环境岩土工程研究综述

地下水土环境污染评估、控制及修复已成为我国环保领域的重大需求。利用岩土工程的手段来解决水土环境污染问题是最为经济、最符合国情的途径之一,也是环境岩土工程工作者的优势所在。结合我国水土环境污染控制方面重大需求及现阶段我国迫需解决的环境岩土工程问题来阐述环境岩土工程研究及工程实践进展,主要包括城市固体废弃物可持续填埋处置,废弃泥的工程特性、工程处置及资源化利用,土体和地下水污染评价与防治和土工合成材料在环境岩土工程中应用。     

我国3种典型高岭土的固结、渗透及吸附特性

为了研究不同类型高岭土的物理、化学及土力学特性,通过压缩固结、渗透及等温吸附试验,确定国内硬质、软质和砂质3种典型高岭土的固结、渗透及吸附特性.试验结果表明：通过压缩固结,硬质、软质高岭土的饱和渗透系数可减小到1×10-7 cm/s,砂质高岭土的渗透、固结系数均比前两者高一个数量级.不同类型的高岭土吸附Pb2+、Cd2+的能力不同,吸附能力由高到低排序为硬质高岭土>软质高岭土>砂质高岭土.3种高岭土对Pb2+的吸附能力均显著高于对Cd2+的吸附,硬质、软质、砂质高岭土对Pb2+的吸附容量分别为6 347.2、3 105.5、2 672.7 mg/kg,对Cd2+的吸附容量分别为691.1、686.4、667.5 mg/kg.综合考虑这3类高岭土的物理、渗透和吸附特性以及制样的方便性,推荐采用软质高岭土作为压实黏土衬垫的实验模拟材料.     

Rowe型真空固结试验系统

为了研究天然软黏土在真空下的排水固结性状,组装了一套Rowe型真空固结试验系统,并对该系统的功能和标定试验结果进行了详细的介绍。该系统可开展不同边界条件、应力路径的试样的单元体固结试验,该套固结试验系统相比常规固结系统具有以下优点:它克服了传统固结试验手动加压的不足,实现了试验过程中的压力加卸载与数据采集的自动化;它能够直接测量固结试验过程中试样底部的孔隙水压力,自动读取、记录试验中试样底部的孔压和轴向位移等数据,数据量测精度较高,特别适用于开展软土的单元体固结试验。     

黄土–碎石毛细阻滞覆盖层储水能力实测与分析

中国西北地区气候较干旱,黄土分布广泛。就地取材采用当地的黄土作垃圾填埋场封场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济性。在西安江村沟垃圾填埋场建造了国内首个20m×30m大尺寸黄土–碎石毛细阻滞覆盖层现场试验基地,在基地开展了极端降雨试验。水量分配测试结果表明:总降雨量214.8 mm;坡面径流1.7 mm,占总降雨量的0.8%;土层存储(含蒸发)199.57 mm,占总降雨量的92.9%;渗漏13.53 mm,占降雨量的6.3%。基质吸力与水份运移规律分析结果表明:持续降雨条件下毛细阻滞覆盖层(900 mm)细粒土中表层土(15 cm深度以上)和底层土(85cm深度以下)的孔压(或体积含水率)均较高;底层土孔压(或体积含水率)较高是由于碎石–黄土界面间毛细阻滞效应对水份下渗的阻滞作用,这是有别于单一土层降雨入渗水份运移的显著特征。储水能力评估结果表明:极端降雨试验实测黄土–碎石毛细阻滞覆盖层有效储水量为251.95 mm。采用室内吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值S_(fac)为218.75 mm,实测值较理论值大15.18%,结果偏于安全。采用现场吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值比理论值小9.47%,偏于危险。防渗设计中建议采用室内吸湿土水特征曲线。     

垃圾填埋体中非饱和–饱和渗流分析

结合苏州七子山垃圾填埋场的工程项目，通过室内试验量测垃圾饱和渗透系数和土–水特征曲线，推导其渗透性函数，考虑存在中间覆盖层和截洪沟失效的情况，通过对垃圾填埋体中非饱和–饱和渗流分析，研究填埋单元内的水分运移规律以及中间覆盖层上局部滞水的形成规律。计算结果表明：填埋体中非饱和区域的基质吸力大多保持在3～6 kPa，对应的垃圾体积含水量为35%～40%，与实测含水量一致，说明推导出的渗透性函数可用于垃圾的非饱和–饱和渗流分析；中间覆盖层的存在可以大大降低雨水入渗量，但当截洪沟失效时，中间覆盖层是造成局部滞水的重要原因，计算得到的水位与现场测试结果相吻合。     

