封顶覆盖黄土气体渗透特性测试及填埋气一维运移分析

杨益彪 ，詹良通，王顺玉，陈云敏，赵云飞

（1.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058；2.贵州省交通规划勘测设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081；3.成都市固体废弃物卫生处置场，四川 成都 610042）

1 引 言

城市生活垃圾填埋场封顶覆盖层的主要作用是控制和减少雨水入渗和填埋气的无组织释放。覆盖层在服役过程中，由于降雨、蒸发蒸腾等作用，覆盖层含水率的改变将导致其气体渗透系数发生变化，进而影响填埋气在覆盖层中的运移和气压分布。而覆盖层底部气压的大小将影响覆盖层的安全稳定性和填埋气的释放速率。因此，研究覆盖层服役过程中含水率对其气体渗透特性的改变，并分析气体渗透系数对覆盖层底部填埋气压力及填埋气释放速率的影响，对于确保覆盖层安全稳定和控制填埋气释放有重要意义。

研究表明[1-2]，基于水分储存-释放原理的土质覆盖层在干旱和半干旱气候区可有效替代国内外现有标准推荐的复合覆盖层，从而降低造价，并可有效克服压实黏土覆盖层在气候干湿循环作用下易发生干缩开裂失效的问题。我国西北地区气候相对比较干旱，黄土分布广泛，黄土作为覆盖土料容易就地取材，目前西北地区已有个别城市填埋场采用黄土作填埋场终场封顶覆盖层的案例。然而目前国内外对于覆盖黄土的气体渗透特性及其对填埋气释放的控制效果研究较少。Wickramarachchi 等[3-4]和Hamamoto 等[5]分别研究了封场覆盖压实红土和粉砂土的气体传导特性，他们研究中均是采用负水头法和压力板仪来控制试样的吸力和含水率。刘奉银等[6]通过加水增湿的方法来改变试样含水率，研究了含水率对西安黄土气体渗透系数的影响；姚志华等[7]则以不同含水率土样制样，通过风干改变试样含水率，研究了含水率对兰州黄土气体渗透系数的影响。但加水增湿和风干的方法都很难使试样的含水率均匀改变，且采用不同含水率的土样进行制样会使试样中土颗粒结团程度和孔隙结构不同，使得试验中含水率不是影响试样气体渗透系数的惟一因素。关于填埋气运移和释放的研究方面，Townsend[8]提出了运用于均质垃圾堆体的填埋场气体一维运移模型，魏海云等[9]和马小飞等[10]提出了分层填埋垃圾中填埋气一维稳态运移分析模型，刘晓东等[11-12]分析了填埋场内生化降解作用下填埋堆体内的气压分布，但上述研究中均未详细分析覆盖层气体渗透性对填埋气运移及释放控制效果的影响。

本文以西安黄土为试验材料，利用渗析法控制吸力技术调节试样含水率后，测试不同服役含水率试样的气体渗透系数，研究覆盖层服役过程中含水率对覆盖层气体渗透特性的影响，并通过建立填埋气在覆盖层中的一维稳态运移模型，分析覆盖层气体渗透系数和抽气速率对填埋气释放控制效果的影响，相应地提出了垃圾填埋场的填埋气释放控制的措施。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料与试样制备

试验所用材料为取自西安某垃圾填埋场附近的Q2黄土，取土深度约为40 m（从已开挖形成的边坡上取土），其天然含水率为16.5%，天然干密度为1.508 g/cm3，其他基本物理指标如表1 所示。

表1 Q2黄土基本物理指标Table 1 Physical properties of Q2loess

黄土试样采用散粒土再压实法制备。土样预处理时将天然土用橡皮锤敲碎，然后过2 mm 筛得到散粒土样，测得其初始含水率为13.0%。试样制备时，根据拟定试验方案控制试样的干密度，将散粒土样于试样筒中分3 层静压而成，在两层交界处土面刨毛，以保证试样的均匀性。为避免试样筒边壁与土颗粒之间存在较大孔隙而产生边壁效应，压样前在试样筒内壁涂抹一薄层高岭土膏，可有效防止气体传输的边壁优势通道产生。

