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环境岩土工程研究进展

陈云敏,詹良通,朱斌

(浙江大学)

1 引言
        自从20世纪80年代以来,我国的人口、工业、能源利用及土木工程建设高速发展,这些活动给我们赖以生存的大气圈、水圈及岩土圈环境带来了巨大的负荷,环境问题已成为制约我国经济社会可持续发展的主要因素之一。为了解决岩土圈环境负荷问题,岩土工程中一门新兴分支学科——环境岩土工程应运而生,它是利用岩土工程理论和技术来改善和解决人类活动和自然环境渐变对岩土圈环境造成的负荷,是岩土工程学科和环境科学与工程学科交叉的结果[1-3]。目前国内外对环境岩土工程学所涵盖的研究内容还没有统一的认识,有些学者认为其主要涉及人类生活、生产及工程活动所造成岩土圈环境污染问题(所谓小环境问题) [4],而其他学者认为其还应包括自然环境渐变或大规模人类活动造成大面积滑坡、泥石流、区域性地面沉降或塌陷、海水入侵、土壤退化、环境振动等问题(所谓大环境问题) [5-7]。本文依据国际土力学及岩土工程学会(ISSMGE)下属的环境岩土工程专业委员会(TC5)的最新发展报告所列主题[4],主要论述我国对小环境岩土问题的研究现状和进展。

2 研究现状
        1) 国外研究现状
        近20年多来,环境岩土工程研究在欧美等发达国家发展很快,已逐步从科学研究走向工程实践与应用阶段。1997年,美国土木工程师学会(ASCE)关于岩土工程的权威会刊《岩土工程学报》(Journal of Geotechnical Engineering)已改名为《岩土与环境岩土工程学报》(Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering)。国际土力学及岩土工程学会(ISSMGE)于1987年成立环境岩土工程专业委员会(TC5),目前已组织召开了5届国际环境岩土工程大会(Int. Congress on Environmental Geotechnics),分别在加拿大埃德蒙顿(1994)、日本大阪(1996)、葡萄牙里斯本(1998)、巴西里约热内卢(2002)和英国卡迪夫(2006)。从最近两届国际环境岩土工程大会论文集可以看出,目前国外环境岩土工程学研究内容主要包括:(1)岩土环境风险评价、管理和可持续发展;(2)污染物运移、扩散和持久性;(3)高污染性固体废弃物(城市生活垃圾、工业危险废物、高水平放射性核废料等)填埋处置及工程屏障;(4)采矿区环境岩土工程问题及尾矿处置;(5)地下水污染评价及修复;(6)污染土及修复;(7)水下底泥污染控制和修复;(8)低污染性固体废弃物(疏浚淤泥、劣质粉煤灰、高炉矿渣等)在土工中再利用。

