摘 要：試驗(yàn)研究了垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中主要離子對(duì)粘土襯墊的影響，分析離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+5種金屬離子對(duì)粘土襯墊滲透性的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：粘土；金屬離子；滲透性

劉和平等（1997）研究了鉛和鎘在粘土襯層中的滲透、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溶液中離子對(duì)通過粘土層的滲透系數(shù)有一定影響，他指出混合溶液的滲透系數(shù)都比純水時(shí)的滲透系數(shù)低[1]。填理場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液將使填理場(chǎng)中粘土及下臥天然土層的組分、結(jié)構(gòu)、孔隙等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土的強(qiáng)度、壓縮性、滲透性、塑性等有所改變。我國(guó)規(guī)范（《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》（CJJ17-2004）等）中對(duì)粘土襯墊的要求都是針對(duì)未受污染的情況，粘土襯墊在填埋之后很難再修復(fù)。因此，針對(duì)粘土襯墊系統(tǒng)在滲濾液的長(zhǎng)期作用下能否滿足規(guī)范中要求的滲透性和強(qiáng)度的問題，試驗(yàn)研究了滲濾液中主要離子對(duì)粘土襯墊的影響，分析離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+5種金屬離子對(duì)粘土襯墊滲透性的影響規(guī)律。

1 金屬離子對(duì)粘土襯墊影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是，在模擬粘土襯墊裝置中，研究和確定滲濾液及金屬離子對(duì)粘土襯墊土工性質(zhì)的影響。圖1是設(shè)計(jì)的模擬垃圾填埋場(chǎng)粘土襯墊裝置。在實(shí)驗(yàn)裝置中，對(duì)壓實(shí)后的粘土直接進(jìn)行滲流，滲流時(shí)間為一周，滲流溶液與壓實(shí)粘土層充分反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)滲流過程與實(shí)際垃圾填埋場(chǎng)中滲濾液流經(jīng)襯墊系統(tǒng)的過程比較接近。滲流液體分別是K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+的金屬離子溶液。

1.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確定影響粘土性質(zhì)變化的因素，實(shí)驗(yàn)采用了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募爸饕x子成分，選擇因素水平。選取K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+五個(gè)因素，每個(gè)因素有四個(gè)水平，即四個(gè)不同的濃度0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L和0.04mol/L。正交實(shí)驗(yàn)安排按照正交表L16（45）（如表1-1）來安排。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①分別配制不同濃度水平的KCl、NaCl、CaCl2、FeCl3、Mg（NO3）2溶液，得到濃度分別為0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L的 K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+溶液。將不同濃度的單離子溶液分別倒入各模擬實(shí)驗(yàn)裝置中，并不斷加入溶液，對(duì)壓實(shí)粘土層進(jìn)行滲流。滲流過程中，溶液中的金屬離子不斷和粘土顆粒發(fā)生作用，從而影響粘土層的塑性、滲透性和強(qiáng)度等土工性質(zhì)。

② K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+五種金屬離子共同存在時(shí)，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，配制混合溶液，在粘土襯墊層進(jìn)行滲流。粘土受到多種金屬離子的共同作用，其塑性、滲透性和強(qiáng)度等性質(zhì)也將發(fā)生變化。

2 金屬離子對(duì)粘土滲透性的影響

粘土顆粒表面的離子分布以及雙電層的厚度估算實(shí)際是一個(gè)復(fù)雜的過程。土的結(jié)構(gòu)凝聚較分散具有較高的強(qiáng)度，較低的壓縮性和較大的滲透性。因?yàn)楫?dāng)顆粒處于不規(guī)則排列狀態(tài)時(shí)，粒間的吸引力大，不容易相互移動(dòng)[2]。

2.1 單離子對(duì)粘土滲透性的影響

當(dāng)土樣的密度是1.69g/cm3時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得土樣在純水中的滲透系數(shù)為1.95×10-6cm/s。選擇0.005mol/L、0.01 mol/L、0.02 mol/L三種濃度的Na+、Ca2+、Fe3+溶液，以NaCl、CaCl2、FeCl3為試劑，配制溶液，并對(duì)土樣滲流，滲流時(shí)間為7d，圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的土樣滲透系數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溶液中金屬離子的種類、濃度對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響有所不同。

