污染土治理中防渗帷幕参数敏感性分析及设计方法研究

杜风雷，苏振兴，高文生，叶森，毛安琪

(1.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；2.中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013；3.公诚咨询管理有限公司，广州 510610)

1 引言

现代社会工农业生产污水、居民生活废水以及垃圾填埋场堆体[1]所产生的渗滤液包含多种有害物质，一旦控制不好，污染物发生扩散，将对周边土体和地下水产生严重的危害。如何防治已经被污染的土体及地下水是摆在国内外环境工程师面前的一项重要的课题。

在实践工程中，由于修复和净化污染的土体和地下水是一项技术困难和成本高昂的工作，因此采取有效的措施预防以及避免污染范围进一步扩大的措施是十分必要和可行的。防渗帷幕的原理是将污染物离子阻挡或封闭在限定区域内，切断污染物水平方向的运移通道以阻止污染物的迁移扩散。防渗帷幕一般要求在保证有足够强度和耐久性的前提下隔墙的渗透系数小于10-7cm/s。土和水泥混合物做成的防渗帷幕性能较好，渗透系数可达10-10cm/s。以土和水泥为材料的防渗帷幕主要有SB隔离墙、CB隔离墙、预制混凝土隔离墙、回填料(如水泥、膨润土、粉煤灰、粘性土等)隔离墙以及深层搅拌和注浆所形成的墙等几种类型[2-5]。

虽然防渗帷幕在实际工程中有着广泛的应用，但是对于防渗帷幕的服役性能研究仍然较少。现阶段国内外对防渗帷幕的研究主要集中在帷幕材料特性和配比对防渗性能的试验研究，以获得不同材料类型(黏土-膨润土、水泥-膨润土、掺加矿渣材料的水泥-膨润土、塑性混凝土等)帷幕的渗透性能、与污染物长期相容性及实际防污效果。例如，Philip[6]研究表明即使在水头较低时，对流作用仍是污染物迁移扩散并击穿防渗帷幕的主导因素；邓红卫[7]用GMS建立了地下水渗流和污染物迁移三维耦合模型，采用数值分析方法，分析污染物在地下水中迁移特性，并着重研究了防渗帷幕对污染物迁移的阻滞效应；张文杰[8]采用离心试验研究了氯离子在黏土-膨润土屏障中迁移扩散规律，并使用解析解对试验结果进行拟合，论证了土-膨润土屏障用于填埋场控制污染物迁移的可行性；王艳明[9]分析了填埋场防渗帷幕在加固前后的阻隔性能，并论证老场防渗帷幕加固所需要的最小厚度。

上述研究较少深入系统地分析各个因素(例如帷幕打设深度、地层渗透系数、污染源浓度、水头差、帷幕厚度和渗透系数)对防渗帷幕击穿时间的影响规律，且工程界缺乏竖向帷幕服役寿命的评估方法和防渗帷幕厚度设计的简化方法。本文基于前人的调查研究成果，借助污染物地下运移数值分析软件GMS中MODFLOW和MT3DMS模块，分析了帷幕打设深度、地层渗透系数、污染源浓度、水头差、帷幕厚度和渗透系数对防渗帷幕的击穿时间的影响，筛选出水力梯度、帷幕厚度和帷幕渗透系数作为防渗帷幕击穿时间评估的计算因素，计算了64个工况，并在此基础上总体提出防渗帷幕击穿时间和设计厚度的简化方法，为同类型工程中竖向防渗帷幕设计提供借鉴。

2 标准数值模型建立及参数选取

如图1所示，为进行对比分析，本文首先建立标准数值模型，模拟场地大小为600 m×400 m×60 m。模型土层自上向下分别为素填土、粘质粉土、粉质粘土和全风化基岩。土层参数参考詹良通等针对苏州七子山填埋场的研究成果[10]，如表1所示。标准模型上下游水头分别为60 m和35 m，水头差为25 m，水力梯度为4.16%。