2.2 试验方案

本文试验主要研究黄土覆盖层压实度和干湿气象条件下服役含水率变化对气体渗透特性的影响。如果采用不同含水率土样进行压实制样会造成试样中土颗粒结团程度不同，进而影响试样的孔隙结构和气体渗透系数，这时含水率对气体渗透系数的影响不是纯粹由于服役过程中含水率变化而造成，也就是说，用上述方法难以模拟覆盖黄土在服役过程含水率变化对气体渗透特性的影响。因此，在本试验中，将预处理后的土样按干密度分别为1.279、1.449、1.620 g/cm3静力压实得到相同初始含水率（13.0%）的试样，然后利用渗析技术控制非饱和土基质吸力的方法来调节试样的含水率，这样从不同含水率试样测得的气体渗透系数能够反映覆盖层服役含水率对其气体渗透特性的影响。试验中试样的吸力分别控制为10、33、50、100、400、1 500、4 000 kPa。当试样达到吸力平衡后，称量试样质量计算出其含水率，然后测试各试样的气体渗透系数。试验设计方案如表2 所示。

2.3 试验仪器与方法

渗析技术是非饱和土吸力控制方法的一种，其原理是通过溶液浓度差产生渗透吸力[13-14]。溶液一般采用高分子溶液聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)，土样与PEG 溶液间用半透膜隔开，半透膜使得水分子可以通过，而大分子量的PEG 溶质分子无法通过。水将通过半透膜在试样与溶液间流动，直到试样中的吸力与溶液的渗透吸力达到平衡。

表2 黄土气体渗透特性试验方案Table 2 Schemes of gas permeability tests

Delage 等[15]试验表明，吸力与PEG 溶液浓度的关系可表示为

式中：s为吸力（MPa）；c为PEG 溶液浓度（g/g水）。

通过配制不同浓度的PEG 溶液，即可调节试样的吸力至对应值。试验时将试样两端用半透膜包裹并用夹具固定好后，将其放入与预定吸力值相对应的PEG 溶液中，一段时间后将试样取出，称其质量，当试样含水率变化小于0.02%/d，则认为试样与溶液即达到吸力平衡。

吸力控制装置如图1 所示，试验所用的PEG为PEG20000（GR），半透膜的截留分子量（MWCO）为12 000～14 000。

气体在覆盖层中的运移包括对流和扩散，本试验主要研究气体在覆盖层中的对流。由于在覆盖层下气体压力和大气压之间存在气压梯度，因而认为覆盖层中气体的稳态流动服从Darcy 定律[3,16-17]，即满足以下关系：

式中：vg为气体的流速（m/s）；kg为气体渗透系数（m2）；μg为气体的黏滞系数（Pa·s），在常温、常压下（20 ℃、1 个标准大气压）空气取值为1.81×为气体压力梯度（Pa/m）；Q为气体流量（m3/s）；A为材料的横截面积（m2）。

图1 试样吸力控制装置示意图Fig.1 Experimental apparatus for suction control

由式（2）可知，为了得到kg，试验中需要量测的主要参数为气体的压力梯度和Q。由于Q的测量受到压力和温度的影响，则需将试验时测得的流量修正为在常温、常压下（20 ℃、1 个标准大气压）的标准值。试验过程中，由于流量是在通向大气的末端测量，则无需进行压力修正；而温度为室温25±1 ℃，需进行温度修正，利用气体状态方程则可将其修正为20 ℃下的流量。

气体渗透系数测量装置如图2 所示，该装置主要有3 部分组成。第1 部分为供气调节部分，包括提供气源的空气压缩机、调节进气压力的调压阀、测量进气压力的压力表、调节与测量进气流量的玻璃转子流量计；第2 部分为试样气体渗透部分，由有机玻璃加工而成，包括底座、试样筒和顶盖，三者用法兰连接，连接处有O 型圈以保证气密性，试样筒内径为100 mm、高为50 mm，其间为拟测试样，与底座和顶盖连接后，试样两端有多孔板，底座底部开孔连接供气部分和试样底部气压测试设备，顶盖顶部开孔连接气体流量测试设备再与大气连通；第3 部分为测量显示部分，包括测量试样底部气体压力的U 型管和压力表、精确测量出气流量的电子皂膜流量计，其中U 型管和压力表分别可精确到0.01 kPa和1 kPa，电子皂膜流量计的精度为0.1 mL/min。