從圖2數(shù)據(jù)，可以看出：

（1）總體趨勢(shì)上，土樣在Na+、Ca2+、Fe3+金屬離子溶液中的滲透系數(shù)要高于在純水中的滲透系數(shù)。土樣在純水中的滲透系數(shù)為1.95×10-6cm/s，而在金屬離子溶液中的滲透系數(shù)在2×10-6cm/s～7×10-6cm/s之間。

（2）滲透系數(shù)隨著溶液濃度的增加而升高。溶液中的金屬陽(yáng)離子Na+、Ca2+、Fe3+，在粘土顆粒表面發(fā)生離子吸附和交換，不同濃度的金屬離子對(duì)應(yīng)粘土的滲透系數(shù)不同。Na+、Fe3+濃度從0.005mol/L增加到0.02mol/L時(shí)，土樣的滲透系數(shù)分別從2.16×10-6cm/s、4.25×10-6cm/s增加到3.12×10-6cm/s、6.5×10-6cm/s。且溶液中存在Na+時(shí)，對(duì)滲透系數(shù)的影響不大，溶液中存在Fe3+時(shí)，土樣的滲透系數(shù)則改變較大，增加的最多。

2.2 多離子對(duì)粘土滲透性的影響

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的16個(gè)混合溶液，壓實(shí)粘土土樣在這16個(gè)溶液中滲流7d后，取樣研究K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+多離子共存時(shí)對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響，同時(shí)與上述的單離子溶液對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響進(jìn)行比較分析。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）交實(shí)驗(yàn)理論，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在第j列因素一定時(shí)，Kij（i=1，2，3，4）是在j因素（離子種類）條件下，溶液濃度分別在0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L時(shí)，金屬離子溶液作用土樣后，對(duì)應(yīng)土樣滲透系數(shù)的平均值。① 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映的一般規(guī)律：當(dāng)溶液中金屬離子濃度較大時(shí)，對(duì)粘土的滲透系數(shù)影響比低濃度溶液時(shí)的影響大。比較K1j、K2j、K3j、K4j的值，如j=1時(shí)，K11、K21、K31、K41為Na+在0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L時(shí)土樣的滲透系數(shù)平均值，滲透系數(shù)隨著溶液濃度的增加而變大；② 對(duì)比實(shí)驗(yàn)離子不同濃度條件下，對(duì)土體滲透性的影響程度。溶液中Na+的濃度在0.04mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，K+的濃度在0.02mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，Ca2+的濃度在0.02mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，而Fe3+、Mg2+濃度都在0.04mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大；③ 確定離子種類對(duì)土體滲透性的影響。比較R的值，可知R4>R3>R2>R5>R1，R值的比較說明了各個(gè)因素即各離子對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響程度。實(shí)驗(yàn)離子對(duì)滲透系數(shù)的影響程度排序?yàn)椋篎e3+>Ca2+>K+>Mg2+>Na+，高價(jià)離子對(duì)粘土的土工性質(zhì)影響程度比低價(jià)離子要高。

2.3 機(jī)理分析

（1）理論上，土的滲透系數(shù)隨著流體容重的增加而增加，隨粘滯性的增高而降低。與含有豐富離子成分的滲濾液相比，粘滯性較小的純水具有較高的滲透系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的土樣在Na+、Ca2+、Fe3+等金屬離子溶液中的滲透系數(shù)要高于在純水中的滲透系數(shù)。當(dāng)離子溶液濃度增加時(shí)，粘土顆粒吸附離子的數(shù)量增多，一些結(jié)合較緊的水分子被陽(yáng)離子替代，層間距離減小，導(dǎo)致粘土顆粒的凝聚，使得水流路徑變大，從而粘土的滲透系數(shù)就急劇增加。

（2）溶液中存在Fe3+時(shí)，滲透系數(shù)改變最大，增加幅度最大，這與高價(jià)金屬離子Fe3+對(duì)擴(kuò)散雙電層的厚度壓縮較多有關(guān)。在粘土吸附高價(jià)金屬離子后，擴(kuò)散雙電層的厚度將變小，在壓力作用下粘土顆粒趨于凝聚，顆粒之間的孔隙增大，形成較大的過水孔隙，使得滲透系數(shù)增加。