        2) 国内研究现状
        我国的环境岩土工程科学研究从20世纪90年代刚刚起步,近十年发展得比较快,相继召开若干有关环境岩土工程的学术研讨会,如2002年由土木工程学会、土工合成材料协会和环境科学学会联合主办的首届全国环境岩土工程及土工合成材料学术会议(杭州,浙江大学),也相继出版了若干有关环境土工的译著或专著,如《土力学与环境岩土工学》(胡中雄,1997)[8],《城市环境与岩土工程》(罗国煜,2000)[7],《现代卫生填埋场设计与施工》(钱学德等,2001)[9],《环境与岩土工程》(周健等,2001)[10]。
        近十年来,我国环境岩土工程研究所涉及内容与国外目前主要研究内容大同小异,下面就以下6个主要方向阐述国内目前的研究现状:
        (1)在高污染性固体废弃物的填埋处置方向,我国已在城市生活垃圾的工程特性及其填埋技术方面开展了较为系统的研究,并将研究成果应用于各大、中城市的垃圾填埋场工程实践。在工业危险废物综合利用和填埋处置方面已开展了一些理论研究和工程实践,国内一些主要大城市正在兴建危险废物填埋场。在高水平放射性核废料填埋处置方面的研究尚处于起步阶段,我国已积累的核废料,仍然以放射性废液的形式存放于废物罐中,尚未进行固化处理和填埋处置。
        (2)在低污染性固体废弃物(疏浚淤泥、劣质粉煤灰、高炉矿渣等)在土工中再利用方向,近些年国内的研究和实践非常活跃,主要研究工作包括将粉煤灰或高炉矿渣作为稳定化材料或轻质填方材料在路基工程中再利用,将疏浚淤泥进行固化处理作为填土材料使用,将废旧轮胎加工成轻质填筑材料或在挡土结构中应用。
        (3)在采矿区环境岩土工程问题及尾矿处置方向,近十年来国内的研究和实践一直比较热,主要研究工作包括各种尾矿的工程特性和浸出毒性,尾矿坝的静、动力稳定分析及设计方法,尾矿渗滤液的渗漏、扩散及控制,矿产采空区地面塌陷及治理,以及将尾矿材料作为填土材料在道路工程中应用。
        (4)在地下水污染评价、控制与修复方向,目前国内的研究工作侧重于地下水污染成因的调查和分析,我国从2005年已经开始了首轮全国性的地下水污染调查和评价。在地下水污染评价方法和控制技术方面已开展了一些理论和实践研究,而在地下水污染修复方面主要是总结和吸收欧美发达国家的技术和经验。
        (5)在土体污染评价、控制与修复方向,国内的研究工作侧重于污染物在土中运移的模拟、污染土的生物修复技术,在砷污染土的植物修复技术等方面取得了重大进展,而在其它修复技术(如动电修复技术)方面主要是总结和吸收欧美发达国家的技术和经验。我国将从2007年开始进行全国性的土体污染调查和评价,目前国内尚未建立完善的土体污染评价标准和监控体系。
        (6)在水下底泥污染控制和修复方向,国内的研究工作侧重于各江河湖海底泥污染程度的调查和评价,底泥中营养物质及污染物的释放机理,底泥的环保疏浚技术,而在底泥污染控制和原位修复技术(如覆盖技术)方面主要是总结和吸收欧美发达国家的技术和经验。

3 研究进展
        在上述研究方向中,我国环境岩土工程工作者在城市生活垃圾的工程特性、填埋处置及污染控制技术方面的研究最为系统、也最具有代表性,因此下面就着重阐述这个方面的研究进展。
        截止至2004 年底,我国661个市的城市生活垃圾清运量达1.52 亿吨/年,其中87.7%的垃圾采用填埋方式处置,目前我国各大、中型城市已建成800多个垃圾填埋场,许多大城市正在扩建填埋场。垃圾填埋场是城市化过程中产生的新型土工构筑物,其存在的主要环境岩土工程问题包括:(1)垃圾堆体静、动力稳定问题;(2)垃圾堆体沉降及填埋场库容问题;(3)填埋气体迁移及其收集问题;(4)填埋场水或渗滤液运移及其导排问题;(5)垃圾渗滤液渗漏、扩散及其控制问题。上述问题的核心科学问题是垃圾填埋场中应力场、渗流场、变形场、温度场、化学浓度场等多场相互作用,国家自然科学基金委于2005年在此方面资助了一个题为“城市生活垃圾填埋固、液、气相互作用及土力学机理”,由浙江大学、同济大学和大连理工大学共同承担。下面就上述问题阐述国内的研究进展。