图2 气体渗透系数测量装置示意图Fig.2 Experimental apparatus for gas permeability measurement

3 测试结果与分析

3.1 试样含水率与控制吸力的关系

利用渗析技术控制试样吸力，吸力达到平衡后，试样体积含水率与吸力的关系如图3 所示，并采用VG 模型[18]进行拟合，VG 模型见公式（3）。

式中：θ为体积含水率；θr为残余体积含水率；θs为饱和体积含水率；ψ为吸力；α、n和m为拟合参数。

该测试结果与已有文献[19]中压实黄土的土-水特征曲线（SWCC）一致，但本文试验中的所有试样均是由含水率为13.0%的土样静压制成，试样初始含水率均为13.0%，3 种试样所对应的初始吸力值约分别为440、600、600 kPa，然后采用渗析技术使试样逐级增湿（吸力减小）或脱湿（吸力增大）来调节试样的含水率。因此，试验结果中10、33、50、100、400 kPa 的数据点属于吸湿点（即模拟雨水入渗造成含水率增加），而1 500、4 000 kPa的数据点属于脱湿点（即模拟蒸发蒸腾造成含水率降低）。由理论计算和图3 的试验结果可知，3 种干密度试样的饱和体积含水率θs约为40%～53%，田间持水率fθ（即基质吸力33 kPa 对应体积含水率）约为30%～37%，植被凋萎点（即基质吸力为1 500 kPa）对应体积含水率 θw约为15%～20%。根据Khire 等[20]关于土质覆盖层的储水能力计算可知，该黄土的储水能力较好。

3.2 服役含水率对气体渗透系数的影响

图4为干密度为1.279 g/cm3试样在不同含水率时测试其气体渗透系数时气体流速与压力梯度的关系曲线。从图4 中可以看出，气体流速与压力梯度具有非常好的线性关系，这表明在试验过程中，气体在土中的流动服从Darcy 定律。

图3 试样体积含水率与吸力的关系曲线Fig.3 Relationships between volumetric water content and suction

图4 试验中流速与压力梯度的关系曲线Fig.4 Relationships between flow rate and pressure gradient

利用吸力控制调节试样含水率后，再测试试样的气体渗透系数，即得到不同含水率下试样的气体渗透系数如图5 所示。从图5 中可知，3 种干密度试样的气体渗透系数均随试样含水率的增大而减小，干密度为1.279、1.449、1.620 g/cm3的试样在含水率为25.6%～11.0%范围内的气体渗透系数分别处于10-13～10-12、10-14～10-13、10-17～10-14m2量级。试样干密度越大，其气体渗透系数随含水率的增加减小得越明显。原因是干密度大的试样随含水率增加，其饱和度增大更为明显，试样中气体孔隙比例变得更小，连通性更差，从而表现出气体渗透系数减小得更快。由此可知，填埋场封顶覆盖施工时压实程度高的覆盖层在降雨等作用下，其气体渗透系数的减小比压实程度低的覆盖层更为显著。

图5 气体渗透系数与服役含水率的关系曲线Fig.5 Relationships between gas permeability coefficient and service water content

4 覆盖层气体渗透系数对填埋气压的影响分析及填埋气控制效果评估

4.1 填埋气压分析模型

对于某一特定的垃圾填埋场，在某一产气稳定阶段，填埋气在垃圾堆体和覆盖层中的运移及填埋气的释放量主要取决于垃圾堆体的产气速率和气体渗透系数，以及覆盖层的气体渗透系数。为便于分析，本文将土质覆盖层简化为防渗层和气体扩散层，其厚度分别为h11和h12，气体渗透系数分别为kg11和kg12；而垃圾层则简化为n 层均质垃圾，第i 层的厚度为h2i，气体渗透系数为kg2i，如图6 所示。