（3）混合溶液對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響結(jié)果分析可知，高價(jià)金屬離子在高濃度時(shí)對(duì)滲透系數(shù)的影響最大。同樣是由于高價(jià)金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力較強(qiáng)，活性較大，對(duì)粘土的滲透系數(shù)改變就比低價(jià)金屬離子大。

3 結(jié)論

3.1 相同濃度的離子溶液中，實(shí)驗(yàn)離子對(duì)滲透系數(shù)的影響程度為：Fe3+>Ca2+>K+>Mg2+>Na+，高價(jià)離子對(duì)粘土滲透性狀的影響程度比低價(jià)離子的影響程度要大。

3.2 滲濾液中大量的離子成分對(duì)粘土土工性質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，不垃圾填埋場(chǎng)中粘土襯墊在滲濾液中多種離子的長(zhǎng)期影響下，其性狀會(huì)發(fā)生改變。本次研究可為粘土作為襯墊的適宜性提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉和平，鄭潔明，劉巧麗.鉛和鎘在粘土襯層中滲透，遷移，轉(zhuǎn)化的研究.環(huán)境科學(xué)研究，1997，10（4），56-60.

[2]胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué).上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：張靜（1981-），女，江蘇徐州人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士，2007年至今在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院從事工程地質(zhì)、煤礦地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)等工作。endprint

摘 要：試驗(yàn)研究了垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中主要離子對(duì)粘土襯墊的影響，分析離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+5種金屬離子對(duì)粘土襯墊滲透性的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：粘土；金屬離子；滲透性

劉和平等（1997）研究了鉛和鎘在粘土襯層中的滲透、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溶液中離子對(duì)通過粘土層的滲透系數(shù)有一定影響，他指出混合溶液的滲透系數(shù)都比純水時(shí)的滲透系數(shù)低[1]。填理場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液將使填理場(chǎng)中粘土及下臥天然土層的組分、結(jié)構(gòu)、孔隙等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土的強(qiáng)度、壓縮性、滲透性、塑性等有所改變。我國(guó)規(guī)范（《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》（CJJ17-2004）等）中對(duì)粘土襯墊的要求都是針對(duì)未受污染的情況，粘土襯墊在填埋之后很難再修復(fù)。因此，針對(duì)粘土襯墊系統(tǒng)在滲濾液的長(zhǎng)期作用下能否滿足規(guī)范中要求的滲透性和強(qiáng)度的問題，試驗(yàn)研究了滲濾液中主要離子對(duì)粘土襯墊的影響，分析離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+5種金屬離子對(duì)粘土襯墊滲透性的影響規(guī)律。

1 金屬離子對(duì)粘土襯墊影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是，在模擬粘土襯墊裝置中，研究和確定滲濾液及金屬離子對(duì)粘土襯墊土工性質(zhì)的影響。圖1是設(shè)計(jì)的模擬垃圾填埋場(chǎng)粘土襯墊裝置。在實(shí)驗(yàn)裝置中，對(duì)壓實(shí)后的粘土直接進(jìn)行滲流，滲流時(shí)間為一周，滲流溶液與壓實(shí)粘土層充分反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)滲流過程與實(shí)際垃圾填埋場(chǎng)中滲濾液流經(jīng)襯墊系統(tǒng)的過程比較接近。滲流液體分別是K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+的金屬離子溶液。

1.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確定影響粘土性質(zhì)變化的因素，實(shí)驗(yàn)采用了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募爸饕x子成分，選擇因素水平。選取K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+五個(gè)因素，每個(gè)因素有四個(gè)水平，即四個(gè)不同的濃度0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L和0.04mol/L。正交實(shí)驗(yàn)安排按照正交表L16（45）（如表1-1）來安排。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①分別配制不同濃度水平的KCl、NaCl、CaCl2、FeCl3、Mg（NO3）2溶液，得到濃度分別為0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L的 K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+溶液。將不同濃度的單離子溶液分別倒入各模擬實(shí)驗(yàn)裝置中，并不斷加入溶液，對(duì)壓實(shí)粘土層進(jìn)行滲流。滲流過程中，溶液中的金屬離子不斷和粘土顆粒發(fā)生作用，從而影響粘土層的塑性、滲透性和強(qiáng)度等土工性質(zhì)。

