GCL复合垂直防渗墙中污染物运移的一维解析解_肖成志.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 16;修回日期:2021 11 29基金项目:国家自然科学基金项目(41877255，52078182);国家重点研发计划项目(2019YFC1805004)作者简介:肖成志(1976 )，男，湖北监利人，教授，博士，博士生导师，主要从事土工合成材料方面的研究。E-mail:czxiao hebut edu cndoi:10 11988/ckyyb 202108542023，40(1):132 139GCL 复合垂直防渗墙中污染物运移的一维解析解肖成志1，陶子琪1，张金利2，谢世平3，何顺辉3，吴东彪4(1 河北工业大学 土木与交通学院，天津300401;2 大连理工大学 岩土工程研究所，大连116024;3 天津中联格林科技发展有限公司，天津300387;4 安徽省城建设计研究总院股份有限公司，合肥230051)摘要:为研究膨润土防水毯(GCL)和水泥 膨润土防渗墙组成的新型复合垂直防渗墙中有机污染物的运移机理，分别考虑水泥 膨润土防渗墙和 GCL 作用，以及污染物击穿 GCL 复合垂直防渗墙迁移到零浓度的潜水层中，建立了污染物在 GCL 复合垂直防渗墙中的一维运移模型，并给出了出口边界采用混合边界条件时的一维解析解，所得结果与 GeoStudio 软件数值模拟结果高度吻合，由此验证了解析解的正确性，进而采用一维解析解开展了参数分析。研究结果表明:GCL 层可以进一步提高垂直防渗墙的防污效果;有机污染物的半衰期主要影响水泥 膨润土防渗墙中的浓度分布，水泥 膨润土防渗墙的墙厚与渗透系数对墙体内部的污染物浓度分布和出口边界的污染物通量的影响较大。关键词:垃圾填埋场;GCL 复合垂直防渗墙;污染物;潜水层;解析解中图分类号:TU43文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0132 08开放科学(资源服务)标识码(OSID):One dimensional Analytical Solution of Pollutant Migration Through aComposite Vertical Barrier Wall with Geosynthetic Clay LinerXIAO Cheng-zhi1，TAO Zi-qi1，ZHANG Jin-li2，XIE Shi-ping3，HE Shun-hui3，WU Dong-biao4(1.School of Civil and Transportation Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401，China;2.Institute of Geotechnical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China;3.Tianjin Zhonglian Gelin Science and Technology Development Co.，Ltd.，Tianjin300387，China;4.Anhui Urban Construction Design and esearch Institution Co.，Ltd.，Hefei230051，China)Abstract:The aim of this research is to investigate the transport mechanism of pollutants in composite vertical bar-rier wall formed by combination of cement-bentonite cut-off wall and geosynthetic clay liner(GCL)A 1-D trans-port model of pollutants in GCL composite vertical barrier wall was established in consideration of the respectivefunctions of cement-bentonite impervious wall and GCL to simulate pollutants breaking through the GCL compositevertical barrier wall and transporting into the phreatic layer with zero concentration The analytical solution was ob-tained when mixed boundary condition was adopted for outlet boundary and was found to be in good agreement withthe numerical results of GeoStudio，hence verifying the feasibility of the solution Parameter analysis manifestedthat GCL could further improve the efficiency of GCL composite vertical barrier wall The half-life of organic pollu-tants mainly affected the concentration distribution of pollutants in the cement bentonite anti-seepage wall;thethickness and