根据多孔介质流体力学理论[21]及马小飞等[10]对城市生活垃圾分层填埋体内气压分布的分析可知，一定时期内填埋场填埋体和覆盖层内填埋气的运移可简化为一维稳态控制方程表示，即对于某一层材料（垃圾或覆盖土）有

式中：kgi为气体渗透系数（m2）；pi为气体压力（Pa）；μ为填埋气黏滞系数（kg/(m·s)）；ω为填埋气摩尔质量（kg/mol）；R为气体常数（kg·m2/(s2·mol·K)）；T为气体开氏温度（K）；ai为垃圾产气速率，即单位体积垃圾在单位时间内所产填埋气质量（kg/(m3·s)）。

图6 填埋气压分析模型图Fig.6 Schematic of gas pressure in waste landfill

分析模型层与层之间的边界条件有两种表示方法，以第i 层和第i+1 层为例，有：①气压连续，即pi=pi+1；②气体流量连续，即qi=qi+1，其中流量qi可表示为

顶部边界条件一般为覆盖层顶部填埋气压力等于大气压；底部边界条件一般假设填埋场底部防渗系统为密封的，即填埋气流量为0。

表3 垃圾体各层的产气速率和气体渗透系数Table 3 Values of gas generation rate and gas permeability for every waste layer

本文参考马小飞等[10]采用Matlab 编程对控制方程进行求解，从而得到覆盖层和垃圾层内的气压分布，下面以填埋厚度为30 m 的填埋场为例，分析覆盖层气体渗透系数和抽气速率对填埋气控制效果的影响。假定填埋场垃圾层厚30 m，分析时将垃圾层分为5 层，每层厚度为6 m，垃圾体各层的气体渗透系数和产气速率参考马小飞等[10]的取值，如表3 所示。覆盖层的防渗层和气体扩散层厚度分别为0.8、0.3 m，防渗层气体渗透系数kg11采用本文中的黄土气体渗透系数测试结果，气体扩散层气体渗透系数kg12=3.0×10-9m2，由于覆盖层不产气，则产气速率为0。

4.2 覆盖层气体渗透系数对填埋气释放控制效果的影响

填埋场封顶覆盖层施工时，不同区域压实程度可能不同。而在干湿循环气象条件下，降雨等因素会使覆盖层含水率增加，蒸发和蒸腾作用则会使覆盖层含水率减小。由于以上两个因素，填埋场封顶覆盖层的不同区域在服役过程中，其气体渗透系数将处于较大的变化范围。本文以上述黄土气体渗透系数测试结果作为覆盖防渗层的气体渗透系数进行计算分析，得到填埋场在一定的产气速率下，当覆盖层的气体渗透系数介于5.60×10-17～1.06×10-12m2时，填埋堆体和覆盖层中的气压分布、覆盖层内的气压分布分别如图7、8 所示。

图7 不同覆盖层气体渗透系数下填埋堆体和覆盖层中的气压分布Fig.7 Gas pressure distribution of landfill and final cover with different gas permeability coefficients

图8 不同覆盖层气体渗透系数下覆盖层中的气压分布Fig.8 Gas pressure distribution of final cover with different gas permeability coefficients

从图7 中可以看出，填埋堆体内的气压随深度的增加而逐渐增大，该结果与已有研究结论[11-12]相符；且当覆盖层气体渗透系数较小时，覆盖层底部的气压积累较大，填埋堆体内的气压随深度变化相对较小，这说明此时覆盖层的“闭气”作用非常明显。而从图8 中可以看出，覆盖层内的气压分布表现为气压在防渗层中随深度增加而增加，而在气体扩散层中由于其气体渗透系数比防渗层的大很多而基本保持不变。在相同的产气速率条件下，覆盖层底部气压随覆盖层气体渗透系数的减小而增大；当覆盖层的气体渗透系数大于2.20×10-14m2时，覆盖层底部气压力小于3.06 kPa；当覆盖层的气体渗透系数为10-15～10-17m2时，覆盖层底部理论气压力可达几十千帕，甚至几百千帕，直接威胁着覆盖层稳定安全。

