CN101963571B

CN101963571B - 水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法

Info

Publication number: CN101963571B
Application number: CN2010102884653A
Authority: CN
Inventors: 席永慧; 许丽萍; 解子军; 吴晓峰
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN101963571A

Abstract

本发明属于环境土木工程领域，具体指的是一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，用于实验室中检测水泥土隔离屏障阻挡离子迁移的效果。由两块平行的水泥土薄墙将长方形盒状箱体分隔成三个空仓，中间空仓放置人工配制的污染液，两边放置未污染的净土。通过模型试验来取得针对水泥土屏障的扩散系数等参数,然后可以根据扩散-弥散方程来评价污染物通过屏障的击穿时间和使用年限，进而可评价污染场地的水泥土屏障隔离方法及其阻挡离子迁移的效果等。

Description

水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法

技术领域

本发明属于环境土木工程领域，具体指的是一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，用于实验室中检测水泥土隔离屏障阻挡离子迁移的效果。

背景技术

目前，我国由于大多数城市未实行垃圾分类投放制度，垃圾成分混杂，因此垃圾填埋处置己成为现阶段我国大多数城市处理废物的主要方法。根据我国建设部2004年颁布的《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17-2004）中的规定，具备自然防渗条件的填埋场必须满足，“衬里的渗透系数不应大于10^-7cm/s，场底及四壁衬里的厚度不应小于2m”的要求。一般说来，岩、土层的渗透系数能满足上述要求的天然场址是较难遇到的，因此，通常需要进行人工防渗。

目前国内采用的填埋场底部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。其中，如在填埋场，垂直帷幕注浆防渗和深层搅拌桩由于在技术性与经济性上具有一定优势，在填埋场工程中常作为首选方案，其方法水泥浆与土壤颗粒胶结形成渗透系数较小的隔离帷幕，以截断污染物溶质迁移路径隔离污染物。但是在设计中只把它当成为防渗屏，其实污染物还可能通过扩散的形式迁移，迁移参数的测定虽然最准确地可从现场试验确定，但这样做会很费时间，而且会对环境造成污染，所以一般还是通过实验室模型试验确定。现有的一些模型和方法都只是针对粘土隔离屏障的，主要是在实验室测定污染物（如离子）在粘土屏障的迁移参数（如扩散系数）。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，由两块平行的水泥土薄墙将长方形盒状箱体分隔成三个空仓，中间空仓放置人工配制的污染液，两边放置未污染的净土。通过模型试验来取得针对水泥土屏障的扩散系数等参数, 然后可以根据扩散-弥散方程来评价污染物通过屏障的击穿时间和使用年限，进而可评价污染场地的水泥土屏障隔离方法及其阻挡离子迁移的效果等。

本发明的目的实现由以下技术方案完成：

一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，该检测方法步骤如下：

（1）制作一个长方形盒状模型箱，在长方形盒状模型箱上制作两块水泥土薄墙，所述水泥土薄墙将长方形盒状模型箱隔离成三个仓，并在两边仓中各开设一个出水孔；

（2）模型箱两侧仓分层放置未污染的净土，反复往两侧仓的土中加水，然后放水，将土中的气体排出，模拟自然状态的土在自重作用下的沉实过程；

（3）将两侧仓的土中加水至饱和状态，在中间仓内加配置好的污染离子溶液，其水位面低于两边的土面；

（4）在两侧仓的土体中钻孔，间隔性取样测定两边土体中所述钻孔位置污染离子的浓度；

（5）根据测得的污染离子浓度数据，计算污染离子扩散系数，离子迁移参数与水泥土薄墙参数的关系，并确定满足一定设计年限下的水泥土薄墙的厚度。

上述步骤(1）中，所述制作的水泥土薄墙厚度为1cm至3cm，水泥掺入量为3%至12%。

上述步骤(1）中，在长方形盒状模型箱上制作水泥土薄墙的实施步骤为：

（a) 在制作好的长方形盒状模型箱上的水泥土薄墙设定安装位置平行放置两块PVC板，两块PVC板之间放置一块PVC多孔板，所述PVC多孔板与隔离出来的中间仓一侧的PVC板相贴合，PVC多孔板和另一块PVC板之间的板间间距与所述水泥土薄墙厚度一致，往其间添加水泥土、成型；