图1 标准模型示意图

污染物选择金属铜离子，污染源采用点源形式，模拟污染源泄露或者污染企业偷排放等现实工况。污染源在距离上游120 m，地表15 m深度处以每天排放10 m3浓度为100 mg/l的污水。在各种模型中，分别建立长度、宽度和高度方向上的污染物浓度监测点。防渗帷幕在污染物迁移下游约60 m处，自土层顶面打设至第四层强风化土层的顶面，防渗帷幕厚度为0.8 m，在模型宽度方向上通长布置，帷幕结构的渗透系数为1×10-8cm/s，具体参数见表2所示，防渗帷幕击穿标准为帷幕下游相应铜离子浓度限值为10 mg/l。

表1 标准数值模型计算参数

表2 标准帷幕模型计算参数

3 防渗帷幕对污染物迁移的影响分析

3.1 标准模型无防渗帷幕

图2为标准计算模型的水头分布云图，模型两端设置了定水头边界条件，上游和下游的水头高度分别为60 m和35 m。在水头差的作用下地下水形成了自左向右的稳定流场。图3为选取标准模型中1 a、50 a及100 a污染物迁移扩散的纵断面(1-1′截面)云图。红色范围内表示为污染物离子大于1 mg/l的区域，亦即污染区域。由图可知，污染物初期向着各个方向迁移扩散，但迁移扩散的力度各不相同，从而形成污染区域左粗右细的勺型分布。本次模拟污染物最终迁移扩散至下游定水头处，除了上游部分区域，基本上污染了整个场地。图4为污染源处横断面迁移扩散分布云图，其不仅表明了污染物在横向方向的扩散极限范围，同时也可以发现，污染物在100 a的时间内，仅进入渗透系数为1×10-6cm/s全风化基岩约2.5 m左右，为防渗帷幕的设计提供了借鉴。

图2 标准模型水头分布

图3 污染物迁移纵断面云图

图4 污染物迁移横截面云图

3.2 标准模型设置防渗帷幕

图5为设置标准防渗帷幕后模型的水头流场分布，由图可知，由于防渗帷幕的渗透系数远小于土层的渗透系数，防渗帷幕在打设到土层后，改变了模型整体的水头分布，上游水位基本在60 m左右，污染源附近的水头略高，且由于防渗帷幕的存在，污染注入后难以向下游排泄，因此污染源附近的高水头范围相对于无防渗帷幕时的范围更大。由于防渗帷幕的存在，帷幕下游的水头高度陡降到40 m左右，且因帷幕未打设到底部，因此在帷幕底部分出现了一定范围的高水头。污染物在迁移扩散过程中，土层中的流场起主导作用，因此设置帷幕后必然会对污染物离子的迁移扩散产生影响。

图5 设有防渗帷幕后水头分布

图6为紧贴帷幕上下游两侧土层中污染物离子浓度变化，从图中可以看出，在防渗帷幕上游，污染物离子浓度总体上随着深度的增加，峰值浓度逐渐降低，在标准2.5 m监测点处最大浓度趋于100 g/l。但在22.5 m处污染物离子浓度受到防渗帷幕及两边流场的影响，其污染物浓度高于17.5 m处的监测值。在防渗帷幕的下游，由于设置了防渗帷幕，土层中的地下水位降低至地表20 m以下，因此如图6(b)所示，其为防渗帷幕下游紧贴防渗帷幕沿深度的污染物离子浓度变化图。从图中可以发现防渗帷幕对污染物离子有着明显的阻断作用，与防渗帷幕上游土层中的污染物离子对比，相同深度处同一时间的离子浓度明显降低，在防渗帷幕下游22.5 m和27.5 m处污染物离子浓度达到10 mg/l的时间分别为26 340 d(72 a)和30 700 d(84 a)，亦即该工况条件下防渗帷幕的击穿时间为72 a。图7分别为污染物离子1 a、10 a、50 a和100 a的迁移扩散云图，从图中可以看出由于防渗帷幕的存在，污染物离子在顺流方向上运移受阻。第50 a和100 a的云图表明污染物离子已击穿了防渗帷幕，但其对下游的污染范围及污染程度相对于无防渗帷幕的工况已大大降低，由此可见防渗帷幕在阻挡污染物迁移扩散方面的积极作用。