从覆盖层稳定安全角度考虑，封场覆盖层底部最大气压值应小于覆盖层的自重压力，否则覆盖层会发生气压顶托破坏。对于60～100 cm 厚度的覆盖层，如果抗气压顶托破坏的安全系数取2.0～3.0，则可估算其底部最大气压力应低于5 kPa，该气压值可作为封顶覆盖层顶托破坏控制的警戒气压值。因此，当降雨等因素使覆盖层含水率增加后，覆盖层气体渗透系数的减小会导致覆盖层底部填埋气压有较大增加，达到甚至显著超过警戒气压。此时应及时对气体扩散层进行负压抽气等措施，以减小覆盖层底部的气压力，以免覆盖层发生顶托破坏。

4.3 抽气速率对填埋气释放控制效果的影响

本文的填埋气一维稳态运移分析中，不同覆盖层气体渗透系数下的填埋气释放速率均为7.66×10-6kg/(m2·s)，即为垃圾层的产气速率，覆盖层的主要作用在于延缓填埋气的释放，使填埋气在覆盖层底部积累，即表现为填埋气压增大，从而为从覆盖层的气体扩散层实施负压抽气提供缓冲时间和抽气区域。因此，当覆盖层底部气压力接近警戒气压时，需要通过从覆盖层的气体扩散层实施负压抽气等措施来减小覆盖层底部气压。抽气功率的大小可用抽气速率q 来表示，即为填埋场单位面积上在单位时间内抽出填埋气的质量（kg/(m2·s)）。

图9为覆盖层防渗层的气体渗透系数kg11=5.30×10-15m2时不同的抽气速率下覆盖层中的气压分布。图10为覆盖层底部气压、填埋气释放速率与抽气速率的关系。从图9和图10 中可看出，覆盖层底部的气压减小值、填埋气释放速率与抽气速率基本成正比关系；由于抽气作用，使得部分填埋气被从覆盖层的气体扩散层抽走由导气管导出，从而减小覆盖层底部气体压力和经由覆盖层排出的填埋气释放量；当抽气速率为6.13×10-6kg/(m2·s)时，可将不抽气时的12.18 kPa 减小到2.55 kPa，经由覆盖层排出的填埋气释放速率从7.66×10-6kg/(m2·s)减小到1.53×10-6kg/(m2·s)。

我国《生活垃圾卫生填埋场封场技术规程》[22]建议封场覆盖系统防渗层底部气体压强不应大于0.75 kPa。因此，由于干湿循环气象条件变化引起覆盖层含水率改变，进而使得其气体渗透系数发生相应改变，造成覆盖层底部填埋气压积累时，需合理选择抽气泵从覆盖层的气体扩散层抽气以减小填埋气压，防止造成覆盖层破坏，并控制填埋气的释放。

图9 抽气速率对填埋气压的影响（kg11=5.30×10-15 m2）Fig.9 Influence of extraction rate of landfill gas on gas pressure distribution（kg11=5.30×10-15 m2）

图10 覆盖层底部气压、填埋气释放速率与抽气速率的关系Fig.10 Relationship among gas pressure at the bottom of cover,landfill gas emission rate and extraction rate of landfill gas

5 结 论

（1）通过渗析技术可以有效地调节试样的含水率，达到模拟和研究干湿气象条件下覆盖黄土服役含水率变化及其对气体渗透系数影响的目的。

（2）干密度为1.279、1.449、1.620 g/cm3的试样在含水率为25.6%～11.0%范围内的气体渗透系数分别处于 10-13～10-12、10-14～10-13、10-17～10-14m2量级；气体渗透系数随试样含水率的增大而减小，且干密度越大，渗透系数减小得越显著。

（3）不同压实程度的黄土覆盖层在干湿气象条件下，其底部气压力随覆盖层气体渗透系数减小而增大；当降雨等因素使覆盖层气体渗透系数减小至10-15～10-17m2时，覆盖层底部理论气压可达几十甚至几百kPa，超过覆盖层自重压力，覆盖层有可能发生顶托破坏。

（4）对覆盖层下部气体扩散层实施负压抽气，可有效减小覆盖层底部气压，同时减少填埋气通过覆盖层的释放量，本文测试结果和分析模型可指导填埋场合理选择抽气泵。

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