李明玉，郭進(jìn)軍，張艷星

（洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471023）

0 引言

飽和滲透系數(shù)(ksat)是分析和模擬土壤中液體滲流和化學(xué)污染物遷移的一個(gè)重要參數(shù)?？紤]土樣保水能力的不同，該參數(shù)常被用于預(yù)測(cè)非飽和土的滲透系數(shù)[1-2]。據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)封場(chǎng)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)飽和滲透系數(shù)和壓實(shí)度的要求，一般飽和滲透系數(shù)不小于1×10-7cm/s，壓實(shí)度不低于90%，很難用普通變水頭的方法測(cè)量，并且普通的試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備用來(lái)測(cè)定軟黏土的滲氣率，多數(shù)為改進(jìn)的試驗(yàn)裝置來(lái)用于測(cè)定土體及混合材料的滲氣性。如：利用改進(jìn)的三軸滲氣儀和固結(jié)儀研究了含水率、干密度、豎向應(yīng)力以及混合材料的摻量對(duì)滲氣系數(shù)的影響[3-4]。WANG 等[3]利用固結(jié)儀壓縮試驗(yàn)對(duì)兩種最大粒徑（dmax為5 和0.4 mm）用2%生石灰處理的粉土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究骨料粒徑對(duì)石灰改性土壓縮性和透氣性的影響。楊益彪等[5]用自制的測(cè)量裝置測(cè)試黃土的氣體滲透系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明高壓實(shí)度黃土的氣體滲透系數(shù)隨服役含水率的變化明顯。

垃圾填埋場(chǎng)終覆蓋層的主要作用是控制上部雨水的入滲和下部垃圾填埋氣的逃逸，液體的入滲和氣體的排出都與覆層土的滲透特性直接相關(guān)。在傳統(tǒng)的垃圾填埋場(chǎng)中，多采用壓實(shí)黏土作為垃圾填埋場(chǎng)終覆蓋層材料[6-7]，利用其低滲透性作為填埋場(chǎng)的隔滲層。但受垃圾降解、季節(jié)性?xún)?融和干濕循環(huán)的影響，極易引起覆層土產(chǎn)生收縮裂隙。為彌補(bǔ)黏土覆層土的不足，提出一種新型覆蓋層改性材料來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)的填埋場(chǎng)壓實(shí)黏土覆蓋層，使其滿(mǎn)足滲透特性的要求。生物炭作為一種可持續(xù)和環(huán)保的垃圾填埋場(chǎng)上覆蓋層土體改良材料得到廣泛關(guān)注[8-9]。由于自身低密度、高比表面積、高孔隙率等特性[10-13]，生物炭能夠降低土體密度，增加土體孔隙率，影響土體團(tuán)聚體及孔隙大小的分布[14-16]，進(jìn)而影響土體的滲透特性[17-18]。目前有關(guān)生物炭改性土的水相滲透特性方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，但還沒(méi)有形成結(jié)論性的成果。ASAI 等[19-21]，研究表明，生物炭的摻入能夠增加滲透特性；GLASER 等[22-23]研究得出生物炭可以降低黏性土的容重，增加土體排水能力、通氣能力以及滲透能力；DEVEREUX 等[24-25]研究得出的結(jié)論卻相反，即生物炭的摻入反而降低了土體的滲透特性。

在滲水和滲氣特性預(yù)測(cè)方面，定量描述非飽和土水氣運(yùn)動(dòng)相互影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，并且將生物炭作為改性材料，應(yīng)用到垃圾填埋場(chǎng)上覆層土體，探討這一新型生物炭-黏土覆蓋層土體的水-氣運(yùn)移規(guī)律的研究較少。在土體中水氣運(yùn)動(dòng)是相互影響的，滲氣系數(shù)與滲水系數(shù)也相應(yīng)地存在著相互影響，但影響程度的量化問(wèn)題卻未見(jiàn)分析。迄今為止，既能定量描述非飽和土水氣運(yùn)動(dòng)的相互影響，又能考慮密度變化的滲透函數(shù)鮮見(jiàn)報(bào)道研究上覆層土體滲水滲氣變化規(guī)律的文章更有限。

