底泥固结对污染物运移影响的超重力离心试验模拟
2016-12-12李育超陈云敏
郑 健,李育超,陈云敏
(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. 浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310058)
底泥固结对污染物运移影响的超重力离心试验模拟
郑 健1,2,李育超1,2,陈云敏1,2
(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. 浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310058)
为了研究污染底泥覆盖技术中添加覆盖层造成底泥固结排水、以对流方式加速污染物击穿覆盖层的过程,利用超重力离心模型试验的缩尺缩时效应,研究添加覆盖层后底泥固结对污染物运移速度及出流量的影响,采用数值方法对试验进行模拟.结果表明：1)添加覆盖层后上覆水体中氯离子质量浓度随时间的变化过程,与底泥固结沉降量随时间的变化过程具有较好的相关性.底泥固结排出的孔隙水以对流方式显著加快污染物向上覆水体运移,仅考虑污染物以扩散方式运移的底泥覆盖设计方法偏不安全.2)覆盖层对底泥污染物运移有一定的延滞作用,1 cm厚度覆盖层的上覆水层中氯离子质量浓度比3 cm厚度情况高85.7%,增加覆盖层厚度可以显著地减少底泥污染物运移到上覆水体的量.3)采用分层总和法计算得到的底泥沉降与实测值接近,平均相差为8.7%；试验底泥固结时间介于以2种排水路径(添加覆盖层固结前、后底泥高度)计算得到的时间之间,通过超重力离心模型试验模拟底泥固结过程是可行的.4)覆盖层引起的底泥沉降的数值计算值较实测值偏大(平均相差10.9%),上覆水体污染物质量浓度的数值计算值较实测值偏小(平均相差16.6%).5)数值分析表明,与纯扩散相比,底泥固结造成污染物击穿覆盖层时间缩短40.7倍.
离心机试验；底泥覆盖；固结；污染物运移
受人类活动的影响,大量外源污染物进入江河湖泊,造成底泥污染.目前,疏浚是我国常用的污染底泥控制和治理方法[1-3],然而该技术存在扰动水体加速污染物释放、破坏水底生态系统和费用昂贵等不足.上世纪70年代,欧美国家尝试利用原位覆盖技术控制底泥污染[4-5],与疏浚相比,覆盖技术适用于不同种类污染物的底泥[6-7],对底泥和上覆水体扰动小,无需对挖掘出来量大、污染物成分复杂、含水量高的底泥进行异位堆放和处理,工程费用低.
目前,国外学者针对污染底泥覆盖的研究主要集中在覆盖层材料的性质、覆盖作用下污染物以分子扩散形式向上覆水体的运移过程对污染治理效果的影响[8].未考虑底泥固结引起的孔隙水排出对污染物运移的加速作用是目前该技术存在的主要问题[9-10].
底泥一般含水量高,压缩性大,在覆盖层荷载作用下会产生固结,产生显著沉降并排出大量的孔隙水[11].Fox等[12-15]针对饱和多孔介质中大变形固结与污染物运移耦合过程,提出CST1、 CST2模型.Lee等[16]采用CST2模型模拟地下水渗流条件下原位覆盖对重金属污染物的运移过程.结果表明,添加覆盖层可以显著地增大重金属的出流量,固结完全完成后,重金属出流量明显减小.由此可见,在使用覆盖技术时有必要评估铺设覆盖层引起的底泥固结加速污染物运移的效应.
污染物击穿覆盖层的过程历时达数年至数十年,试验模拟该过程一直是一个难题.超重力离心模型试验具有缩尺缩时效应,模拟由重力场控制的岩土问题具有较好的优势[17-18],已被应用于研究污染物在多孔介质中的迁移问题[19-21].Moo-Young等[22-23]研究覆盖层自重荷载引起的底泥固结效应.试验后取芯分析表明,仅0.5%的63Ni和0.03%的TCDD从底泥扩散至覆盖层和上覆水体,主要原因是覆盖层材料对所选用的示踪污染物63Ni和TCDD的吸附分配系数很高(分别为339、6471),导致运移至上覆水体的污染物量较少,难以体现吸附性较低的污染物(如As、Zn)的运移特性,以此为依据的底泥覆盖设计偏不安全.