黄土覆盖层水–气耦合运移土柱试验及数值模拟

基于水分储存与释放机理的土质覆盖层在干旱和半干旱地区垃圾填埋场具有较好的应用前景。前人研究土质覆盖层大多侧重于其雨水存储及防渗性能,忽略了填埋气在覆盖层中的运移及其影响。通过在黄土土柱底部通入甲烷和二氧化碳等比例混合气体模拟填埋气在覆盖层运移,在土柱顶部施加3 cm常水头模拟雨水入渗对黄土覆盖层中气压分布以及各气体组分分布的影响。基于试验结果,利用商业软件Geo-Studio中的Air/W模块对黄土覆盖层水–气耦合运移进行了数值模拟与分析。研究结果表明:模拟雨水入渗降低了上层黄土的导气系数,导致土柱中气压显著增加,呈现出先增加至"突破值"然后回落至"稳定值";气压"突破值"约等于上部土体进气值;数值模拟能较好地模拟水分入渗过程并捕捉到气压变化趋势,但由于其无法模拟多组分填埋气在土柱中的复杂物理过程,导致气压的模拟结果与实测值存在差距。本文为更准确模拟分析土质覆盖层中水与填埋气耦合运移过程提供了一些建议。     

2010年“华夏建设科学技术奖”获奖项目(二等奖) 固体废弃物填埋场堆体稳定性评价及加固措施研究

一、立项背景目前我国各大、中型城市正在运营的440多个城市生活垃圾卫生填埋场,每年处理垃圾6865万吨,占垃圾清运总量的87.7%。随着城市生活垃圾产量的快速增长和垃圾填埋场的填埋量增加,垃圾堆体高度逐渐增加,填埋场内渗滤液水位随之增加,垃圾填埋场的堆体稳定问题逐渐凸现出来。按新标准建设的固体废弃物填埋场普遍采用水平衬垫系统,该系统界面间的抗剪     

非饱和导排层水分侧向导排作用模型试验验证与影响因素分析

生活垃圾填埋场终场覆盖层的主要功能是防渗。部分湿润气候区因降雨量较多、土层储水能力不足,毛细阻滞覆盖层防渗效果不佳。在毛细阻滞覆盖层中添加非饱和导排层(unsaturated drainage layer,UDL)是改善毛细阻滞覆盖层在湿润气候区防渗性能的措施之一。开展室内模型试验对毛细阻滞覆盖层中UDL的侧向排水作用进行了实测和验证,对影响UDL侧向导排长度的因素进行了数值分析。模型试验尺寸为2.0 m×1.0 m×0.4 m(长×宽×厚),结构剖面从上至下依次为粉土层(20 cm)、砂层(10 cm)和碎石层(10 cm)。试验结果表明:累计降雨量为882.2 mm,UDL侧向导排水量为9.5 mm,占土层入渗水量的13.7%,水分侧向导排作用可观。UDL侧向导排长度影响因素数值分析结果表明:①细粒土厚度和渗透性对导排长度的影响因降雨量而异,当降雨量较小时,细粒土层越厚、渗透性越低,侧向导排长度越长;②UDL厚度对水分侧向导排长度影响不明显;③UDL进水值越低,细粒土储水能力越大,细粒土侧向导排失效时间和UDL侧向导排介入时间越晚,但持续降雨后期导排长度衰减速度更快,进水值须根据当地降雨条件和覆盖层粗、细粒土水力特性综合考虑。     

高水头条件下氯离子击穿高岭土衬垫的离心模型试验研究

利用400 g-t土工离心机模拟了高水头条件下氯离子在高岭土衬垫中的一维运移及击穿过程。在1g条件下采用高含水率的高岭土泥浆加压固结制备形成衬垫模型,离心模型试验离心加速度50g,历时3 h 52 min,成功模拟了高水头条件下氯离子击穿黏土衬垫的过程。试验结果表明：离心状态下模型在高渗透压力作用发生再固结,在约30 min固结过程中模型发生了非稳定渗流,对早期污染物运移过程具有一定的影响,导致该运移过程与Ogata(1961)提出的污染物一维对流-扩散解析解的求解条件有所差异。采用等效时间的方法对试验结果进行拟合,根据拟合的参数预测原型的击穿时间,发现渗透系数为3.2×10^-9m/s的2 m厚黏土衬垫在上覆10 m水头作用下的击穿时间仅为1.97 a,稳定渗漏率为0.604 m/a。