因此，本文對(duì)滲水與滲氣之間的相互影響作定量分析，通過(guò)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的可控制水頭壓力的柔性壁水-氣聯(lián)合滲透儀測(cè)試裝置，測(cè)定不同生物炭摻量（0%、5%、10%、15%和20%）和干密度（1.42、1.56 和1.65 g/cm3）生物炭-黏土混合土的飽和滲透系數(shù)和滲氣系數(shù)，以期在基于生物炭摻量和試樣干密度雙因素影響的條件下，提出一種快速確定生物炭改性土滲水系數(shù)的方法，為定量描述土體孔隙中水氣運(yùn)動(dòng)之間的相互關(guān)系提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)所用黏土為低液限黏土。試驗(yàn)所用生物炭是以水稻秸稈為生物質(zhì)原材料，在限氧條件下經(jīng)高溫（500 ℃）熱解得到。試驗(yàn)用黏土的基本物理化學(xué)指標(biāo)液限WL、塑限WP、塑性指數(shù)Ip、最優(yōu)質(zhì)量含水率、顆粒相對(duì)密度ds、最大干密度和pH 值分別為35.98%、22.20%、13.78、22.50%、2.67、1.65 g/cm3和7.70；生物炭的基本物理化學(xué)指標(biāo)，如比表面積（specific surface area,SSA）、顆粒相對(duì)密度ds、密度ρd、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH 值分別為385.60 m2/g、1.99、0.55 g/cm3、18.80%、11.63%、10.00。依據(jù)ASTM D 1 762-84 的木材木炭化學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[26]，測(cè)得生物炭的灰分含量為18.80%，具體做法是稱(chēng)取20 g 生物炭放入馬弗爐中，設(shè)置800 ℃，持續(xù)燒4 h 后獲取質(zhì)量損失率。

為分析試驗(yàn)用土和生物炭的顆粒分布情況，采用篩分法對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1 所示。如黏土中粒徑小于0.005 mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%左右，屬于低黏性土，并且對(duì)比細(xì)粒土分類(lèi)塑性圖可以判斷該試驗(yàn)用土為低液限黏土。將生物炭原樣過(guò)74 μm 篩，制備成粒徑小于74 μm 的生物炭試樣待用。過(guò)篩后生物炭的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1 所示。

圖1 黏土和生物炭的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distributions of the clay and biochar

由于高溫?zé)峤獠粫?huì)損傷原始生物質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)，生物炭的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征能夠很好地保留，如圖2 所示。從水稻秸稈生物炭樣品的SEM 微觀形貌特征能夠看出生物炭的多孔性結(jié)構(gòu)和孔隙形狀。

圖2 生物炭的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Micropore structure characteristics of biochar

試樣制備：按生物炭占混合土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%和20%配置5 種生物炭與黏土混合土樣。干密度為1.42、1.56 和1.65 g/cm3，壓實(shí)度分別為黏土最大干密度的85%、95%和100%。每種物質(zhì)質(zhì)量的計(jì)算參照趙曉澤等中的計(jì)算方法[27]。依據(jù)黏土的最大干密度，結(jié)合《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)封場(chǎng)技術(shù)規(guī)范：GB51220-2017》要求填埋場(chǎng)覆蓋層頂部土體壓實(shí)度應(yīng)不小于土體最大干密度的90%，邊坡壓實(shí)度不小于85%。將稱(chēng)量好的生物炭和干土拌和均勻后再加去離子水，拌和后將土樣放入保鮮袋中靜置24 h，之后放入制樣器，用千斤頂壓實(shí)，制備直徑6.18 cm，高度4.00 cm，初始含水率為14.0%的壓實(shí)試樣。

1.2 滲透系數(shù)測(cè)試

采用自行設(shè)計(jì)的柔性壁水-氣聯(lián)合滲透系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)裝置測(cè)定試樣的水相和氣相滲透系數(shù)，試驗(yàn)裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 柔性壁水-氣聯(lián)合滲透試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible wall water-air combined permeability test device