permeability coefficient of cement bentonite barrier wall significantly affected the concentration distri-bution of pollutants inside the wall and the pollutant flux at the outlet boundaryKey words:landfill treatment;GCL composite vertical barrier wall;pollutant;phreatic aquifer;analytical solu-tion第 1 期肖成志 等GCL 复合垂直防渗墙中污染物运移的一维解析解1研究背景目前，固体废弃物、有害垃圾堆场与未设防渗屏障的垃圾填埋场是造成地下土壤与水环境污染的主要根源之一，垂直防污屏障作为隔绝污染源的主要手段被广泛使用 1 2。传统的垂直防渗墙可一定程度上阻隔污染物，但往往产生施工接头易渗、墙体绕渗，以及由于施工质量造成墙体防渗性能下降等问题。因此，一种由水泥 膨润土防渗墙和膨润土防水毯(GCL)组合形成的新型复合垂直防渗屏障 GCL 复合垂直防渗墙应运而生，其利用传统垂直防渗墙来控制污染物运移，同时增设 GCL 层提升墙体整体防渗性能，由此满足高等级防渗要求。目前，这种新型 GCL 复合垂直防渗墙已在国内多个垃圾填埋场治理和污染场地修复工程中得到应用。然而，有机污染物在该新型垂直防渗墙中的运移机理方面的理论研究亟需加强。目前对污染物在黏土衬垫、复合衬垫等水平防污屏障中迁移的一维解析解进行了较多研究。主要体现在两方面，即运移机理的不同组合和设定的边界条件不同。众所周知，有机污染物在土工膜中的运移以扩散机理为主，陈云敏等 3 给出有机污染物在土工膜(GM)/压实黏土垫层(CCL)(或 GCL)中的一维扩散解;吴珣等 4 考虑 GCL/衰减层(AL)复合衬垫扩散 吸附作用，以及 AL 衬垫中的生物降解作用。然而，上述研究暂未考虑对流机理造成的影响，不适合非正规填埋场普遍存在的渗滤液水位雍高情形。基于GCL 中污染物稳态运输的假设，Xie 等 5 考虑了对流 扩散等机理对污染物运移的影响，Guan 等 6 将生物降解作用加入 GCL/AL 复合衬垫的一维解析解中。这些研究基于 GCL 中有机污染物稳态运移的假设，在考虑吸附作用的影响方面尚有欠缺。对于设定的边界条件，以往研究出口边界主要采用零浓度、零梯度与半无限边界 3 类常规边界条件。在复合衬垫中，Feng 等7 分别采用零浓度和半无限底边界条件，提出有机污染物通过由土工膜、土工合成黏土衬垫(GCL)和有限厚度土壤衬垫组成的复合衬垫的一维解析解;Xie 等5 建立基于半无限底部边界的 GCL/AL 复合衬垫运移的一维对流 扩散解析解。由于复合衬垫中下层衬垫多是有限的土壤保护层，渗滤液直接渗透复合衬垫进入周围土层，因此，大多数研究主要采用零浓度或者半无限边界条件。另外，针对复合衬垫下面存在的导排层，栾茂田等8 提出将含水层处理为出口边界条件，推导出一维解析解和数值解。张文杰等9 提出了采用Cauchy 边界模拟向零浓度环境传质，建立了有限厚度土层的一维对流 扩散 吸附解析解。结合当前在复合衬垫中常用的零浓度、零梯度与半无限边界 3 类条件，并根据 GCL 复合垂直防渗墙中不同层各自特点，考虑到 GCL 作为较薄的弱透水层，外侧则为一饱和含水层，将混合边界条件即Cauchy 边界应用到 GCL 复合垂直防渗墙的污染物运移模型是合理的。另外，考虑到有机污染物比无机污染物离子的危害更大10 11，本文重点研究有机污染物在 GCL 复合垂直防渗墙中的迁移机理，针对水泥 膨润土防渗墙与 GCL 组成的复合垂直屏障，分别考虑各防渗层中的污染物运移机理，同时考虑相应的出口边界条件，由此建立新型 GCL 复合垂直防渗墙中有机污染物运移的一维模型及解析解。并通过与 GeoStudio 软件数值模拟结果进行对比，验证解析解的正确性，研究结果将为 GCL 复合垂直防渗墙的设计与性能改进提供有益参考。2有机污染物运移数学模型与求解21基本假设图 1 为饱和环境下 GCL 复合垂直防渗墙中污染物运移模型示意图，取潜水面水位以下对应的GCL 复合垂直防渗墙进行分析，研究 GCL 垂直防渗墙中的污染物运移，基本假设为:复合垂直防渗墙不变形，孔隙体积不变;污染物迁移是一维的;污染物为单一有机污染物;考虑对流、分子扩散、机械弥散、吸附作用和生物降解作用;分子扩散遵循 Fick 第二定律，水泥 膨润土防渗墙与 GCL 的吸附均采用线性等温吸附。图 1污染物运移模型示意图Fig1Schematic diagram of pollutant transport model331长江科学院院报2023 年22有机污染物运移的控制方程这里考虑污染物的对流与扩散作用，如图 1 所示的 x 方向，其污染物通量 f 可表示为f=nvC nDCx。(1)式中:n 为孔隙率;v 为渗透速度(m/s);C 为孔隙水中的污染物浓度(g/m3);D 为水动力弥散系数(m2/s)。2 2 1水泥 膨润土防渗墙运移机理因水泥 膨润土防渗墙在复合垂直屏障中的作用为低渗透反应墙，不仅阻挡污染物的迁移，而且在有限厚度墙体内部吸附、反应以控制污染物迁移。因此，考虑生物降解作用来降低污染物浓度。由质量守恒定律可得污染物在水泥 膨润土防渗墙中迁移的控制方程为Va1Ca(x，t)x+Dh112Ca(x，t)x2 Ca(x，t)=Ca(x，t)t。(2)式中:Va为水泥 膨润土防渗墙的渗流速度(m/s);Ca(x，t)为墙体内 x 处 t 时刻孔隙水中污染物浓度(g/m3);为液相中生物降解作用的一阶衰减系数(s1);1为水泥 膨润土防渗墙吸附阻滞因子;Dh1为水泥 膨润土防渗墙的水动力弥散系数(m2/s)。其中:=ln2t1/2;1=1