② K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+五種金屬離子共同存在時(shí)，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，配制混合溶液，在粘土襯墊層進(jìn)行滲流。粘土受到多種金屬離子的共同作用，其塑性、滲透性和強(qiáng)度等性質(zhì)也將發(fā)生變化。

2 金屬離子對(duì)粘土滲透性的影響

粘土顆粒表面的離子分布以及雙電層的厚度估算實(shí)際是一個(gè)復(fù)雜的過程。土的結(jié)構(gòu)凝聚較分散具有較高的強(qiáng)度，較低的壓縮性和較大的滲透性。因?yàn)楫?dāng)顆粒處于不規(guī)則排列狀態(tài)時(shí)，粒間的吸引力大，不容易相互移動(dòng)[2]。

2.1 單離子對(duì)粘土滲透性的影響

當(dāng)土樣的密度是1.69g/cm3時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得土樣在純水中的滲透系數(shù)為1.95×10-6cm/s。選擇0.005mol/L、0.01 mol/L、0.02 mol/L三種濃度的Na+、Ca2+、Fe3+溶液，以NaCl、CaCl2、FeCl3為試劑，配制溶液，并對(duì)土樣滲流，滲流時(shí)間為7d，圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的土樣滲透系數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溶液中金屬離子的種類、濃度對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響有所不同。

從圖2數(shù)據(jù)，可以看出：

（1）總體趨勢(shì)上，土樣在Na+、Ca2+、Fe3+金屬離子溶液中的滲透系數(shù)要高于在純水中的滲透系數(shù)。土樣在純水中的滲透系數(shù)為1.95×10-6cm/s，而在金屬離子溶液中的滲透系數(shù)在2×10-6cm/s～7×10-6cm/s之間。

（2）滲透系數(shù)隨著溶液濃度的增加而升高。溶液中的金屬陽(yáng)離子Na+、Ca2+、Fe3+，在粘土顆粒表面發(fā)生離子吸附和交換，不同濃度的金屬離子對(duì)應(yīng)粘土的滲透系數(shù)不同。Na+、Fe3+濃度從0.005mol/L增加到0.02mol/L時(shí)，土樣的滲透系數(shù)分別從2.16×10-6cm/s、4.25×10-6cm/s增加到3.12×10-6cm/s、6.5×10-6cm/s。且溶液中存在Na+時(shí)，對(duì)滲透系數(shù)的影響不大，溶液中存在Fe3+時(shí)，土樣的滲透系數(shù)則改變較大，增加的最多。

2.2 多離子對(duì)粘土滲透性的影響

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的16個(gè)混合溶液，壓實(shí)粘土土樣在這16個(gè)溶液中滲流7d后，取樣研究K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+多離子共存時(shí)對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響，同時(shí)與上述的單離子溶液對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響進(jìn)行比較分析。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）交實(shí)驗(yàn)理論，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在第j列因素一定時(shí)，Kij（i=1，2，3，4）是在j因素（離子種類）條件下，溶液濃度分別在0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L時(shí)，金屬離子溶液作用土樣后，對(duì)應(yīng)土樣滲透系數(shù)的平均值。① 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映的一般規(guī)律：當(dāng)溶液中金屬離子濃度較大時(shí)，對(duì)粘土的滲透系數(shù)影響比低濃度溶液時(shí)的影響大。比較K1j、K2j、K3j、K4j的值，如j=1時(shí)，K11、K21、K31、K41為Na+在0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L時(shí)土樣的滲透系數(shù)平均值，滲透系數(shù)隨著溶液濃度的增加而變大；② 對(duì)比實(shí)驗(yàn)離子不同濃度條件下，對(duì)土體滲透性的影響程度。溶液中Na+的濃度在0.04mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，K+的濃度在0.02mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，Ca2+的濃度在0.02mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，而Fe3+、Mg2+濃度都在0.04mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大；③ 確定離子種類對(duì)土體滲透性的影響。比較R的值，可知R4>R3>R2>R5>R1，R值的比較說明了各個(gè)因素即各離子對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響程度。實(shí)驗(yàn)離子對(duì)滲透系數(shù)的影響程度排序?yàn)椋篎e3+>Ca2+>K+>Mg2+>Na+，高價(jià)離子對(duì)粘土的土工性質(zhì)影響程度比低價(jià)離子要高。