图6 污染物离子浓度变化

图7 污染物离子浓度变化

3.3 防渗帷幕击穿时间影响因素分析

3.3.1 帷幕插入深度

帷幕的插入深度对污染物离子迁移扩散起到了重要的影响。以下分别建立了两个不同帷幕插入深度的模型B和模型C，如表3所示。

表3 防渗帷幕打入深度参数表

图8和图9分别为模型B和模型C帷幕上下游污染物离子浓度时间变化图，图10为污染物离子迁移扩散云图。由图可知，帷幕上游随着帷幕插入深度的提高，污染物离子迁移扩散的能力被逐渐削弱，达到峰值的时间在延迟以及各土层污染的强度都在降低。而在帷幕下游，可以发现帷幕插入深度越短，下游越容易遭到污染。模型A、B和模型C帷幕下游检测到10 g/l浓度的时间分别为72 a、15 a和44 a。模型B和模型C的污染物离子不是通过击穿防渗帷幕污染下游，而是污染物离子绕过防渗帷幕的底部向下游扩散。因此在防渗帷幕设计中，需选择好防渗帷幕的嵌入层，避免污染物离子从底部渗漏，从而造成防渗帷幕的失效。

图8 模型B污染物离子浓度变化

图9 模型C污染物离子浓度变化

图10 污染物离子迁移扩散云图

3.3.2 渗透性

不同渗透系数的地层有着不同的流场分布，从而通过对流作用影响污染物离子迁移扩散的影响。如表4所示，分别建立3个模型探讨防渗帷幕在不同渗透性底层中阻挡污染物离子迁移扩散的特性。

表4 不同渗透性数值模型参数

备注：上述3个模型中的渗透系数均为水平渗透系数，单位为cm/s,水平渗透性与竖直渗透系数比值为3。

图11和图12分别为高渗透性模型B和低渗透性模型C在帷幕上游的污染物离子浓度随时间的分布图，结合污染物离子迁移扩散云图(图13)，可以发现不同渗透性的模型在防渗帷幕上游的污染物离子浓度分布总体上相同，在100 a的模拟期间内趋近100 mg/l，而随着深度的增加，污染物离子浓度总体在降低。不同渗透性的土层在土体中部的分布略有不同，渗透性越高，中部离子浓度曲线越重合，而渗透性越低，浓度曲线越分散，总体呈现自上而下浓度逐渐降低的规律。

图11 高渗透性模型B污染物离子浓度变化

图12 低渗透性模型C污染物离子浓度变化

图13 第100 a污染物离子迁移扩散云图

对比模型A、B和C相同深度即22.5 m处的浓度可以发现，3个模型达到击穿浓度的时间分别为72 a、73 a和80 a。由此可知随着渗透性的提高，污染物离子击穿防渗帷幕的时间缩短，但总体而言，地层渗透性对防渗帷幕的击穿时间影响较小，且当土层渗透性提高到一定水平后，其对帷幕击穿时间的影响将不再重要。地层透水条件对帷幕击穿时间的影响并不显著，造成这种现象的主要原因是嵌入式帷幕消弱了土层原有的渗流作用。