（b) 在长方形盒状模型箱内侧面与所述PVC板固定连接位置处增设用于固定所述PVC板的筋条；

（c) 待水泥土薄墙得到养护、有一定强度后，拆除PVC板，在水泥土薄墙位于两侧仓的一侧加设不锈钢支撑网，再经过养护、稳固，即完成长方形盒状模型箱上水泥土薄墙的制作。

上述拆除PVC板前后，水泥土薄墙的养护时间均为14天。

上述步骤(2）中的实施步骤为：

（a) 在两侧仓中分层装净土，边装土，边洒水，压实；

（b) 往净土中加水至饱和状态，持续一个半月后由出水口放水；

（c) 每天往两侧仓的净土中加水，然后放水，持续半个月，将土中的气体排出，模拟自然状态的土在自重作用下的沉实过程。

在上述步骤(4）中，第一次取样间隔时间为三个月，其后取样周期为一个月。在步骤(5）数据处理过程中，该室内检测方法中离子溶液渗透水泥土屏障的扩散过程以保守性物质在均质、饱和的半无限多孔介质稳定流中的一维平流——弥散方程来描述。

上述步骤(5）中计算离子扩散系数的过程为：

（a) 检测水泥土屏障与离子溶液交界面处的溶质浓度C₀；

（b) 在两侧仓的土体中钻孔，并在不同时间点t下,取样测定两边土体中所述钻孔位置污染离子的浓度C；

（c) 通过实验获得的不同时间点t的相对浓度C/C₀试验数据，将所述试验数据作曲线拟合，并参照由所述一维平流——弥散方程得到的理论曲线，获得离子扩散系数。

上述步骤(5）中计算离子迁移参数与水泥土薄墙参数的关系即测算离子扩散系数与水泥掺量的关系，通过制作若干具有相同厚度、不同水泥掺量的水泥土屏障，进行室内检测试验并获得相应的离子扩散系数，从而得出离子扩散系数与水泥掺量之间拟合关系曲线。

上述步骤(5）中确定满足一定设计年限下的水泥土薄墙的厚度，其测算过程如下：

（a) 选择一定厚度的水泥土屏障，确定水泥土屏障的设计年限，并确定在所述设计年限内水泥土屏障中水的最大的渗流速度；

（b) 确定污染离子溶液的击穿浓度Ce，即污染土中可接受的污染离子浓度，通过检测水泥土屏障与离子溶液交界面处的溶质浓度C₀，计算击穿水平Ce/ C₀；

（c) 通过室内检测试验求得所述水泥土屏障的扩散系数D，参照不同的扩散系数D情形下相对浓度C/C₀与水泥土屏障厚度的理论关系曲线，由所述击穿水平Ce/C₀对应得出满足所述设计年限下的水泥土薄墙的厚度。

本发明的优点是，试验装置简便、实用、经济，制作简单，可以通过实验室检测到的屏障外侧污染离子数据，从而可以求得污染离子在水泥土屏障中的扩散系数，解决了现场检测时间长、影响因素多的难题，还可以从试验室得到的迁移参数来得到迁移参数与屏障水泥含量的关系，通过计算可确定满足一定设计年限（即t一定）下的水泥土隔离屏障的厚度，还可以在已知屏障厚度下，确定污染离子通过屏障的击穿时间。

附图说明

图1为本发明室内试验装置结构示意图；

图2为本发明制作水泥土薄墙时的装置结构示意图；

图3为本发明制作水泥土薄墙时拆模后的装置结构示意图;

图4为隔离屏障的模型计算示意图；

图5为实施例1中相对浓度与时间的关系示意图；

图6为实施例1中扩散系数与水泥掺量的关系示意图；

图7为实施例2中一定设计年限下相对浓度与水泥土薄墙厚度的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