該試驗(yàn)裝置主要包括壓縮氣源、數(shù)顯精調(diào)調(diào)壓器、水壓力控制器、儲(chǔ)氣罐、壓力室、U 型壓力計(jì)和鹽水分離器。在進(jìn)行水相滲透試驗(yàn)時(shí)，采用圖3a 所示的試驗(yàn)裝置示意圖。氣源連接儲(chǔ)水容器的進(jìn)氣口，容器的出水口連接試樣室的入水口，使溶液通過(guò)透水石均勻地入滲到土樣上。采用氣壓給水施加壓力形成水頭壓，設(shè)定試驗(yàn)水頭壓為50 kPa。試驗(yàn)過(guò)程中，利用數(shù)顯精調(diào)調(diào)壓器控制氣壓為50 kPa，通過(guò)氣壓作用于去離子水表面，形成穩(wěn)定的滲透水頭壓。待試樣上部溶液滲出后，采用電子天平上的量筒收集溶液的滲水量，間隔一定的時(shí)間讀取電子天平的讀數(shù)，得出滲流時(shí)間與滲水量之間的關(guān)系曲線。

在進(jìn)行氣相滲透試驗(yàn)時(shí)，如圖3b 所示。壓力室底部的進(jìn)氣口連接儲(chǔ)氣罐，此儲(chǔ)氣罐的另一端與壓縮氣源連接。在儲(chǔ)氣罐和壓縮氣源之間設(shè)置一數(shù)顯精調(diào)調(diào)壓器來(lái)調(diào)控壓力的大小。需要注意的是在儲(chǔ)氣罐中盛放少量水，用于增加氣體濕度，避免氣體直接進(jìn)入干化土樣。BLIGHT等[28]表明，當(dāng)氣壓低于8 kPa 時(shí)，氣體流動(dòng)呈層流狀態(tài)，氣體在土中的滲流量與空氣密度關(guān)系不大，可使用常滲透系數(shù)的達(dá)西定律來(lái)描述氣體的遷移狀態(tài)；當(dāng)氣壓超過(guò)8 kPa，氣體流動(dòng)呈紊流狀態(tài)，除產(chǎn)生黏滯阻力外，還會(huì)產(chǎn)生較大的慣性阻力，此時(shí)流量與壓差不再呈線性關(guān)系，達(dá)西定律不再適用[29]。試驗(yàn)前，在壓力室施加40 kPa的圍壓，待U 型管的氣體壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力值（約7.8 kPa）2 min 后，開(kāi)始進(jìn)行滲氣測(cè)試。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)（t=0），打開(kāi)儲(chǔ)氣罐與壓力室之間的閥門(mén)，使氣體自下而上流過(guò)樣品，并隨著時(shí)間的推移記錄U 型管液面的高度。

基于Darcy 定律，YOSHIMI 等[30]推導(dǎo)證明出t時(shí)刻的氣壓P(t)與初始?xì)鈮篜(0)比值的對(duì)數(shù)lg[P(t)/P(0)]與時(shí)間t呈線性關(guān)系，并給出了基于該直線斜率的氣體滲透系數(shù)ka的計(jì)算公式：

式中ka為氣體滲氣系數(shù)，m2；h為試樣高度，m；A為試樣的截面面積，m2；V為儲(chǔ)氣罐體積，m3；μa為氣體的動(dòng)黏滯系數(shù)，Pa·s；Pa為大氣壓，Pa。

此裝置模擬水頭壓始終為一定值，所以壓實(shí)土樣的滲透系數(shù)ksat可采用以下公式計(jì)算：

式中ksat水相飽和滲透系數(shù)，cm/s；L試樣高度，cm；Q穩(wěn)定滲流階段的滲透流量，cm3/s；Δh試樣兩端水頭差，cm。

1.3 滲水系數(shù)與滲水率的轉(zhuǎn)換關(guān)系

IVERSEN 等[31]研究表明水相飽和滲透系數(shù)ksat和滲透率kw存在式（3）中的關(guān)系，所以可將試驗(yàn)測(cè)得的飽和滲透系數(shù)ksat進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中ksat為飽和滲透系數(shù)，cm/s；kw為滲透率，m2；g為重力加速度，9.8 m/s2；ρw為水的密度，g/cm3；vw為水的運(yùn)動(dòng)黏度，取vw=1.01×10-6m2/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭摻量對(duì)壓實(shí)生物炭-黏土混合土滲水率的影響