3.3.3 水力梯度

土层中的水力梯度影响整个流场的分布，进而会影响污染物离子的迁移扩散。分别建立4个不同水头差模型，如表5所示。

表5 地层水头差及水力梯度参数表

图14为各个水力梯度模型中帷幕下游污染物浓度变化时间分布图，其中数据来自于各模型防渗帷幕下游浓度变化最大的地方，以便于分析帷幕击穿时间。4个模型帷幕下游浓度变化均在地面17.5 m深度处。如图14所示，对于渗透系数为1×10-8cm/s，厚度为0.8 m的防渗帷幕，在5 m水头差调剂下(上下游水力梯度)在100 a模拟期间帷幕下游污染物离子浓度小于10 g/l，进一步提高模拟时间，发现其击穿时间为110 a。此时上游土体中污染物离子已经迁移到上游定水头边界，在深度方向上已侵入到地面45 m深度处。随着水头高度的提高，帷幕上下游的水头差增大，污染物击穿防渗帷幕的时间逐渐缩短，当水头差从10 m增加到15 m再到25 m时，污染物击穿帷幕的时间分别为83 a，68 a和65 a。由此可见水力梯度对污染物迁移扩散和帷幕有效寿命有着重要影响，实际工程中应该严格控制帷幕上下游水头差和水力梯度，降低污染范围扩大的风险。

图14 不同水头差模型的离子浓度变化

3.3.4 防渗透帷幕厚度

在防渗帷幕的设计中，帷幕的厚度是不仅影响污染物离子迁移扩散，同时也对帷幕工程的造价、施工工期、施工工艺等方面，因此设计防渗帷幕，确定防渗帷幕的厚度是关键。一般来说，当帷幕的渗透系数一定时，帷幕厚度越大，其对污染物离子的阻挡作用就越强。如表6所示，在标准防渗模型的基础上，分别建立了C1、C2、C3和C4的4种厚度的帷幕模型，其厚度分别为0.6 m，0.8 m，1.0 m和1.2 m。除此之外，模型上下游水头差、污染源浓度及排放量、帷幕的位置、打设深度和渗透系数等参数均与标准模型相同(上下游水头差25 m，帷幕渗透系数1×10-8cm/s)。

表6 不同防渗帷幕厚度模型参数

图15为4个模型防渗帷幕下游边界上污染物离子浓度最大值随时间的变化曲线。由图可知，随着污染时间的持续，C1～C4模型先后监测到污染物离子的侵入，各模型达到10%(10 mg/l)击穿条件的时间分别为55 a，72 a，79 a和91 a。击穿时间随着帷幕厚度的增加而不断增加，但击穿时间并不随着厚度线性增长，而是其增长幅度不断下降。由于厚度的增加，不仅会提高工程造价，同时也给施工带来困难，结合一般污染源的污染时间，例如中国一般垃圾填埋场的稳定所需时间为填埋场封场后的30～35 a，其防治的设计使用年限通常为50 a，建议一般污染物防治工程中帷幕厚度控制在1 m以下。

图15 不同防渗帷幕厚度模型的离子浓度变化

3.3.5 污染源浓度

污染源浓度影响污染物的迁移扩散，污染源浓度越大，其迁移扩散的范围更广，污染的程度越高。如表7所示，B1～B4模型除污染源浓度不同外，其他各参数均与标准模型相同，其中B1～B4的污染源浓度分别为25 mg/l，100 mg/l，200 mg/l和400 mg/l，污染源浓度依次增大。

表7 不同污染源浓度模型参数表

图16为4个模型在防渗帷幕下游边界污染程度最高点处的污染物离子时间变化图，由于4个模型的水头、流场分布均相同，其帷幕下游污染程度最高的点均在防渗帷幕下游17.5 m深度处。从图16可以发现，各个模型在监测点处污染物离子浓度均随着时间不断增加，浓度越高，增长的趋势越大，4个模型达到10 mg/l的时间分别为101 a，72 a，63 a和57 a。在100 a的模拟时间内，B1～B4模型帷幕下游最终浓度分别达到9.8 mg/l，39.1 mg/l，78.3 mg/l和156.5 mg/l，可见随着浓度的提高，污染物离子在击穿防渗帷幕后，其对下游的污染程度更为严重。