本文通过试验和数值分析研究污染底泥覆盖下底泥固结对污染物运移过程的影响.采用取自西湖的底泥,以吸附性较低的氯离子[19,24]作为示踪污染物,采用室内台式超重力离心机模拟添加覆盖层后底泥的固结行为,研究底泥固结排水量与污染物运移至上覆水体量的关系,讨论覆盖层厚度对底泥污染物出流量的影响.建立数值模型分析底泥固结与污染物运移耦合过程,并与试验结果进行比较；评价不考虑底泥固结的设计方法误差.
1 试验材料
本文试验所用的底泥为取自杭州西湖西里湖未经疏浚区域的底泥,颗粒比重为2.47,级配曲线如图1所示.图中，d为颗粒粒径.
图1 底泥的颗粒级配曲线Fig.1 Particle size distribution of bored sediment
表层的西湖底泥由于有机质质量高(20.8%),含水量为377%；埋深大于30 cm的西湖底泥含水量约为300%.该试验重塑西湖底泥制备试样,将所取底泥加水搅拌成泥浆状,静置12 h后,将泥浆通过2 mm的筛子去除石子、贝壳、动植物残体等杂质.静置数日后,将沉淀的泥浆(含水量为446%)加入到直径为10 cm、高度为30 cm的自制模型桶(见图2)中,底泥上、下表面放置透水石和滤纸,固结排水至所需的含水量(290%)；固结完成后,模型桶中的试样高度为16.5 cm.
图2 重塑底泥及模型桶Fig.2 Remolded sediment and model cylinder
底泥中背景氯离子经测试可知,质量浓度为10.56 mg/L.为了获得明显的试验效果和满足仪器浓度的测试要求,研究者多采用质量浓度较高(800或1 000 mg/L)示踪污染物进行试验[24-25].该试验拟制备含水量为295%、氯离子质量浓度为1 000 mg/L的试样.具体方法如下：将968.96 mg的纯净氯化钠晶体颗粒溶解于10 mL的去离子水,加入到制备好的重塑土样,充分搅拌并静置24 h.制备的底泥试样的初始孔隙比为7.13,含水量为294.9%,孔隙水中氯离子质量浓度为1 000 mg/L,试样的初始物理性质指标详见表1.表中，Gs为相对质量密度，w(水)为含水量，ρ为密度，e为孔隙比，Cc为压缩指数，k为渗透系数.
采用室内固结试验[26]获得了重塑底泥压缩曲线(见图3)与固结系数cv-p曲线(见图4),Cc=1.52,属于高压缩性土.图3中,p为固结压力.图4给出通过固结系数公式(k=ρwgcv/Es,其中Es为压缩模量,ρw为水密度)计算得到的底泥渗透系数随固结压力的变化关系.初始渗透系数为8.7×10-6cm/s,50 kPa固结压力时减小到1.4×10-6cm/s.试验采用的覆盖层材料为粒径为1.0～2.0 mm的均匀粗砂,颗粒相对质量密度为2.54,试验前将砂洗净风干.
表1 底泥试样初始物理性质指标
注:1)变水头渗透试验[26].
图3 底泥压缩曲线Fig.3 Compression curve of remolded sediment
图4 底泥cv-p、k-p曲线Fig.4 cv-p and k-p curve of remolded sediment
2 超重力离心模型试验
图5 离心管及土样层Fig.5 Soils installed in centrifuge tube
该试验采用室内台式离心机,该仪器为江苏南京温诺设备有限公司生产,型号为TDZ5-WS,转速为0～5 000 r/min,精确度为50 r/min,时间控制在0～99 min,旋转半径为14.46 cm.将试验底泥置于长11.42 cm、内径为2.76 cm、壁厚为0.1 cm的离心管中(见图5)进行试验.试验离心机的转速为960 r/min,对离心管内材料产生的平均加速度为1.07 km/s2.试验前,离心管内壁涂凡士林以减少摩擦,将制备好的底泥试样(初始高度为hi)缓慢填入离心管,振捣防止试样夹杂气泡,直至填到所需的高度.在试验结束后,采用离子色谱仪测定所取上覆水样的氯离子质量浓度.开展3种不同厚度(即厚度li分别为1、2、3 cm)覆盖层条件下的模型试验,具体参数如表2所示.表中,v1为加入去离子水体积,v2为上覆水体去离子水体积.试验的详细步骤如表3所示.