不同初始干密度和生物炭摻量的生物炭-黏土混合土水相滲透率kw的變化規(guī)律曲線見(jiàn)圖4 所示。

圖4 不同生物炭摻量下生物炭-黏土混合土的滲透率Fig.4 Permeability of biochar-clay mixed soil with different biochar content

從圖4 中可以看出，隨著生物炭摻量的增加，生物炭-黏土混合土的滲透率逐漸增大。并且初始干密度越小，隨生物炭摻量的增加，滲透率增加的幅度越明顯。這是因?yàn)樵诔跏几擅芏葹?.65 g/cm3時(shí)，混合土土樣的壓實(shí)度接近100%，孔隙率較小，土樣結(jié)構(gòu)非常致密，所以幾乎沒(méi)有可滿(mǎn)足液體滲流的路徑。因此，隨著生物炭摻量的增加，試樣的滲透率kw值變化不明顯。而對(duì)于初始干密度為1.42 g/cm3，壓實(shí)度為85%的試樣，生物炭摻量為0 的kw值為7.67×10-17m2，經(jīng)5%、10%、15%和20%生物炭處理后的土樣kw值分別為8.25×10-17、8.89×10-17、10.40×10-17和18.25×10-17m2，相對(duì)于純黏土而言，摻20%生物炭土樣的滲透率增加了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，由此可以看出混合土的滲透率有了明顯的提高。分析原因可能是生物炭疏松多孔，加入到土中后，會(huì)顯著影響土體的孔隙率。對(duì)于顆粒粒徑大于生物炭粒徑的材料，生物炭作為填充物充填在顆粒孔隙間，因此，混合材料的孔隙率減小，滲透率降低[32-33]。

從圖4 中還可以看出，在相同生物炭摻量下，初始干密度越大生物炭-黏土混合土的滲透率越小。這是由于干密度越大，土顆粒間的接觸越緊密，此時(shí)土樣中的孔隙形態(tài)多以黏土團(tuán)聚體體內(nèi)孔隙為主，所以表現(xiàn)為滲透性較小。由于生物炭具有強(qiáng)吸附、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特性，加入土體之后增加土樣的孔隙度，間接地增加了土樣內(nèi)部連通性，所以滲流溶液更容易通過(guò)，相應(yīng)的滲透率也更大。

2.2 生物炭摻量對(duì)生物炭-黏土混合土滲氣特性的影響

在不同干密度1.65、1.56 和1.42 g/cm3條件下，生物炭-黏土混合土的滲氣系數(shù)ka與生物炭摻量之間的關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 生物炭摻量對(duì)生物炭-黏土混合土滲氣率的影響Fig.5 Effects of biochar content on gas permeability of biocharclay mixed soil

從圖中可以看出，干密度為1.42 g/cm3時(shí)，生物炭-黏土混合土的滲氣系數(shù)隨生物炭摻量的增加持續(xù)減小。而干密度為1.56 和1.65 g/cm3時(shí)，混合土的滲氣系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。在下降階段，干密度為1.56 g/cm3土樣的滲氣系數(shù)減小的速率更快。對(duì)于干密度為1.56 g/cm3的土樣來(lái)說(shuō)，生物炭摻量α為0 的滲氣系數(shù)ka為1.26×10-14m2，摻量α=5%的滲氣系數(shù)ka為4.23×10-15m2，減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，當(dāng)干密度為1.65 g/cm3時(shí)，生物炭摻量α＜15%時(shí)，隨著生物炭摻量的增加，混合土的滲氣系數(shù)降低幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)樘砑由锾磕軌蛱畛漯ね翀F(tuán)聚體之間的空隙，所以在一定生物炭摻量下表現(xiàn)為隨著生物炭摻量的增大，土樣滲氣系數(shù)呈逐漸減小的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)干密度較小時(shí)，黏土中存在較多的團(tuán)聚體體間孔隙，生物炭顆粒填充部分體間孔隙，土體變得致密，并且摻量越大填充效果越顯著，所以表現(xiàn)為隨著生物炭摻量的增加，混合土的滲透系數(shù)呈較大幅度降低的發(fā)展趨勢(shì)；當(dāng)干密度較大時(shí)，土樣的致密程度越高，黏土團(tuán)聚體的體間空隙相對(duì)較少。此時(shí)生物炭的填充效果不明顯，土樣的滲氣性主要受黏土團(tuán)聚體體內(nèi)孔隙的影響[34-35]。因此，隨著生物炭摻量的增大，土樣的滲氣系數(shù)降低幅度相對(duì)較小。

