渗滤液与土相互作用机理及裂隙衬垫材料防渗性能研究

填埋场衬垫材料中的裂隙对防渗性能有重要影响，而渗滤液与粘土的相互作用使得裂隙衬垫材料性能更为复杂。由于缺乏渗滤液作用下裂隙衬垫性能的系统研究，衬垫系统的评价和设计可靠性还有待提高。本项目旨在通过理论分析、模型试验和数值计算，探索渗滤液与土的相互作用机理和衬垫中裂隙的形成和发展规律，研究裂隙衬垫材料的防渗性能。模拟温度效应等情况下衬垫中裂隙扩展；在实际渗滤液性质分析基础上配置模拟渗滤液，研究渗滤液作用前后裂隙和孔隙特征的变化，探讨渗滤液与裂隙衬垫材料中土相互作用的微观机理。基于微观机理的概念模型和裂隙衬垫材料的渗透试验，建立考虑渗滤液作用的裂隙衬垫材料渗透系数的估算公式。通过吸附试验研究裂隙对阻滞系数的影响，确定获取可靠阻滞系数的试验方法。在考虑裂隙衬垫运移参数概率特性的基础上，进行衬垫中污染物运移计算，为提高衬垫系统有效性和可靠性打下坚实的基础。

在出现裂隙和渗滤液作用等条件下，压实黏土衬垫的防渗性能可能发生变化。本项目通过理论分析、模型试验和数值计算，对黏土衬垫中裂隙的扩展规律、渗滤液作用下裂隙衬垫材料的防渗性能进行研究，并探讨运移参数的不确定性对衬垫性能的影响，完成了项目的研究计划。得到的结论主要有：（1）衬垫干燥后出现的较宽裂隙湿化后不能完全愈合，干湿循环使土样产生了不可逆的变化，从而导致天然黏土裂隙衬垫渗透系数均值增大约25倍；（2）膨润土改性黏土干燥裂隙的裂隙面积率和长度比大于天然黏土，但膨润土良好的自愈能力有助于控制干燥裂隙对渗透系数的不利影响，改性黏土裂隙衬垫渗透系数均值增大了5.7倍；（3）相对于自来水渗滤时的渗透系数，2500mg/L的乙酸溶液和0.05mol/L的CaCl2溶液等模拟渗滤液对天然黏土和膨润土改性黏土的渗透性能均没有表现出不利的影响。（4）模拟渗滤液对黏土的界限含水率具有一定的影响，膨润土掺入量为15%时，在CaCl2溶液和乙酸溶液下的絮凝作用导致改性黏土由高液限黏土变为高液限粉土；无论是高液限黏土还是低液限黏土，均表现出液限随CaCl2溶液浓度增大而逐渐减小的趋势。但由于溶液与土相互作用的复杂性，溶液渗滤时土的渗透系数没有表现出随液限减小而增大的趋势。（5）衬垫渗透系数的变异性对衬垫性能有重要影响，当衬垫厚度较小或渗透系数均值较大时，不仅衬垫失效概率较大，而且衬垫底部出现高浓度（相对浓度接近于1）的概率很大，对周围环境污染有很大的威胁。（6）土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量有显著影响，并决定了衬垫的厚度，确定性分析结果偏于危险，在给定计算条件下概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.75倍。（7）当衬垫厚度较小时，表面裂隙土层饱和渗透系数均值的增大将显著增大衬垫底部通量的均值和标准差，因此具有足够厚度的黏土衬垫对于减小表面裂隙的不利影响是非常重要的。通过本项目研究，揭示了渗滤液和干燥裂隙对压实黏土渗透性的作用规律，明确了运移参数变异性对衬垫性能设计和评价的影响，为提高衬垫系统的有效性和可靠性打下了基础。