1)城市生活垃圾抗剪强度特性及垃圾堆体静动力稳定
        垃圾堆体稳定是实现填埋场环保功能的前提,目前国内外垃圾堆体失稳事故已有100多例,其后果大多是灾难性的。影响垃圾堆体稳定的主要因素包括垃圾堆体高度和坡度、垃圾的抗剪强度特性、填埋场底部衬垫系统的界面强度特性、填埋场中渗滤液水头高度等。在垃圾的抗剪强度特性方面,已针对我国以食品垃圾为主的垃圾组分特点开展了一系列室内测试和现场试验研究,揭示了垃圾的强度应变硬化机理,在国际上首次定量测试了垃圾的抗剪强度与填埋龄期的关系,提出了垃圾强度参数的应变取值标准和按龄期分层取值方法,获得了可供国内填埋场高度和坡度设计的强度参数取值范围(c= 0-25 kPa;=10-26)。我国环境岩土工程工作者还对杭州天子岭、苏州七子山等重点填埋场中渗滤液水位进行监测,发现了国内填埋场中渗滤液水头普遍比欧美发达国家高的特点。在衬垫系统中界面的抗剪强度特性测试方面,我国已自主研制和引进大尺寸界面直剪试验设备,已开始对国内填埋场常用的衬垫系统材料界面特性进行测试研究。基于上述测试结果,提出了填埋场垃圾堆体稳定分析方法,如三楔体极限平衡分析法,并结和国内数个大型填埋场扩建工程进行垃圾堆体稳定性分析和评价,揭示了填埋场水头高度、衬垫系统薄弱界面强度、地震加速度等关键参数对稳定的影响规律。
        在垃圾动力特性和堆体动力稳定方面,利用大尺寸动三轴仪测试了垃圾试样(20cm50cm)在较大应变范围的动模量和阻尼比,还在现场利用表面波频谱分析法和单孔法测试了垃圾的剪切波速,为我国垃圾填埋场动力稳定分析提供了必需的参数。针对现代卫生填埋场的典型结构形式,进行了一系列的振动台模型试验,发现了垃圾堆体在地震作用下的主要破坏模式是沿底部衬垫系统中土工膜接触面发生较大的永久位移。基于上述试验结果,提出了基于Newmark法的地震永久变形计算方法和堆体动力稳定分析方法,并结合我国某填埋场扩建工程对其多种扩建方案的地震稳定性及永久位移进行比较分析,发现当渗滤液水头较低时扩建填埋体沿新老填埋体交界面失稳的可能性大于扩建堆体内部失稳及沿老填埋体底部失稳,扩建填埋体沿新老堆体交界面的地震永久位移的对数近似与屈服加速度同最大水平等效加速度的比值成线性关系。
        上述研究成果已应用于我国杭州天子岭和苏州七子山垃圾填埋场扩建堆体稳定性评价(如图1和2所示),为这两个大型填埋场扩建工程中存在新老堆体间薄弱界面稳定问题的解决提供了重要依据。


2)城市生活垃圾压缩特性及垃圾堆体沉降
        垃圾堆体的压缩变形直接影响了填埋场容量的预测与设计,堆体的显著沉降可能导致填埋气体收集管道及封顶系统中防渗层破裂失效,并影响封场后的土地的重新利用。垃圾堆体的沉降变形主要包括自重作用引起的主压缩、次压缩以及有机质降解引起的压缩,其中有机质降解引起的压缩比较复杂。最近10年,我国环境岩土工程工作者已针我国垃圾组分特点对其力学压缩特性开展了大量室内测试工作,通过现场钻孔获得不同填埋深度的垃圾原状样,定量测试了垃圾的主压缩指数与填埋龄期的关系,获得了主压缩系数和次压缩系数修正值的取值范围(Cc=0.1~0.3;Ca=0.01~0.1),
        在垃圾降解压缩特性方面,利用单柱试验和多柱串联试验模拟垃圾生物降解过程,研究了各种易腐有机物(总糖、纤维素、木质素、半纤维素、脂肪和蛋白质)在厌氧和好氧条件下的降解规律,发现我国城市生活垃圾(以食品垃圾为主)具有与欧美发达国家垃圾不同的降解特征:即在填埋初期受甲烷化代谢控制,进入甲烷生成阶段后再受水解过程控制,提出采用纤维素/木质素的比值来定量表征指示填埋垃圾降解程度的指标。根据填埋垃圾所受的上覆压力和温度情况,研制了大尺寸温控降解-压缩仪,测试垃圾的长期降解压缩曲线。另外,我国还对一些填埋场的长期沉降进行监测,发现封场后总沉降量可达初始填埋高度的25%。
        基于上述测试成果,揭示了我国城市生活垃圾压缩机理,提出一个基于时间线的垃圾压缩本构模型,并针对垃圾分层填埋特点,提出了可考虑垃圾填埋历史的堆体沉降计算方法,并编制了国内首个“填埋场沉降分析及容量计算软件”。这些研究成果已应用于我国苏州七子山垃圾填埋场老场沉降及不均匀沉降分析(如图2所示),为该大型填埋场扩建堆体底部衬垫系统的可靠性设计提供了重要依据。