當(dāng)生物炭摻量α=20%時(shí)，對(duì)于壓實(shí)度不小于黏土最大干密度90%的1.56 和1.65 g/cm3兩個(gè)干密度的混合土土樣，ka值基本一致。說(shuō)明此時(shí)生物炭-黏土混合土的滲氣率主要由生物炭孔隙及大孔隙（團(tuán)聚體之間的孔隙）起主要作用，表現(xiàn)為試樣的滲氣率影響減小。分析原因可能是隨著生物炭摻入比例的增加，部分生物炭填充黏土顆粒間的孔隙，部分分散于黏土團(tuán)聚體外。而生物炭具有疏松多孔的特性，所以出現(xiàn)滲氣系數(shù)隨生物炭摻量增大而增大的現(xiàn)象。WONG 等[8]表明，對(duì)其所研究的生物炭與黏土混合土，在壓實(shí)度為85%，生物炭摻量大于10%時(shí)，隨著生物炭摻量增大，混合土試樣的滲氣系數(shù)亦出現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)。該圖表明了對(duì)于滲氣性而言，存在一生物炭摻量，可以使?jié)B氣系數(shù)達(dá)到最低，該趨勢(shì)在較低干密度時(shí)更加明顯。YAGHOUBI[36]表明，對(duì)生物炭改性土，存在最優(yōu)生物炭摻量值，使得生物炭改性土的孔隙最致密，滲透系數(shù)最小。

3 生物炭摻量生物炭-黏土混合土的滲氣率和飽和滲透系數(shù)的關(guān)系

滲流溶液和氣體在土體中運(yùn)移與土體的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，孔隙是水氣滲透的共同通道。因此，很有必要研究土體水相和氣相滲透相互影響的定量關(guān)系。

從圖6a 中可以看出，在相同干密度下，隨著生物炭摻量的增加，試樣的lgka和lgksat間都呈現(xiàn)線性，并且兩者之間呈反比的關(guān)系。初始干密度為1.42、1.56 和1.65 g/cm3時(shí)，對(duì)應(yīng)的曲線斜率分別為-1.05、-0.95 和-0.93。即隨著干密度的增大，斜率是逐漸減小的。由此可以得出，在干密度較大時(shí)，隨著生物炭摻量的增大，ka隨著生物炭摻量的變化程度比ksat大，擬合曲線更平緩。在相同生物炭摻量下，隨著混合土干密度增大，試樣的lgka和lgksat間呈線性變化關(guān)系，兩者之間的變化趨勢(shì)相同。

圖6 生物炭-黏土混合土的飽和滲水系數(shù)和滲水率與滲氣率的關(guān)系Fig.6 Relationship between saturated permeability coefficient,water permeability,and gas permeability of biochar-clay mixed soil

分析圖6b 生物炭-黏土混合土滲水率與滲氣率的關(guān)系曲線可以得出與圖6a 類(lèi)似的變化關(guān)系。綜上所述表明，生物炭-黏土混合土的水相和氣相滲透系數(shù)存在lgksat和lgka或kw和ka與生物炭摻量α和干密度ρd相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。