表2 离心模型试验工况
表3 离心模型试验流程
3 试验结果
3.1 底泥沉降量
在底泥自重固结试验步骤完成后,1、2、3号离心管中底泥产生的沉降S分别为2.09、2.19、2.14 cm,平均值为2.14 cm.固结排出的孔隙水氯离子质量浓度分别为916、1 055、996 mg/L,平均值为989 mg/L,与初始质量浓度(1 000 mg/L)接近.加入不同厚度的覆盖层后,底泥固结沉降量随时间的变化曲线如图6所示.底泥沉降初期较快,随着时间的增长逐渐降低,26 h试验后基本稳定.1、2、3 cm覆盖层下底泥分别产生了0.96、1.15、1.31 cm沉降.
图6 加覆盖层后底泥沉降曲线Fig.6 Sediment settlement after capping
底泥自重固结沉降可以由底泥压缩曲线(图3)采用分层总和法计算得到.将8 cm初始高度的底泥分为16层,每层的土体高度为h1i(0.5 cm),初始孔隙比为e0,计算出每层的土体自重p1i,计算时考虑离心加速度的非均匀性,由底泥压缩曲线(图3)计算得到对应各层底泥的孔隙比e1i,再由下式可以计算出底泥自重固结最终沉降：
(1)
添加覆盖层后,每层的土体高度为h2i=h1i-S1i,平均固结压力为p2i.由底泥压缩曲线(图3)计算得到对应各层的孔隙比e2i,由下式可以计算得到底泥添加覆盖层后的最终沉降：
(2)
采用式(1)计算得到底泥自重固结沉降为2.36 cm,较实测沉降平均值(2.14 cm)大9.3%；添加1、2、3 cm覆盖层后计算得到底泥最终沉降分别为1.07、1.26、1.41cm,与实测沉降(0.96、1.15、1.31cm)接近,相差分别为10.3%、8.7%、7.1%.上述2个阶段沉降实测值均小于计算的最终沉降,这是由于试验中土体固结还未完全完成,固结度可由下式计算：
U=St/S∞.
(3)
式中：St为实测底泥沉降,S∞为利用分层总和法计算得到的最终沉降.由式(3)计算得到1、2、3 cm不同厚度覆盖层作用下的底泥固结度分别为89.7%、91.3%、92.9%.此外,离心管高径比较大,摩擦效应显著；离心管底部为三角形,会造成实测沉降偏小.在试验过程中,测得的1、2、3 cm覆盖层厚度分别减小了0.102、0.114、0.142 cm.
3.2 底泥固结时间
底泥在1、2、3 cm不同厚度覆盖层作用下对应不同的固结压力,由底泥cv-p曲线(见图4),可取cv的平均值分别为3.0×10-4、2.9×10-4、3.3×10-4cm2/s.根据太沙基固结理论完成相应固结度所需的时间为
(4)
式中：Tv为时间因子,底泥完成89.7%、91.3%、92.9%固结度对应的时间因子分别为0.835、0.900、0.983；H为排水路径(单面排水),计算时考虑添加覆盖层后底泥固结压缩,分别取固结前、后的底泥高度H1、H2.当以添加覆盖层之前的高度H1作为排水路径时,1、2、3 cm覆盖层工况下计算得到的相应固结时间分别为28.0、30.1、29.4 h.在试验过程中,底泥不断压缩,排水路径不断减小,当以底泥最终高度H2为排水路径时,1、2、3 cm覆盖层工况下计算得到的相应固结时间分别为19.7、19.5、17.9 h,较试验时间偏小.试验时间位于上述2种情况之间.添加覆盖层后底泥沉降和固结时间的分析结果表明,通过超重力离心模型试验模拟覆盖条件下底泥固结过程是可行的.