附图1-7中标号1-7标示的是：盒状箱体1、水泥土薄墙2、出水孔3、PVC板4、PVC多孔板5、筋条6、不锈钢支撑网7。

附图1为本发明室内试验装置结构示意图。如图1所示，本发明的水泥土屏障隔离法处置效果的室内试验装置，主要由不带盖板的长方形盒状箱体1构成，盒状箱体1的侧板与底板均为PVC板，长方形盒状箱体内由两块平行的水泥土薄墙2分隔成三个空仓，分别为中间空仓与两侧边仓，中间可放置人工配制的污染土或污染溶液，两边可放置未污染的净土，结构简单。中间空仓的设计长宽比不小于2，其中，长方形盒状箱体侧板、底板以及水泥土薄墙之间连接无缝隙，不发生渗漏。

由图1可见，箱体的三个空仓中，两边空仓的侧板下方位置均开设有出水孔3，出水孔3处可安装水龙头，方便使用时放出土壤中的积水。为固定保护水泥土薄墙，还可以在水泥土薄墙的侧面设置不锈钢支撑网7或PVC多孔板5。

为制作上述室内试验装置中的水泥土薄墙，本发明提供的装置如图2、图3所示。图2为本发明制作水泥土薄墙时的装置结构示意图，图3为本发明制作水泥土薄墙时拆模后的装置结构示意图。从图2、图3可见，制作水泥土薄墙的装置具有跟图1所示相同的长方形盒状箱体，只是在图1所示每块水泥土薄墙的安装位置的侧面平行放置有两块PVC板4，两块PVC板间间距大小不小于水泥土薄墙厚度。如图2所示，每块水泥土薄墙2的安装位置平行放置的两块PVC板之间，设置有一PVC多孔板5，PVC多孔板5与中间空仓一侧的PVC板相贴合，PVC多孔板和另一块PVC板之间的板间间距与水泥土薄墙厚度一致，往其间添加水泥、使水泥土薄墙成型。同时，在制作水泥土薄墙时，在长方形盒状模型箱内侧面相应于PVC板位置处增设固定PVC板的筋条6，以加强固定PVC板。

待水泥土薄墙得到一定时间的养护、有一定的强度后，进行拆模，拆除PVC板4，如图3所示。为防止拆模后水泥土墙的变形和开裂，在水泥土墙两侧由PVC多孔板5和加装的不锈钢网7相支撑。再经过一段时间的养护、稳固，即完成长方形盒状模型箱上水泥土薄墙的制作。其中，拆除PVC板前后，水泥土薄墙的养护时间均为14天。

本发明的水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法具体步骤如下：

（1）用PVC板制作上述长方形模型箱，在长方形盒状模型箱上制作两块水泥土薄墙，水泥土薄墙将长方形盒状模型箱隔离成三个仓，并在两边仓中各开设一个出水孔；为了在有限的时间内取得数据，水泥墙可以做得薄一些（如1 cm、1.5 cm），水泥掺入量小一些（如3%、5%、7%）；

（2）待水泥土薄墙得到养护、稳定、拆模后，往模型箱两侧仓分层放置未污染的净土，边装土，边洒水，压实；往净土中加水至饱和状态，持续一段时间后由出水口放水；每天往两侧仓的净土中加水，然后放水，再持续一段时间，将土中的气体排出，模拟自然状态的土在自重作用下的沉实过程；

（3）将两侧仓的土中加水至饱和状态，在中间仓内加配置好的离子溶液（如Zn²⁺溶液），其水位面低于两边的土面；为了加快扩散的进行，可以把浓度配置得大一些；

（4）在两侧仓的土体中钻孔，先在两边的土体中紧靠水泥土墙位置钻孔，然后在离开墙不同的位置（如5cm、8cm）也钻孔；随着扩散的进行，在试验过程中，隔一定的时间（开始时间要长一些，如3个月，以后每隔一个月等）测定两边土体中孔中污染物的浓度。中间仓内由于配置的污染物的浓度较大，可以认为不变；

（5）根据测得的测量数据，计算离子扩散系数，离子迁移参数与水泥土薄墙参数的关系，并确定满足一定设计年限下的水泥土薄墙的厚度。

获得试验测量数据后，可进行离子扩散系数的计算，确定离子迁移参数与水泥土薄墙参数的关系，参照图4的隔离屏障的模型计算示意图，其原理如下:

