断扩大。最近十多年来， 随着科学技术手段的不断发展和革新，对城市垃圾填埋处理的研究也取得了较 大进展，主要表现在： ( 1 ) 运用物探法、同位索和示踪技术以及系统的水化学运移转换特征，研究 溶质运移的解析模型和数值解模型、有机质降解运移、非饱和带运移机理等， 如b e n f e n a t ie ( 1 9 9 5 ) 、s c h r o e d e rh e ( 1 9 9 2 ) 、a a l t o n e nj ( 2 0 0 2 ) 、y o o nj r ( 2 0 0 3 ) 、 h a c k l e yk c ( 1 9 9 6 ) 、v i l o m e tj d ( 2 0 0 3 ) 等。 ( 2 ) 着重研究渗滤液污染因子在填埋结构介质环境中的运移转化规律，对水 质预测模型逐步完善，并综合考虑微生物降解共同作用下的有机物迁移特征， 以及对污染源自身衰减规律的研究，如r i c h n o w h h ( 2 0 0 3 ) 、s c h i c k o rg ( 1 9 9 3 ) 、 f r a n zt j 、r o w er k ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 等。 ( 3 ) s c h r o e d e rpr ( 1 9 9 4 ，1 9 9 6 ，1 9 9 0 ，1 9 8 8 ) 等研制出垃圾填埋场水力学 评价模型( h y d r o l o g i c e v a l u a t i o no f l a n d f i l lp e r f o r m a n c e ) ，简称为h e l p 模型， 从水力学的角度，对填埋场渗滤液水量的析出和转化进行综合计算。此后许多 学者又对该模型进一步完善，考虑了粘隔水层厚度、隔水层渗透系数、表层 厚度等因素。 博士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 近年来，各国学者在继续深化前人研究的同时，有两个研究方向最引人 注目。一是将近年发展起来的系统方法引入该领域，立足于垃圾填埋的最优化 设计( h a r t b f e t a l ，2 0 0 3 ) ；二是将研究范围延伸到工程地质领域，包括对填埋 场的边坡稳定性评价、库底粘土衬里的压实渗透性和渗滤液特殊成分对下伏粘 土渗透性的影响，如m c g u i r ee ( 1 9 9 5 ) 、w i l l i a m sg m ( 2 0 0 2 ) 、h u d a k p f ( 2 0 0 3 1 等。 然而，我国垃圾填埋场的建设和研究均远落后于国外。1 9 8 9 年国家建设部 委托沈阳市环境科学研究所主编了中华人民共和国建设部部颁标准城市 垃圾卫生填埋技术标准( c j j l 7 - - 8 8 ) ，1 9 9 0 年杭州市天子岭垃圾卫生填埋场正式 建成投入使用，这是国内第一座通过正规设计的比较完善的垃圾卫生填埋场。 自此我国的垃圾卫生填埋工作进入一个新的发展阶段。国内第一篇涉及城市垃 圾卫生填埋研究领域的论文是林学钰1 9 8 4 年发表于长春地质学院学报的关 于城市垃圾堆放的环境水文地质问题。该论文提出了一个明确的观点：垃圾场 环境水文地质学的研究关键，是对污染物的迁移规律进行研究。此后，张学饶 和郑铣鑫( 1 9 8 8 ) 、黄明敏( 1 9 9 0 ) 、梁金火( 1 9 9 1 ) 、张虎元( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 、赵由才( 1 9 9 4 ) 、 赵勇胜( 1 9 9 5 ) 、刘长 l ( 1 9 9 7 ) 、聂永丰( 1 9 9 9 ) 等分别在环境科学、中国环境 科学、水文地质工程地质、环境污染与防治等杂志上撰文介绍国外城市 垃圾填埋场选址、环境地质调查、取样分析、监测设计、地球化学过程和模拟， 填埋场所产生的主要环境地质问题以及地下水污染运移模拟和控制等情况，王 红旗等人( 1 9 9 5 ) 运用数值分析模型对上海老港垃圾场地对周围环境的影响进行 了模拟计算和分析，比较客观地评价和预测了该垃圾场地对周围环境的影响结 果。 