化学和应力耦合作用下填埋场钠基膨润土衬垫渗透破坏机理研究

Leachate seeps through a landfill can pose a significant threat to aquifers, rivers, lakes and watersheds. The use of geosynthetic clay liner (GCL) in lining of landfills and polluted area is well established worldwide, as an effective and efficient system for creating a fluid barrier. However, GCL is relatively new material and its permeation performance is still not well understood in a complex geological environment. The research aims at studying the seepage mechanism of sodium bentonite geosynthetic clay liner (GCL). For this purpose, the effect of different valence cations, the chemical elements concentrations and the vertical stress on permeation and microstructure of GCL will be experimental studied. The coupling effect of leachate and vertical stress on the evolution laws of microstructure and seepage mechanism of GCL will be explored. The evolutionary process of the microstructure features and the permeation measurements will quantitatively characterized accordingly. The nonlinear relationship between permeability of GCL and microcosmic structure of sodium bentonite clay will be analyzed. Analytical models and numerical solutions for leachate transport through a GCL will be developed. Research results not only provide the technological data for designing and constructing of the GCL in landfills, but also extend the theory of geo-environment and geosynthetics.

垃圾渗沥液泄漏是目前垃圾填埋场引发水土环境灾害的主要原因，钠基膨润土衬垫是近年我国新建和扩建填埋场采用的关键防渗材料，但在复杂地质环境下，其渗透破坏机理尚不明确。本项目针对复杂地质环境下填埋场钠基膨润土衬垫渗透破坏的关键科学问题，从多场耦合和微观分析理论角度，开展化学和应力耦合作用下填埋场钠基膨润土衬垫的渗透试验和微观测试分析试验，揭示化学和应力耦合作用下填埋场钠基膨润土衬垫的渗透破坏机理。基于多孔介质力学和分子力学理论，提出化学和应力耦合作用下填埋场钠基膨润土衬垫渗透特性宏微观统一本构模型及数值求解方法。最终将本构模型程序模块化并植入到离散元软件中，结合工程实际分析和评价复杂地质环境下填埋场钠基膨润土衬垫的防污性能。该项目研究成果将为我国目前急需的稳定、卫生、经济的垃圾填埋场设计方法提供科学依据，同时促进环境岩土和材料科学的学科交叉，进一步发展和完善环境岩土本构理论。

垃圾渗沥液泄漏是卫生填埋场引发水土环境灾害的主要原因。钠基膨润土衬垫（GCL）是目前新建和扩建填埋场最常采用的关键防渗材料之一，但是，复杂地质环境下，GCL的防渗性能和渗透破坏机理尚不明确。本项目针对复杂地质环境下GCL渗透破坏的关键科学问题，自主研发了测试化学和应力耦合作用下GCL防渗性能的试验装置，研究了化学和应力耦合作用下GCL防渗性能的变化规律；基于多孔介质理论,通过建立COMSOL数值模型，研究了GCL防渗性能与颗粒尺寸、有效孔隙率、流径尺寸以及曲折度等结构性参量之间的非线性关系，提出了定量表征化学和应力耦合作用下填埋场GCL结构性演化规律和防渗性能的理论计算模型。并基于遗传算法，给出了GCL膨胀性能和防渗性能的半经验预测模型。结合项目研究成果和填埋场亟需，增加了改性GCL防渗性能的研究，初步验证了其有效性。项目研究结果表明，有效孔隙率、贯通流径尺寸及曲折度是影响GCL防渗透性能的关键参数。颗粒越小，GCL的防渗性能越好，但相应对颗粒尺寸的变化也越敏感。在一定范围内，增大上覆应力能明显地提高GCL的防渗性能。但对于GCL和土工膜界面，化学溶液和高应力作用会导致GCL内部首先出现剪切破坏，进而迅速降低GCL的防渗性能。此外，高浓度单价阳离子和低浓度二价阳离子均会明显地降低GCL的防渗性能，其中高价阳离子会明显地放大材料不均匀性造成的优势流现象，且非均质的垃圾渗沥液更容易穿透GCL。因此，填埋场使用GCL初期，应施加一定的上覆压力。复杂地质环境下，应尤其提高GCL的剥离强度。强侵蚀渗沥液下，应避免使用传统的GCL。同时，化学和应力耦合作用下GCL的防渗性能与蒸馏水作用时存在明显差异，但我国目前对GCL的测试标准仍主要以蒸馏水为主，因此，应尤其加强对复杂环境下GCL防渗性能的评价，并提出相关测试标准以指导工程实际。综上可见，本课题的研究成果对填埋场复合衬垫的科学设计、生态安全以及防污性能评价等都具有重要的意义，研究成果不仅促进了对复杂环境下GCL防渗性能及破坏机理的深入理解，同时推动了多场耦合作用理论和土工合成新材料的发展，进一步完善了环境岩土本构理论。