3.3 上覆水层氯离子质量浓度
在试验完成后,测试试验过程中所收集上覆水体(取样位置为覆盖层上表面处)的氯离子质量浓度,结果如图7所示.图中,ρCl为试验过程上覆水体的氯离子质量浓度,ρ0Cl为底泥试样孔隙水的初始氯离子质量浓度(ρ0Cl=1 g/L).由图7可见,上覆水体的氯离子质量浓度随时间的变化过程与底泥沉降随时间的变化过程(见图6)具有较好的相关性,说明上覆水体氯离子质量浓度上升量与添加覆盖层后的底泥固结排水量有关.
图7 添加覆盖层后上覆水体中氯离子质量浓度变化曲线Fig.7 Chloride concentration curve in overlying water after adding capping layer
由图6、7可见,对于覆盖层厚度为3 cm的工况,底泥的最终沉降最大(为1.31 cm),即排出的孔隙水量最多,上覆水体中氯离子相对质量浓度最终为0.171；对于覆盖层厚度为1 cm的工况,底泥最终沉降最小(为0.96 cm),即排出的孔隙水量最少,上覆水体中ρCl/ρ0Cl最终为0.317,比覆盖层3 cm工况高85.7%.可见,底泥固结排出的孔隙水与覆盖层孔隙水和上覆水体未迅速充分混合,覆盖层对底泥固结排出的孔隙水有一定的延滞作用,覆盖层厚度越大,延滞作用越明显.
4 数值分析
图8 底泥覆盖下污染物运移数值分析模型Fig.8 Numerical model of contaminant migration induced by capping layer
如图8所示为建立的底泥覆盖下污染物运移分析模型.图中，p0为覆盖层对底泥的压力.下面采用数值方法分析试验结果,并作如下简化和假设.
1) 覆盖层施加在底泥上的作用力为均布荷载.
2) 底泥的渗流和变形是一维的.
3) 底泥底部为不透水边界,覆盖层与底泥接触面、覆盖层顶部均为自由透水边界.
分析时,考虑覆盖层荷载作用下底泥固结对污染物运移的加速作用,固结过程采用太沙基一维固结方程来描述：
(5)
式中：u为底泥超静孔压.
边界与初始条件如下：
(6)
u(H,t)=0.
(7)
u(z,0)=p0.
(8)式(6)表示底泥底部为不透水边界,式(7)表示顶部为自由透水边界,式(8)表示初始时刻超静孔压为p0.
污染物在底泥和覆盖层中的运移过程可以用对流-弥散方程来描述：
(9)
(10)
式中：De为多孔介质扩散系数；n为介质孔隙率；vt为达西速度,可由固结方程确定;K为底泥和覆盖层渗透系数.
边界条件与初始条件如下.
(11)
(12)
ρCl(0 (13) ρCl(H (14) 式(11)表示底部为不透水边界；式(12)表示覆盖层顶部处运移出的污染物通量只考虑对流作用,不考虑污染物扩散作用.式(13)表示底泥中初始时刻污染物质量浓度为ρ0Cl(1 g/L),式(14)表示覆盖层中初始时刻污染物质量浓度为0. 不同厚度覆盖层对应的底泥渗透系数K1可以由图4确定；覆盖层渗透系数K2由常水头试验[24]测得为5×10-6m/s；由于试验中采用低吸附性的NaCl作为目标污染物,理论分析中不考虑阻滞作用[27]；式(9)中De为氯离子在底泥和覆盖层中的有效分子扩散系数,分别取4×10-10、6.34×10-10m2/s[28-29]；p0在试验前称重确定(见表4)；底泥孔隙率可由压缩曲线(图3)取添加覆盖层固结完成前、后的平均值为0.82,覆盖层孔隙率为0.37.具体的计算参数如表4所示. 表4 底泥覆盖下污染物运移计算分析参数取值 采用数值方法分析不同厚度覆盖层(1、2、3 cm)三种工况下的渗流和污染物运移过程.具体的分析思路如下. 1) 首先确定底泥与覆盖层中的初始超静孔压分布,底泥中初始超静孔压为覆盖层荷载加静水压力,覆盖层中初始超静孔压为静水压力.利用渗流分析获得超静孔压随时间和深度的分布曲线,可得底泥沉降随时间的分布(式(15)).根据式(15)可得孔隙水运移的达西速度. (15) 式中：H为底泥高度；Es为压缩模量,可由底泥压缩试验获得；p0为覆盖层荷载. 2)分析污染物在底泥和覆盖层中的运移过程时,将达西速度代入式(9),通过计算得到覆盖层表面处污染物通量f=vtρCl(H+d,t),从而可得上覆水层污染物质量浓度随时间的变化. 图9 不同厚度覆盖层实测沉降、氯离子质量浓度与理论计算值的比较Fig.9 Comparison of settlement and chloride mass concentration in overlying water of centrifuge test to finite element analysis 如图9所示为不同厚度覆盖层作用下,采用数值方法获得的底泥沉降和上覆水体污染物质量浓度随时间的变化曲线.从图9可以看出：1)添加覆盖层15 h后,1、2、3 cm 3种覆盖层工况下底泥沉降的计算值为1.11、1.35、1.37 cm,较实测沉降(0.96、1.15、1.31cm)分别大13.5%、14.8%、4.4%；2)利用数值计算得到的质量浓度变化趋势与底泥沉降的变化趋势一致,初期变化较快,随着时间的增长逐渐降低,26 h后基本稳定,说明底泥固结引起的孔隙水对流控制污染物运移,是上覆水层污染物质量浓度上升的主要原因；3)添加覆盖层15 h后,1、2、3 cm三种工况下上覆水层氯离子质量浓度的计算值为246.9、212.0、158.9 mg/L较实测质量浓度(301.4、240.6、198.09 mg/L)分别小17.9%、12.0%、19.8%.