3)填埋气体迁移及收集
        城市生活垃圾中有机质降解会产生大量气体(主要是甲烷和二氧化碳),若填埋气体管理不善,会引起火灾甚至爆炸,国内已发生20多例,另外填埋气体释放到空气中会加剧温室效应。因此,垃圾导气特性研究、填埋气体迁移分析及其导排和收集系统的设计非常重要。我国环境岩土工作者采用自制的垃圾导气系数测试装置,研究了垃圾的孔隙比、饱和度、降解程度、各向异性等对垃圾导气特性的影响,发现导气系数随孔隙比的增加呈指数增加;当垃圾中含水量超过田间持水量时,导气系数随饱和度的增加呈指数降低;垃圾降解导致的组分变化对导气系数的影响小于孔隙比或饱和度的影响;垃圾水平方向的导气性显著大于竖直方向的;获得了我国垃圾导气系数的取值范围(10-8-10-5m2Pa-1s-1)。
        基于上述测试结果,根据垃圾填埋场工程特点,基于多孔介质流体动力学理论,建立了填埋垃圾气体运移的一维和二维轴对称模型,获得了一维稳态和瞬态数值解、二维稳态数值解和无覆盖层垃圾的一维稳态解析解,分析了垃圾的产气率和气体渗透系数以及覆盖层对填埋气体运移的影响,获得了各种工况的垃圾中气体压力分布,并分析了抽气井埋深和抽气压力对抽气量和气压力分布的影响,为填埋场导气竖井直径、水平间距等重要参数设计提供了依据。
4)垃圾填埋场水与渗滤液运移及导排
        填埋场内雨水入渗、垃圾的压缩和降解将产生大量渗滤液,其中含有大量有毒有害的污染物。我国南方地区雨水丰富,加上填埋场雨污分流措施不当和渗滤液导排系统失效,以致填埋场内渗滤液水头很高,直接影响了垃圾堆体边坡的稳定性,给渗滤液防渗系统造成很大的压力,可能加剧渗滤液的渗漏与扩散,水分过多还可能抑制垃圾降解,延长填埋体稳定化进程,并影响填埋气体的导排和收集。因此,垃圾的持水和导水性能研究、填埋场内水分运移分析以及渗滤液导排系统的设计对填埋场的安全和卫生非常重要。
        我国环境岩土工作者已针对我国城市生活垃圾组分的特点,对其持水特性和导水特性进行了测试研究。采用Tempe仪和压力板仪测试城市生活垃圾持水曲线,研究了垃圾的组份和孔隙比对垃圾持水曲线的影响,获得垃圾持水曲线的进气值、残余含水量和田间持水量等特征指标。自主研制了大尺寸压缩-渗透仪,研究了垃圾压实度对其导水系数的影响,获得导水系数与孔隙比的双线性关系(在半对数坐标上)。提出采用Campbell公式预测了垃圾非饱和渗透性函数的方法,并经过室内试验验证。
        基于上述测试成果,结合我国南方典型的山谷型填埋场工程,考虑存在中间覆盖层和截洪沟失效等情况,开展垃圾填埋场非饱和–饱和渗流分析,揭示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,证实了填埋场雨污分流措施不当和渗滤液导排系统淤堵是造成填埋场中水头高的主要原因。上述研究成果为指导我国南方填埋场环库截洪沟、填埋作业临时覆盖及渗滤液导排系统设计提供了重要依据。
5)垃圾渗滤液渗漏、扩散及其控制
        渗滤液防渗系统是垃圾填埋场实现环保功能所必需的最重要组成部分,其建设费用往往占到整个填埋场投资的1/3。我国垃圾填埋场工程常用的防渗系统包括两种类型:一是垂直防渗帷幕系统,一般用于老一代山谷型填埋场;二是水平防渗系统(又称衬垫系统),包括天然粘土类衬垫、改性粘土类衬垫及人工合成衬垫。我国最近几年新建和扩建的填埋场大多数采用后一种防渗系统中人工合成衬垫,该衬垫系统主要由压实粘土层、HDPE土工膜、土工聚合膨润土垫(GCL)等组成,根据它们的不同组合型式分成复合衬垫、单层衬垫和双层衬垫三种结构类型。垃圾渗滤液通过衬垫系统的渗漏与扩散机理研究是衬垫系统合理设计和施工的基础。