图16 不同污染源浓度模型的离子浓度变化

在本文中，防渗帷幕击穿标准参照中国行业标准《生活垃圾填埋场岩土工程技术规范》(CJJ176-2012)中对防渗帷幕厚度设计的有关规定，取帷幕下游边界污染物浓度达到上游边界的10%作为击穿标准。根据此规定B1～B4的4个模型的击穿标准分别为防渗帷幕下游边界污染物浓度分别达到2.5 mg/l，10.0 mg/l，20.0 mg/l和40.0 mg/l，如按照此标准，4个模型的击穿时间均为72 a，亦即防渗帷幕上游的离子浓度对污染物击穿时间影响甚微。然而在实际工程中，人们更为关注污染物浓度的绝对值，污染物浓度绝对值越高，其对人们的生产生活影响越严重，因此在防渗帷幕的设计中，不仅需要关注污染物浓度的相对值，同时更要以污染物离子浓度的绝对值作为帷幕设计的重点。

3.3.6 防渗帷幕的渗透系数

防渗帷幕通过在土层内嵌入渗透系数远小于周边土体的帷幕来改变土体中原有的渗流场，削弱对流作用，从而阻止污染物离子的向周边迁移扩散。因此防渗帷幕的渗透系数也是帷幕设计中一个重要的因素，在帷幕厚度一定的情况下，渗透系数越小，帷幕的阻挡作用越明显，击穿时间也就越长。如表8所示，建立D1～D4四个模型，其帷幕渗透系数分别为1×10-6，1×10-7，5×10-8和1×10-8cm/s，其他各参数与标准模型相同(上下游水头差25 m，帷幕厚度0.8 m)。

表8 不同防渗帷幕渗透系数模型参数表

图17为不同帷幕渗透系数模型在帷幕下游边界上污染物离子浓度最大值随时间的变化曲线。由图可知，当帷幕的渗透系数不同时，污染物离子浓度增长曲线的形式也不一样，4个模型的击穿时间分别为24 a，27 a，35 a和72 a。当防渗帷幕渗透系数从1×10-6cm/s减小一个量级到1×10-7cm/s时，击穿时间增加了3 a，而从1×10-7cm/s减小一个量级到1×10-8cm/s击穿时间增加了18 a。与厚度相比，击穿时间的增长幅度随着渗透系数的减小而不断提高，即击穿时间对帷幕的渗透系数更为敏感，且防渗帷幕渗透系数越低，该敏感性越强。

图17 不同防渗帷幕厚度模型的离子浓度变化

图18为D1～D4模型在50 a和100 a的污染物离子迁移扩散云图。从图中可以发现，当渗透系数为小于1×10-7cm/s时，防渗帷幕对污染物离子的阻隔效果并不是很好。D1和D2模型在100 a的模拟期间内，当污染物离子击穿防渗帷幕后向下游及土体深部不断地迁移扩散，最大迁移距离约200 m，最大污染深度45 m左右。D4模型的阻隔作用相当有效，100 a模拟期间内在第72 a击穿防渗帷幕，并污染帷幕下游20 m范围内的土体，因此在防渗帷幕渗透系数的选择上，建议根据上下游水头差，选取1×10-8到1×10-7cm/s范围的渗透系数值。

图18 防渗帷幕渗透性对污染物离子迁移扩散的影响

4 帷幕击穿时间和厚度简化设计方法

本章上述内容主要对比分析了帷幕打设深度、地层渗透系数、污染源浓度、水力梯度、帷幕厚度和帷幕渗透系数对防渗帷幕击穿时间的影响，从分析中可知，各因素对防渗帷幕服役性能的影响不同。图19、图20和图21给出的不同工况条件下防渗帷幕击穿时间设计简化图，由图分析可知：

图19 给定水力梯度条件下不同帷幕厚度击穿时间随帷幕渗透系数变化图

图20 给定帷幕渗透系数不同水力梯度条件下帷幕击穿时间随帷幕厚度变化图

图21 给定帷幕厚度不同帷幕渗透系数击穿时间随水力梯度变化图

水力梯度、帷幕渗透系数和帷幕厚度对帷幕击穿时间的影响是相互独立的，亦即可根据工程特点、施工技术条件和成本等因素，确定3个控制因素的最优组合。例如对于水力梯度确定的土层，减小帷幕渗透系数同时减小帷幕厚度或提高帷幕渗透系数同时增大帷幕厚度可实现达到相同击穿时间。而在水力梯度较大的区域，也可以采取适当的工程措施减小上下游的水头差，从而优化防渗帷幕的服役性能，延长防渗帷幕的正常使用年限。在给定水力梯度条件下，帷幕渗透系数在不同阶段对防渗帷幕的击穿时间是不同的，如图19所示，当渗透系数大于1×10-7cm/s时，帷幕击穿时间随渗透系数呈现近似线性变换，且斜率较小，但当渗透系数小于1×10-7cm/s时，渗透系数对帷幕击穿时间影响非常