在实际过程中,取样位置靠近覆盖砂层的表面处,该处底泥中运移出的污染物还未来得及与上覆水层完全混合,污染物质量浓度较高.在理论计算中,假设运移出的污染物与上覆水层立即均匀混合,则会造成污染物质量浓度偏低.此外,数值方法在计算过程中所取的渗透系数为常数,而实际上底泥渗透系数是变量,这可能是上述误差的来源. 污染物击穿覆盖层时间是评价覆盖层服役寿命的重要因素.目前,污染底泥覆盖工程设计指南的污染物向上覆水体的出流量分析方法,仅考虑污染物分子扩散运移,不考虑底泥固结引起的污染物对流运移[10,13]. 将本文试验工况下不考虑底泥固结效应的覆盖层击穿时间的计算结果与试验结果进行对比.如图7所示为上覆水层氯离子质量浓度随时间的变化曲线.若以上覆水层污染物质量浓度达到底泥初始污染物质量浓度的10%作为覆盖层击穿时间,可知超重力离心模型试验中覆盖层击穿时间分别为1.60、3.20、8.80 h,由离心模型试验时间相似比关系[17-18]tp=N2tm(其中tm为模型中时间,tp为对应原型时间,N为离心加速度水平,表示模型在Ng加速度下进行试验),可得对应的原型时间为2.09、4.18、11.50 a. 图10 仅考虑分子扩散上覆水层污染物质量浓度随时间的变化Fig.10 Chloride concentration in overlying water only account for diffusion 如图10所示为利用数值方法获得的不考虑底泥固结(采用图8建立的模型,达西速度设为零,仅考虑污染物分子扩散运移,其余计算参数与条件不变)假定下上覆水层污染物质量浓度随时间的变化.从图10可以看出,上覆水层污染物质量浓度达到初始质量浓度的10%时所对应的时间分别为85、166、242 a.与单纯分子扩散相比,考虑底泥固结会明显加速污染物击穿覆盖层,击穿时间最大可以加速40.7倍,显著缩短覆盖层的服役寿命.在污染底泥覆盖设计中,仅考虑污染物分子扩散运移偏不安全. (1)底泥自重固结完成后,添加覆盖层引起的上覆水体的氯离子质量浓度随时间的变化过程与底泥沉降的变化过程具有较好的相关性,表明底泥固结排出的孔隙水以对流方式显著加快底泥污染物向上覆水体运移,大大增加了污染物的出流量. (2)覆盖层对底泥污染物运移有一定的延滞作用,厚度越大,延滞作用越明显. (3)利用分层总和法计算得到的沉降值与试验实测沉降值接近,试验时间位于以2种不同排水路径计算所得的时间范围之间,表明利用超重力离心试验模拟覆盖层作用下的底泥固结过程是可行的. (4)与单纯的污染物分子扩散相比,底泥固结可以使污染物击穿覆盖层的时间最大加速40.7倍,显著缩短覆盖层的服役寿命.在污染底泥覆盖设计中,仅考虑污染物分子扩散运移而不考虑底泥固结加速污染物运移偏不安全. [1] 敖静. 污染底泥释放控制技术的研究进展[J]. 环境保护科学, 2005, 30(6): 29-32． AO Jing. Reviews on development of release control techniques of contaminated sediment [J]. Environmental Protection Science, 2005, 30(6): 29-32． [2] 朱广伟, 陈英旭. 水体沉积物的污染控制技术研究进展[J]. 农业环境保护, 2002, 21(4): 378-380. ZHU Guang-wei, CHEN Ying-xu. Reviews on development of pollution control techniques of sediment [J]. Agro-Environmental Protection, 2002, 21(4): 378-380．[3] 胡小贞,金相灿,卢少勇,等. 湖泊底泥污染控制技术及其适用性探讨[J]. 中国工程科学, 2009, 11(9): 28-33. HU Xiao-zhen, JIN Xiang-can, LU Shao-yong, et al. Techniques for sediment pollution control and discussion on the applicability in lakes of China [J]. 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Hangzhou: Zhejiang University, 2008． Centrifuge test modeling of impact of sediment consolidation on contaminant transportation ZHENG Jian1,2,LI Yu-chao1,2,CHEN Yun-min1,2 (1.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China) The impact of sediment consolidation induced by capping on velocity of contaminant migration and outflow amount was analyzed in order to study the process of consolidation of sediment and the pore water release accelerate contaminant transport through the cover via advection in sediment capping technology. The special and temporal scaling effects of centrifuge tests were used, and the tests were simulated using numerical method. 