2.3 機(jī)理分析

（1）理論上，土的滲透系數(shù)隨著流體容重的增加而增加，隨粘滯性的增高而降低。與含有豐富離子成分的滲濾液相比，粘滯性較小的純水具有較高的滲透系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的土樣在Na+、Ca2+、Fe3+等金屬離子溶液中的滲透系數(shù)要高于在純水中的滲透系數(shù)。當(dāng)離子溶液濃度增加時(shí)，粘土顆粒吸附離子的數(shù)量增多，一些結(jié)合較緊的水分子被陽(yáng)離子替代，層間距離減小，導(dǎo)致粘土顆粒的凝聚，使得水流路徑變大，從而粘土的滲透系數(shù)就急劇增加。

（2）溶液中存在Fe3+時(shí)，滲透系數(shù)改變最大，增加幅度最大，這與高價(jià)金屬離子Fe3+對(duì)擴(kuò)散雙電層的厚度壓縮較多有關(guān)。在粘土吸附高價(jià)金屬離子后，擴(kuò)散雙電層的厚度將變小，在壓力作用下粘土顆粒趨于凝聚，顆粒之間的孔隙增大，形成較大的過水孔隙，使得滲透系數(shù)增加。

（3）混合溶液對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響結(jié)果分析可知，高價(jià)金屬離子在高濃度時(shí)對(duì)滲透系數(shù)的影響最大。同樣是由于高價(jià)金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力較強(qiáng)，活性較大，對(duì)粘土的滲透系數(shù)改變就比低價(jià)金屬離子大。

3 結(jié)論

3.1 相同濃度的離子溶液中，實(shí)驗(yàn)離子對(duì)滲透系數(shù)的影響程度為：Fe3+>Ca2+>K+>Mg2+>Na+，高價(jià)離子對(duì)粘土滲透性狀的影響程度比低價(jià)離子的影響程度要大。

3.2 滲濾液中大量的離子成分對(duì)粘土土工性質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，不垃圾填埋場(chǎng)中粘土襯墊在滲濾液中多種離子的長(zhǎng)期影響下，其性狀會(huì)發(fā)生改變。本次研究可為粘土作為襯墊的適宜性提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉和平，鄭潔明，劉巧麗.鉛和鎘在粘土襯層中滲透，遷移，轉(zhuǎn)化的研究.環(huán)境科學(xué)研究，1997，10（4），56-60.

[2]胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué).上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：張靜（1981-），女，江蘇徐州人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士，2007年至今在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院從事工程地質(zhì)、煤礦地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)等工作。endprint

摘 要：試驗(yàn)研究了垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中主要離子對(duì)粘土襯墊的影響，分析離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+5種金屬離子對(duì)粘土襯墊滲透性的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：粘土；金屬離子；滲透性

劉和平等（1997）研究了鉛和鎘在粘土襯層中的滲透、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溶液中離子對(duì)通過粘土層的滲透系數(shù)有一定影響，他指出混合溶液的滲透系數(shù)都比純水時(shí)的滲透系數(shù)低[1]。填理場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液將使填理場(chǎng)中粘土及下臥天然土層的組分、結(jié)構(gòu)、孔隙等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土的強(qiáng)度、壓縮性、滲透性、塑性等有所改變。我國(guó)規(guī)范（《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》（CJJ17-2004）等）中對(duì)粘土襯墊的要求都是針對(duì)未受污染的情況，粘土襯墊在填埋之后很難再修復(fù)。因此，針對(duì)粘土襯墊系統(tǒng)在滲濾液的長(zhǎng)期作用下能否滿足規(guī)范中要求的滲透性和強(qiáng)度的問題，試驗(yàn)研究了滲濾液中主要離子對(duì)粘土襯墊的影響，分析離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+5種金屬離子對(duì)粘土襯墊滲透性的影響規(guī)律。

