垃圾填埋场复合衬垫在高应力和高水头作用下的防污性能研究

复合衬垫是填埋场封堵系统的重要组成部分，对防止渗滤液污染地下水具有重要意义。复合衬垫的工作环境非常复杂，具有高压、高水头和高浓度污染物等特点。污染物在复合衬垫中的运移是应力场、渗流场和化学浓度场耦合作用的结果。实践证明，以控制水力特性为主的复合衬垫设计方法不能满足填埋场的防污要求。本项目通过室内试验揭示高应力和高水头对复合衬垫渗漏和扩散的影响规律；得到复合衬垫渗漏率及有机污染物扩散系数与应力的定量关系；揭示应力引起的粘土衬垫固结对污染物运移的影响。在此基础上，建立应力场、渗流场和浓度场耦合作用的复合衬垫污染物运移模型。结合大型模型试验对理论模型的合理性进行验证和分析，研究高应力和高水头作用下复合衬垫的防污机理；提出复合衬垫的设计准则及填埋场污染控制技术。本课题的研究将促进人们对填埋场渗滤液在复合衬垫中运移机理的深入认识，推动高应力和高水头作用下复合衬垫污染物运移理论的发展和完善。

本项目针对我国填埋场渗滤液水位高的实际情况，提出了基于填埋场主要污染物稳定化周期的衬垫系统寿命设计标准。首次获得了用于评价衬垫系统服役寿命的污染物在复合衬垫系统的运移模型及解答，包括（1）有机污染物在垃圾填埋场土工膜、GCL和土质衬垫三层衬垫系统的扩散解；（2）考虑降解时有机污染物在复合衬垫的运移解；（3）建立了温度和扩散耦合的污染物运移方程并获得了解析解。基于解析解分析了渗滤液水头、环境温度和土层渗透系数、扩散系数和降解半衰期等参数对复合衬垫击穿时间的影响规律。结果表明渗滤液水头对衬垫系统的防污性能产生很大影响，在10m水头作用下我国常用的四种衬垫均未能符合衬垫的服役寿命要求。建立了复合衬垫中固结和污染物耦合运移数学模型，并获得了数值解，研究表明在单面排水条件下固结作用会较大地加快污染物的运移。采用超重力离心模型缩时试验研究了高水头条件下污染物在衬垫中运移，结果表明对流和分子扩散作用满足离心模拟相似要求，在12m高水头条件下衬垫击穿时间不足3年，验证了本项目的理论模型分析成果。针对高水头垃圾填埋场，通过现场钻孔取样获得了填埋场底部和周边土层的污染物浓度分布，并采用理论模型进行了拟合和预测，进一步验证了考虑高水头和高应力等耦合作用的污染物运移模型。由于现有的衬垫系统不能满足高应力和高水头作用下的服役寿命要求，本项目提出了采用吸附性良好的黄土和膨润土作为添加剂的混合土衬垫以提高衬垫系统的防污性能；进行了黄土、膨润土和粉土混合土中污染物吸附和渗透性等试验，并采用XRD和扫描电镜等手段分析了吸附机理，研究表明黄土、粉土和膨润土组成的混合土能达到较低的渗透系数和较高的吸附性能，具有很好的工程应用前景。本课题的研究成果发表论文15篇，其中SCI收录和SCI期刊源论文6篇，EI收录7篇。授权1项发明专利和1项实用新型专利。部分研究成果被国家行业标准《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ176-2012)所采纳，是获得2011年浙江省科学技术一等奖、2012年国家科技进步二等奖的重要组成，为基于性能的垃圾填埋场复合衬垫系统的设计及已有高水头垃圾填埋场的污染控制方法提供了科学依据。