显著，击穿时间随渗透系数的减小成指数增长。因此结合计算，建议若以10%相对浓度作为击穿标准，若设计年限在50 a以上，防渗帷幕的渗透系数应小于1×10-7cm/s，在存在较大水力梯度的工况下，宜小于5×10-8cm/s。

图20表明给定水力梯度条件下，不同帷幕渗透系数条件下帷幕厚度的影响是不同的，当渗透系数较大时，增加帷幕厚度，击穿时间变化较小。而当渗透系数较小时，增加帷幕厚度，帷幕击穿时间显著提高，这种现象表明在帷幕的设计中，宜优先考虑帷幕的渗透系数，在技术和成本可控的前提下，尽可能选用渗透系数较小的防渗帷幕，其次再考虑增加帷幕的厚度。图20还表明当帷幕渗透系数一定时，击穿时间是帷幕厚度的一次函数，同时水力梯度越小，击穿时间相应较长。且随着帷幕渗透系数的提高，击穿时间相对帷幕厚度曲线的斜率不断提高。由图21可知，防渗帷幕的击穿时间随着水力梯度的增加而不断减小，但其减小的速率不断减小，当水利梯度大于2.5%时，水利梯度的影响不再明显，且防渗帷幕渗透系数越大，水力梯度越小，防渗帷幕击穿时间对水利梯度的变化越敏感。

4 结论

本文主要开展了防渗帷幕对污染物离子的阻隔效应的参数敏感性研究，并给出了简化设计方法。主要的研究成果与结论总结如下：

(1) 防渗帷幕对阻隔污染物迁移扩散方面有着良好的作用，在防渗帷幕深度设计中，建议防渗帷幕嵌入与其渗透系数小于1×10-6cm/s的土层中。地层渗透性对防渗帷幕的击穿时间影响较小，而水力梯度对污染物迁移扩散和帷幕有效寿命有着重要影响。

(2) 按照相对浓度标准，防渗帷幕上游的离子浓度对污染物击穿时间影响甚微。但按照绝对浓度标准，随着污染源浓度的提高，污染物离子击穿防渗帷幕的能力越强，同时对上下游的污染范围更广，污染程度更严重。

(3) 水力梯度、帷幕渗透系数和帷幕厚度是影响防渗帷幕击穿时间最重要的控制因素，总体而言水力梯度越小、帷幕渗透系数越小、帷幕厚度越大，防渗帷幕的击穿时间越长。且水力梯度、帷幕渗透系数和帷幕厚度对帷幕击穿时间的影响相互独立。

(4) 防渗帷幕的击穿时间随着水力梯度的增加而不断减小，防渗帷幕渗透系数越大，水力梯度越小，防渗帷幕击穿时间对水利梯度的变化越敏感。当水利梯度大于2.5%时，水利梯度的影响不再明显。

(5) 当渗透系数小于1×10-7cm/s时，渗透系数对帷幕击穿时间影响非常显著，击穿时间随渗透系数的减小成指数增长。因此建议防渗帷幕的渗透系数应小于1×10-7cm/s，在存在较大水力梯度的工况下，宜小于5×10-8cm/s。

(6) 在帷幕的设计中宜优先考虑帷幕的渗透系数，在技术和成本可控的前提下，尽可能选用渗透系数较小的防渗帷幕。其次再考虑增加帷幕的厚度，对于一般污染物防治工程的帷幕厚度控制在1 m以下。