为简化设计及保守性起见，污染物离子通过水泥土隔离屏障的运移规律可用保守性（非反应性）物质在均质、饱和的半无限多孔介质稳定流中的一维平流—弥散方程来描述：

（1）

式中v—单位时间内沿x方向的渗流速度（m/s）；D—溶质在屏障介质中的弥散系数（m2/s）；

假定：①水泥土多孔介质系统是半无限的；②水泥土多孔介质开始没有受污染；③污染源浓度是常数，则边界条件为：

c（x，0）=0

c（0，t） = c₀ （2）

c（∞，t）=0

式中c₀—常数，水泥土屏障/渗滤液交界面处的溶质浓度。

迁移方程（1）在上述边界条件（2）下的解析解：

= [erfc（z₁）+exp（z₂）erfc（z₃）] （3）

式中c—水泥土液相中的溶质浓度（mol/L）；x—离污染源的距离（m）；t—时间（s）。

erfc——余误差函数，erfc (z)=1 - erf（z），erf（z）=

z₁、 z₂、z₃定义如下：

z₁=

；z₂=

；z₃=

（4）

其中，若中间溶液中的液面高度和两边的土体中的水位面一样高，即V=0，则通过不同时间检测隔离屏障靠土一侧的孔中的污染物离子的浓度C，得到一定x（这里就是屏障的厚度）时浓度和时间的试验数据，再假设不同的D，代入上面的式（3）中，可得到理论曲线，去拟合试验曲线，可得到匹配的D值。

满足一定设计年限下的隔离屏障厚度的确定，其计算原理如下：

（1）选择设计标准

a. 选定设计寿命，一般至少30年，如果土中污染物的生物降解时间已知，就以这个时间作为设计寿命。

b. 确定在设施设计寿命期中土屏障中最大的渗流速度。

c. 决定污染物的击穿浓度Ce、可用水环境浓度。

（2）确定或估计设计中渗滤液的初始浓度C₀。

（3）计算击穿水平Ce/ C₀。

（4）通过实验室内测得的数据，求得扩散系数D。

（5）利用图表估计屏障的厚度。

实施例1：

（1）按照附图1所示制作两个长度为1.2米、宽0.3米、高0.3米的长方形模型盒；（2）土样采用淤泥质粉质粘土，风干后过0.5mm筛，备用；（3）在两个模型盒中制作1cm的4个薄墙均为1cm厚，水泥掺入量分别为5%、7%、9%、12%，按照前述的方法养护、拆模；（4）两个模型盒两边加未污染的土并分层压实；（5）不断加水使得土体饱和、沉实；（6）在两个模型盒的中间加入浓度为1000-3000g/L之间的Zn²⁺溶液；（6）大约3个月后开始测离子扩散到净土中的浓度（可事先在紧靠隔离屏障的土样中钻孔，取泥浆或水样离心后的清样，用原子吸收仪测定其中的阳离子浓度），以后约隔1个月测一次。

根据实验室检测到的屏障外侧（紧靠土体侧）的浓度数据，得到C/C0和时间t之间的关系曲线，如图5为本实施例中相对浓度与时间的关系示意图；从图5可以求得Zn²⁺离子通过4种水泥掺量屏障的扩散系数D。图5中，在一定的水泥墙厚度（如1cm）下，由试验室测得的屏障外侧（紧靠土体侧）浓度数据，得到C/C0和时间t之间的关系曲线，再假设不同的D，用式（3）用理论曲线去拟合，从而可以求得与试验数据匹配的扩散系数D（图中为D2）。

图6为本实施例中扩散系数与水泥掺量的关系示意图；由本实施例实验得到污染物离子Zn2+通过4个不同水泥掺量墙的扩散系数，可以拟合得出两者之间的关系。

实施例2：

本实施例计算在设计年限t=50年时的相对浓度与水泥土薄墙厚度的关系。图7所示为试验得出的一定设计年限下相对浓度与水泥土薄墙厚度的关系示意图。通过图7的拟合曲线，即C/C₀～x曲线，可以根据上述一定设计年限下的隔离屏障厚度的确定的计算原理，选择屏障的厚度。

本发明方法的特点是：

（1）可以通过实验室检测到的屏障外侧（紧靠土体侧）浓度数据，得到C/C₀和时间t之间的关系曲线，从而可以求得扩散系数D，解决了现场检测时间长、影响因素多的难题;