1 金屬離子對(duì)粘土襯墊影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是，在模擬粘土襯墊裝置中，研究和確定滲濾液及金屬離子對(duì)粘土襯墊土工性質(zhì)的影響。圖1是設(shè)計(jì)的模擬垃圾填埋場(chǎng)粘土襯墊裝置。在實(shí)驗(yàn)裝置中，對(duì)壓實(shí)后的粘土直接進(jìn)行滲流，滲流時(shí)間為一周，滲流溶液與壓實(shí)粘土層充分反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)滲流過程與實(shí)際垃圾填埋場(chǎng)中滲濾液流經(jīng)襯墊系統(tǒng)的過程比較接近。滲流液體分別是K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+的金屬離子溶液。

1.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確定影響粘土性質(zhì)變化的因素，實(shí)驗(yàn)采用了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募爸饕x子成分，選擇因素水平。選取K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+五個(gè)因素，每個(gè)因素有四個(gè)水平，即四個(gè)不同的濃度0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L和0.04mol/L。正交實(shí)驗(yàn)安排按照正交表L16（45）（如表1-1）來安排。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①分別配制不同濃度水平的KCl、NaCl、CaCl2、FeCl3、Mg（NO3）2溶液，得到濃度分別為0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L的 K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+溶液。將不同濃度的單離子溶液分別倒入各模擬實(shí)驗(yàn)裝置中，并不斷加入溶液，對(duì)壓實(shí)粘土層進(jìn)行滲流。滲流過程中，溶液中的金屬離子不斷和粘土顆粒發(fā)生作用，從而影響粘土層的塑性、滲透性和強(qiáng)度等土工性質(zhì)。

② K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+五種金屬離子共同存在時(shí)，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，配制混合溶液，在粘土襯墊層進(jìn)行滲流。粘土受到多種金屬離子的共同作用，其塑性、滲透性和強(qiáng)度等性質(zhì)也將發(fā)生變化。

2 金屬離子對(duì)粘土滲透性的影響

粘土顆粒表面的離子分布以及雙電層的厚度估算實(shí)際是一個(gè)復(fù)雜的過程。土的結(jié)構(gòu)凝聚較分散具有較高的強(qiáng)度，較低的壓縮性和較大的滲透性。因?yàn)楫?dāng)顆粒處于不規(guī)則排列狀態(tài)時(shí)，粒間的吸引力大，不容易相互移動(dòng)[2]。

2.1 單離子對(duì)粘土滲透性的影響

當(dāng)土樣的密度是1.69g/cm3時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得土樣在純水中的滲透系數(shù)為1.95×10-6cm/s。選擇0.005mol/L、0.01 mol/L、0.02 mol/L三種濃度的Na+、Ca2+、Fe3+溶液，以NaCl、CaCl2、FeCl3為試劑，配制溶液，并對(duì)土樣滲流，滲流時(shí)間為7d，圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的土樣滲透系數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溶液中金屬離子的種類、濃度對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響有所不同。

從圖2數(shù)據(jù)，可以看出：

（1）總體趨勢(shì)上，土樣在Na+、Ca2+、Fe3+金屬離子溶液中的滲透系數(shù)要高于在純水中的滲透系數(shù)。土樣在純水中的滲透系數(shù)為1.95×10-6cm/s，而在金屬離子溶液中的滲透系數(shù)在2×10-6cm/s～7×10-6cm/s之間。

（2）滲透系數(shù)隨著溶液濃度的增加而升高。溶液中的金屬陽(yáng)離子Na+、Ca2+、Fe3+，在粘土顆粒表面發(fā)生離子吸附和交換，不同濃度的金屬離子對(duì)應(yīng)粘土的滲透系數(shù)不同。Na+、Fe3+濃度從0.005mol/L增加到0.02mol/L時(shí)，土樣的滲透系數(shù)分別從2.16×10-6cm/s、4.25×10-6cm/s增加到3.12×10-6cm/s、6.5×10-6cm/s。且溶液中存在Na+時(shí)，對(duì)滲透系數(shù)的影響不大，溶液中存在Fe3+時(shí)，土樣的滲透系數(shù)則改變較大，增加的最多。