        我国环境岩土工作者针对我国垃圾填埋场常用的衬垫系统结构型式,分别建立无机污染物(如重金属)和易挥发性有机污染物通过衬垫系统的一维渗漏与扩散模型,分析了渗滤液水头高度、污染物种类及浓度、粘性土的吸附特性、衬垫系统底端的边界条件等关键参数对不同结构型式的渗漏与扩散的影响规律。研究发现:对于挥发性有机污染物,土工膜和GCL组成的复合衬垫的浸出液总量要比土工膜和较厚粘土层组成的复合衬垫高好几个量级;现有的基于线性吸附、零浓度底端边界等假设条件的扩散模型会高估衬垫系统的击穿时间。基于上述研究成果,针对我国填埋场寿命(即运营时间和稳定化历时之和)和国内现有施工水平,提出了合理、经济的衬垫系统结构型式及粘土层厚度的取值标准,为我国填埋场衬垫系统设计和施工提供了重要依据。
        HDPE土工膜是衬垫系统中最主要防渗层之一,由于其很薄(1.5-2mm),在施工及后续运营中易发生破损,其漏洞数量直接关系到垃圾渗滤液渗漏量。针对垃圾堆体显著沉降变形可能导致斜坡上土工膜受拉破坏的问题,考虑土工膜—粘土界面的应变软化特性,建立土工膜受力分析模型,结合我国填埋场斜坡上衬垫系统的设计特点,分析了土工膜上覆堆体高度、斜坡坡度、土工膜锚固长度及界面抗剪强度特性对土工膜拉应力和变形的影响规律,为斜坡上衬垫系统的设计和施工提供了理论依据。针对填埋场竖向扩建工程新老堆体间衬垫系统可能由于老场沉降或局部沉陷而发生破坏问题,基于土拱效应和膜的大变形理论,建立了较为严谨的二维膜沉陷-张拉分析模型和分析方法,结合苏州七子山填埋场竖向扩建工程,分析了老填埋场沉陷半径、不均匀沉降量等对土工膜的内力和变形的影响,分析结果表明:沉陷半径和安全系数的选择对衬垫系统的设计影响最大,通常在设计中选择0.9~1.2m的沉陷半径已足够满足设计要求;在覆盖层衬垫系统的设计中,当沉陷半径大于1.2m时,其沉陷引起的“膜”内力不可忽视,建议采用土工格栅加筋保护。
        压实粘土由于吸附性能强、渗透系数小及价格经济等优势,被广泛应用于我国填埋场衬垫系统中。为了增强其截污能力,我国环境岩土工作者提出了采用施加电场的方法来牵制渗滤液中污染物通过粘土衬垫的迁移。基于电动原理,自主研制了粘土衬垫动电迁移模拟试验装置,研究了水和锌离子在电场、渗流场和浓度场作用下的迁移性状,以及电场作用对锌离子迁移速度的影响,试验结果表明:动电作用可以有效地阻滞锌离子在粘土中的迁移。
        在垃圾渗滤液通过衬垫系统渗漏与扩散检测和监测方面,我国环境岩土工作者通过引进、消化、吸收渠道获得了土工膜漏洞位置电学检测设备和技术,可用于衬垫系统施工过程中所造成的土工膜破损漏洞的检测,已应用于国内多个填埋场工程实践中,取得良好的效果。为了满足长期监测的要求,我国环境岩土工作者还将时域反射技术(TDR)应用于垃圾渗滤液通过衬垫系统渗漏监测,自主研制了测试探头和反射波分析方法。

4 结语
        随着我国城市化、工业化发展进程加快,我们赖以生存的岩土圈环境日益恶化,环境岩土工程问题已成为我国岩土工程和环境工程工作者的研究热点。最近十年,我国环境岩土工程工作者已在最典型的环境土工问题——“城市生活垃圾工程特性、填埋技术及污染控制”开展了较为系统的研究和工程实践,该方面的研究工作(包括研究思路和方法)将为今后其它方面环境岩土工程问题研究奠定良好的基础。在此同时,我国环境岩土工程工作者也紧跟着经济与社会发展的步伐,开始关注一些新出现的且日益紧迫的环境岩土工程问题,包括城市污水污泥、疏浚淤泥、工业固体废弃物、尾矿等的处置和资源化利用问题,土体和地下水污染防治问题,自然环境渐变或大规模人类活动造成区域性环境岩土工程问题等。

参考文献
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