（2）可以从试验室得到的迁移参数(D)，来得到迁移参数(D)与屏障水泥含量的关系；

（3）可以确定满足一定设计年限（即t一定）下的水泥土隔离屏障的厚度。

Claims

1.一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于该检测方法步骤如下：

（1）制作一个长方形盒状模型箱，在长方形盒状模型箱上制作两块水泥土薄墙，所述水泥土薄墙将长方形盒状模型箱隔离成三个仓，并在两侧仓中各开设一个出水孔；

（5）根据测得的污染离子浓度数据，进行数据处理，计算离子扩散系数、离子迁移参数与水泥土薄墙参数的关系，并确定满足一定设计年限下的水泥土薄墙的厚度。

2.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于步骤（1）中所述制作的水泥土薄墙厚度为1cm至3cm，水泥掺入量为3%至12%。

3.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于步骤（1）中，在长方形盒状模型箱上制作水泥土薄墙的实施步骤为：

（1）在制作好的长方形盒状模型箱上的每块水泥土薄墙设定安装位置处平行放置两块PVC板，两块PVC板之间放置一块PVC多孔板，所述PVC多孔板与隔离出来的中间仓一侧的PVC板相贴合，PVC多孔板和另一块PVC板之间的板间间距与所述水泥土薄墙厚度一致，往其间添加水泥土、成型；

（2）在长方形盒状模型箱内侧面与所述PVC板固定连接位置处增设用于固定所述PVC板的筋条；

（3）待水泥土薄墙得到养护、有一定强度后，拆除PVC板，在水泥土薄墙位于两侧仓的一侧加设不锈钢支撑网，再经过养护、稳固，即完成长方形盒状模型箱上水泥土薄墙的制作。

4.如权利要求3所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于拆除PVC板前后，水泥土薄墙的养护时间均为14天。

5.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于步骤（2）中的实施步骤为：

（1）在两侧仓中分层装净土，边装土，边洒水，压实；

（2）往净土中加水至饱和状态，持续一个半月后由出水口放水；

（3）每天往两侧仓的净土中加水，然后放水，持续半个月，将土中的气体排出，模拟自然状态的土在自重作用下的沉实过程。

6.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于在步骤（4）中，第一次取样间隔时间为三个月，其后取样周期为一个月。

7.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于在步骤（5）数据处理过程中，该室内检测方法中离子溶液渗透水泥土屏障的扩散过程以保守性物质在均质、饱和的半无限多孔介质稳定流中的一维平流——弥散方程来描述。

8.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于所述步骤（5）中计算离子扩散系数的过程为：

（1）检测水泥土屏障与离子溶液交界面处的溶质浓度C₀；

（2）在两侧仓的土体中钻孔，并在不同时间点t下,取样测定两边土体中所述钻孔位置污染离子的浓度C；

（3）通过实验获得的不同时间点t的相对浓度C/C₀试验数据，将所述试验数据作曲线拟合，并参照由一维平流——弥散方程得到的理论曲线，获得离子扩散系数。

9.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于所述步骤（5）中计算离子迁移参数与水泥土薄墙参数的关系即测算离子扩散系数与水泥掺量的关系，通过制作若干具有相同厚度、不同水泥掺量的水泥土屏障，进行室内检测试验并获得相应的离子扩散系数，从而得出离子扩散系数与水泥掺量之间拟合关系曲线。

10.如权利要求1所述的一种水泥土屏障隔离法处置效果的室内检测方法，其特征在于所述步骤（5）中确定满足一定设计年限下的水泥土薄墙的厚度，其测算过程如下：

（1）选择一定厚度的水泥土屏障，确定水泥土屏障的设计年限，并确定在所述设计年限内水泥土屏障中水的最大渗流速度；

（2）确定污染离子溶液的击穿浓度Ce，即污染土中可接受的污染离子浓度，通过检测水泥土屏障与离子溶液交界面处的溶质浓度C₀，计算击穿水平Ce/ C₀；

（3）通过室内检测试验求得所述水泥土屏障的扩散系数D，参照不同的扩散系数D情形下相对浓度C/C₀与水泥土屏障厚度的理论关系曲线，由所述击穿水平Ce/C₀对应得出满足所述设计年限下的水泥土薄墙的厚度。