2.2 多離子對(duì)粘土滲透性的影響

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的16個(gè)混合溶液，壓實(shí)粘土土樣在這16個(gè)溶液中滲流7d后，取樣研究K+、Na+、Ca2+、Fe3+和Mg2+多離子共存時(shí)對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響，同時(shí)與上述的單離子溶液對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響進(jìn)行比較分析。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）交實(shí)驗(yàn)理論，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在第j列因素一定時(shí)，Kij（i=1，2，3，4）是在j因素（離子種類）條件下，溶液濃度分別在0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L時(shí)，金屬離子溶液作用土樣后，對(duì)應(yīng)土樣滲透系數(shù)的平均值。① 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映的一般規(guī)律：當(dāng)溶液中金屬離子濃度較大時(shí)，對(duì)粘土的滲透系數(shù)影響比低濃度溶液時(shí)的影響大。比較K1j、K2j、K3j、K4j的值，如j=1時(shí)，K11、K21、K31、K41為Na+在0.005mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L時(shí)土樣的滲透系數(shù)平均值，滲透系數(shù)隨著溶液濃度的增加而變大；② 對(duì)比實(shí)驗(yàn)離子不同濃度條件下，對(duì)土體滲透性的影響程度。溶液中Na+的濃度在0.04mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，K+的濃度在0.02mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，Ca2+的濃度在0.02mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大，而Fe3+、Mg2+濃度都在0.04mol/L時(shí)，對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響最大；③ 確定離子種類對(duì)土體滲透性的影響。比較R的值，可知R4>R3>R2>R5>R1，R值的比較說明了各個(gè)因素即各離子對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響程度。實(shí)驗(yàn)離子對(duì)滲透系數(shù)的影響程度排序?yàn)椋篎e3+>Ca2+>K+>Mg2+>Na+，高價(jià)離子對(duì)粘土的土工性質(zhì)影響程度比低價(jià)離子要高。

2.3 機(jī)理分析

（1）理論上，土的滲透系數(shù)隨著流體容重的增加而增加，隨粘滯性的增高而降低。與含有豐富離子成分的滲濾液相比，粘滯性較小的純水具有較高的滲透系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的土樣在Na+、Ca2+、Fe3+等金屬離子溶液中的滲透系數(shù)要高于在純水中的滲透系數(shù)。當(dāng)離子溶液濃度增加時(shí)，粘土顆粒吸附離子的數(shù)量增多，一些結(jié)合較緊的水分子被陽(yáng)離子替代，層間距離減小，導(dǎo)致粘土顆粒的凝聚，使得水流路徑變大，從而粘土的滲透系數(shù)就急劇增加。

（2）溶液中存在Fe3+時(shí)，滲透系數(shù)改變最大，增加幅度最大，這與高價(jià)金屬離子Fe3+對(duì)擴(kuò)散雙電層的厚度壓縮較多有關(guān)。在粘土吸附高價(jià)金屬離子后，擴(kuò)散雙電層的厚度將變小，在壓力作用下粘土顆粒趨于凝聚，顆粒之間的孔隙增大，形成較大的過水孔隙，使得滲透系數(shù)增加。

（3）混合溶液對(duì)粘土滲透系數(shù)的影響結(jié)果分析可知，高價(jià)金屬離子在高濃度時(shí)對(duì)滲透系數(shù)的影響最大。同樣是由于高價(jià)金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力較強(qiáng)，活性較大，對(duì)粘土的滲透系數(shù)改變就比低價(jià)金屬離子大。

3 結(jié)論

3.1 相同濃度的離子溶液中，實(shí)驗(yàn)離子對(duì)滲透系數(shù)的影響程度為：Fe3+>Ca2+>K+>Mg2+>Na+，高價(jià)離子對(duì)粘土滲透性狀的影響程度比低價(jià)離子的影響程度要大。

3.2 滲濾液中大量的離子成分對(duì)粘土土工性質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，不垃圾填埋場(chǎng)中粘土襯墊在滲濾液中多種離子的長(zhǎng)期影響下，其性狀會(huì)發(fā)生改變。本次研究可為粘土作為襯墊的適宜性提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉和平，鄭潔明，劉巧麗.鉛和鎘在粘土襯層中滲透，遷移，轉(zhuǎn)化的研究.環(huán)境科學(xué)研究，1997，10（4），56-60.

[2]胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué).上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：張靜（1981-），女，江蘇徐州人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士，2007年至今在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院從事工程地質(zhì)、煤礦地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)等工作。endprint