1) The relationship between chloride mass concentration in the overlying water and time had a good correlation with that between sediment settlement induced by consolidation and time. The pore water squeezed by sediment consolidation remarkably accelerated the contaminant migration towards the overlying water.The design of contaminated sediment capping is unconservative if only contaminant diffusion is considered. 2) Tests for caps with varied thicknesses showed that the capping layer retained the migration of contaminant. The chloride concentration in the overlying water of 1 cm capping layer was 85.7% higher than 3 cm capping layer, and a thicker capping layer can significantly reduce the amount of contaminant moving into the overlying water. 3) The sediment settlements calculated by the layer-wise summation method simulations are close to the experimental measurements with an average difference of 8.7%. The sediment consolidation time of centrifuge test was between the time calculated by two different drainage paths (the sediment height before and after consolidation was completed for capping). Sediment consolidation induced by capping can be simulated by centrifuge tests. 4) The numerical results of the sediment settlement under different thickness capping layer were higher than experimental measurements with an average difference of 10.9%, while those of the chloride mass concentration in the overlying water were lower than experimental measurement with an average difference of 16.6%. 5) The numerical results show that the breakthrough time can be shortened by 40.7 times if sediment consolidation is considered compared to diffusion. centrifuge test; sediment capping; consolidation; contaminant migration 2015-05-12. 浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51009121). 郑健(1990-)，男，硕士生，从事环境岩土工程的研究.ORCID: 0000-0002-1119-3261. E-mail：21212033@zju.edu.cn 通信联系人：李育超，男，副教授. ORCID: 0000-0002-3636-5007. E-mail：liyuchao@zju.edu.cn 10.3785/j.issn.1008-973X.2016.01.002 TU 411 A 1008-973X(2016)01-0008-08
5 考虑底泥固结与否的污染物击穿覆盖层时间对比
6 结 论