近年来随着环境保护越来越受到重视，本领域的研究也越来越热，我国研 究生论文选题在这方面也越来越多，但主要集中于填埋场渗滤液产生机理及处 理工艺研究，而对填埋场的防渗工艺研究较少，更缺乏从机理上进行分析。目 前，随着填埋场在我国的兴建和发展。有许多学者正以国外最新研究进展为起 点从事垃圾填埋场的环境效应研究，其中包括对填埋场的防渗处理研究，我国 在这一领域的研究正方兴未艾。 1 2 2 填埋场防渗技术 控制渗滤液的污染般是对填埋场进行防渗处理，一方面防止渗滤液浸入 7 博士学位论文 第一章绪论 地下，污染地下水；另一方面防止地下水浸入填埋场，造成渗滤液水量的大幅 度上升。通常填埋场地工程地质的自然状况不能满足对渗滤液的防渗要求，这 就需要对场底及四周进行处理，目前采用的方法有水平防渗衬层和垂直灌浆帷 幕两种。 水平防渗是在填埋场基础底部铺设水平屏障以封堵场区内渗滤液迁移，目 前我国填埋场的水平防渗方法有以下四种：高密度聚乙烯( h i g h d e n s i t y p o l y e t h y l e n e ，h d p e ) * 粘土复合衬层；膨润土防渗树层；粘防渗村层；沥青混 凝衬层等。国外从2 0 世纪8 0 年代开始在垃圾填埋场防渗处理中使用人工合 成材料作为衬底材料，逐步成为一项成熟的技术得到越来越多的应用。通常采 用2m i n 左右厚的h d p e 作为事寸底材料，其渗透系数可达1 0 4 2 1 0 。1 3c m s 。目 前人工合成衬底材料己形成了系列产品，并制定了相应设计和施工标准。我国 建设部颁布的城市生活垃圾卫生填埋技术规范f c j j l 7 - - 2 0 0 1 ) 中规定以天然 粘土作为衬垫系统时，“衬里的渗透率不应大于1 0 4c m s ，且场底及四壁衬里的 厚度不应小于2m ”，不具备自然防渗要求的必须进行人工防渗。我国的这一标 准是建立在水力渗透系数的基础上的，对填埋场中实际水头、污染物质的扩散 系数、吸附情况等极为重要的影响污染物迁移的指标还有待作出进一步研究， 其影响作用也决不可忽略。 垂直防渗是在地下水出口的透水层孔隙中建立垂直隔离措旌，劳在其上部 设置截污坝建立调节池，使填埋场底部的渗滤液和下部受污染的地下水阻积于 调节池内，以免下游及邻近区域遭渗滤液渗漏和扩散而被污染。常用的垂直隔 离措施有竖向隔离墙、深层搅拌桩墙、钢板桩墙、注浆帷幕、高压喷射灌浆板 墙等。在发达国家，几乎所有的填埋场工程都采用垂直隔离墙。隔离墙可用土 一膨润土( s b ) 、水泥一膨润土( c b ) 和预制混凝土等材料做成，生物增强隔离墙以 及其它矿物隔离墙等技术目前还在研究中。通常在这些材料中掺入炉灰或粉煤 灰等，以使隔离墙的渗透系数小于1 0 4c m s ，并使之有足够的强度和耐久性。土 一水泥混合物的渗透系数仅为1 0 1 0c m s ，其防渗性能更好。国内在相应的地下 水污染治理工程中建造注浆帷幕时一般采用纯水泥浆材，少量采用酸性水玻璃 等化学浆材，也有采用粉喷膨润土方法构筑地下柔性防渗帷幕( 董蕾等，2 0 0 0 ) ， 或者采用水泥或红粘土等材料构造垂直隔离墙。 中南大学有关科研人员首次将粘土固化注浆帷幕引入垃圾卫生填埋场，取 博士学位论文第一章绪论 得了良好的社会经济效益和良好的环境效应，并在“教育部高等学校骨干教师 资助计划”项目粘土固化注浆建立固体废弃物填埋场垂直防渗技术研究资 助下，结合南昌市麦园垃圾卫生填埋场、长沙市城市固体废弃物处理场等实际 工程开展了对渗滤液在地下水环境及注浆帷幕中的迁移作用机理和污染物迁移 转化的模拟预测与控制方法研究，并且利用模型进行污染控制效果的模拟分析， 进而提出针对渗滤液及其污染物的控制措施。 目前我国绝大多数山谷型填埋场采用了垂直防渗技术，在地质条件较好的 基岩上设置截污坝及帷幕灌浆垂直防渗墙，防止产生的渗滤液污染地下水。其 基本形式有下述两种： ( 1 ) 在峡谷处建造垃圾坝和垂直防渗帷幕。以杭州天子岭垃圾填埋场为代 表，根据填埋场库区水文地质和工程地质条件，在地下水汇集的出口处建筑防 渗帷幕，截污坝和灌浆帷幕隔断了场区含水层与下游含水层的关系，切断了污 染孔隙潜水向下游的径流通道，使填埋场内产生的渗滤液阻积集于帷幕前的调 节池中，从而达到防渗目的。 ( 2 ) 在填埋场四周建造垂直防渗帷幕。如燕山石化危险废物填埋场，沿填埋 场四周进行封闭型的帷幕灌浆防渗处理措施，地下断层采用混凝土塞封堵，以 防止填埋场渗滤液渗漏至地下水( 袁宽林，2 0 0 0 ) 。 1 2 3 污染物迁移与转化 污染物在地下水中迁移转化的研究，主要是运用数学模拟方法模拟可溶性 污染物在地下水中的迁移转化过程，求出污染物浓度在地下水环境中不同空间 位蜃和不同时间系列的变化规律，以预测地下水污染的瞬时动态与扩展范围， 为制定合理有效的地下水污染防治措施、选择最佳治理方案提供科学依据。对 地下水水质进行模拟研究所建立的数学模型就是地下水水质模型，其中以美国、 法国、英国、俄罗斯等发达国家建立的模型多而成熟，并且在不断地改进和完 善。 地下水水质模型的基本理论是弥散理论，或称为污染物迁移理论。描述污 染物迁移的基本方程组包括连续性方程、运动方程、浓度方程和状态方程。早 在2 0 世纪初国外就开始应用数学模型来研究地下水问题，但把数学模型应用于 地下水水质模拟研究则是6 0 年代以后的事情，对孔隙介质中水动力弥散研究的 博士学位论文 第一章绪论 详细综述则是1 9 6 7 年由前苏联r 别尔等科学家完成的( 王秉忱等，1 9 8 5 ) e f r i e d ( 1 9 7 2 ) 进一步研究了建立在宏观孔隙介质连续前提下的经典模型与水动力 弥散方程，2 0 世纪7 0 年代k o n i k o w 等人( 1 9 7 4 ，1 9 7 8 ) 研究了可预测含水层中污 染物浓度的复杂数学模型。2 0 世纪9 0 年代美国地质调查局推出了数值求解程序 ( v s 2 d 和v s 2 d t ) ，使数值模拟向前迈进了一大步。最近，日本开发出土壤污染 模拟系统，只要向这套预测系统中输入被污染土地的形状、污染物的种类和污 染源的位置，通过电脑分析，仅用几分钟就能预测出未来土壤污染的扩散情况， 并在屏幕上以图像的形式显示出这块土地上污染将如何扩散，预测系统还能快 速地计算、分析使用现有技术很难模拟的土质、地下水、污染物等因素之间的 相互作用1 0 7 1 。 我国对地下水水质模拟方面的研究自2 0 世纪8 0 年代才开始，1 9 8 4 年完成 的山东济宁地下水水质模拟及其污染趋势预测的试验研究，是我国最早的一 项水质模型研究( 陈梦熊，2 0 0 0 ) 。王秉忱等编著的地下水污染与地下水水质模 拟及朱学愚编著的地下水运移模型，为研究水质模型奠定了理论基础。林 学钰等编著的地下水水量模拟及管理程序集，简明论述了建立各种模型的技 术方法与求解过程，为开展水质模拟和预测研究提供了有利工具。 有关垂直隔离墙与污染物之间作用机理的研究，国外相对来说要先行一步， 其中有代表性的是m o r t 等人( 1 9 9 2 ) 研究了在粘土膨润土隔离墙材料中加入粉 煤灰提高其阻滞系数，r a b i d e a u 等人( 1 9 9 8 ) 研究了粘土膨润土隔离墙的非线性 吸附行为，h i l l e lr u b i n ( 2 0 0 0 ) 研究了污染物在隔离墙中的浓度空间分布行为。在 研究方法上，所采用的试验方法主要有渗透试验、分批试验、顺序分批试验、 土柱试验、淋滤试验、浸泡试验、弥散试验等。国内有关这方面的研究仅限于 对水库堤坝中水泥浆材帷幕耐久溶蚀的探讨，或是从宏观的角度论述污染物在 地下系统中的水文地球化学行为，对污染物与垂直隔离墙之间作用机理的研究 还少见报道。 1 3 本课题研究内容及研究方法 i 3 1 研究内容 针对粘土固化注浆帷幕对填埋场渗滤液中有害物质的阻渗机理认识不足， 1 0 博士学位论文 第一章绪论 本文兽在通过室内外试验来研究粘土固化注浆帷幕的抗渗阻滞性能，分析其与 渗滤液中典型化学污染物的作用机理，揭示渗滤液在帷幕中的水动力过程，建 立相应的数学模型，模拟污染物在粘土固化注浆帷幕中的运移转化过程，预测 粘土固化注浆帷幕对渗滤液及污染物的阻渗作用，进而评价粘土固化注浆惟幕 的长期环境效应，最终试图建立一套便于实际应用的、适用面更广的评价粘土 固化注浆帷幕在地下水防