利用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)整理出不同干密度下滲氣系數(shù)ka與滲水系數(shù)kw的比值ka/kw隨生物炭摻量的變化關(guān)系曲線，見(jiàn)圖7 所示。從圖中可以看出，隨著生物炭摻量的增加，ka/kw與生物炭摻量呈線性關(guān)系，并且隨摻量的增加而減小。在較高干密度時(shí)，隨著生物炭摻量的增大，曲線斜率減小。這是因?yàn)楫?dāng)干密度較大，趨近于土體最大干密度時(shí)，土樣結(jié)構(gòu)更致密，孔隙較小。此時(shí)曲線斜率幾乎不變，說(shuō)明生物炭摻量對(duì)土樣滲氣滲水系數(shù)的影響不明顯；當(dāng)干密度較小時(shí)，試樣相對(duì)較疏松，土樣的孔隙較大，添加生物炭后，炭顆粒進(jìn)入土體的體間孔隙，使土樣的孔隙結(jié)構(gòu)更致密，氣體不易通過(guò)。由于生物炭本身屬于親水性物質(zhì)[37]，滲流液體在滲透壓的作用下，滲流液體更容易從孔隙中穿過(guò)，表現(xiàn)為隨生物炭摻量增大，ka/kw值逐漸減小。

圖7 不同干密度下ka/kw 與生物炭摻量的關(guān)系Fig.7 Relationship between ka/kw and biochar content under different dry density

圖7 中不同干密度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用一般指數(shù)函數(shù)表示，即

式中m和n分別為試驗(yàn)參數(shù)。

從圖7 的擬合曲線可得到不同干密度下生物炭-黏土混合土的參數(shù)值m、n和曲線的擬合系數(shù)R2見(jiàn)表1 所示。

表1 ka/kw 與α 關(guān)系曲線擬合參數(shù)m,n 和R2Table 1 Parameters m,n and R2 of curve fitting formula between ka/kw and α

通過(guò)表1 中的數(shù)據(jù)，可得出參數(shù)與干密度ρd的關(guān)系。結(jié)合數(shù)據(jù)擬合方法，近似用線性關(guān)系來(lái)描述擬合參數(shù)m、n與干密度ρd的關(guān)系。其中R2值為刻畫(huà)曲線擬合精度的決定系數(shù)，具體可用下式表示：

擬合參數(shù)m、n與干密度ρd的關(guān)系用近似線性方法來(lái)描述?？杀硎緸?/p>

式中s1，s2，t1和t2均為曲線的擬合參數(shù)，可根據(jù)擬合參數(shù)m、n與干密度ρd的類(lèi)似線性關(guān)系得到。其中s1=-679.33；s2=1 265.5；t1=-0.159 4；t2=0.310 4。

將式（6）和（7）代入式（4）可得：

將式（8)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，由此可得到滲水系數(shù)kw可表示為

式（9）是有關(guān)滲氣系數(shù)ka、干密度ρd和生物炭摻量α的滲氣滲水函數(shù)關(guān)系式，即kw=f(ka，ρd，α)。該函數(shù)關(guān)系式針對(duì)生物炭改良土的滲水系數(shù)不易測(cè)試的短板，尤其是在干密度較大時(shí)，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)的不利條件下。引入測(cè)試速度快、容易測(cè)定的滲氣系數(shù)ka為自變量，又同時(shí)考慮了干密度ρd和生物炭摻量的影響。式（9）從定量角度描述了試樣在不同干密度和生物炭摻量下滲水滲氣系數(shù)的相互影響。此外，對(duì)于非飽和土的滲水系數(shù)的研究至今還沒(méi)有明確的定論，該函數(shù)關(guān)系的建立可為非飽和土的滲水滲氣的研究奠定基礎(chǔ)。

4 滲氣滲水函數(shù)關(guān)系的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證式（9）表達(dá)的滲氣滲水函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行了干密度為1.50 和1.60 g/cm3生物炭-黏土混合土的滲水試驗(yàn)。

圖8 為利用上述預(yù)測(cè)公式（9）計(jì)算得到的不同生物炭摻量下生物炭-黏土混合土的預(yù)測(cè)滲水系數(shù)值和實(shí)測(cè)值的關(guān)系曲線。

圖8 不同干密度下的滲水系數(shù)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值關(guān)系Fig.8 Relationship between measured value and predicted value of water permeability coefficient under different dry density

從圖8 中可以看出，兩種干密度下生物炭-黏土混合土的預(yù)測(cè)滲水系數(shù)值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合程度整體較好，兩種干密度試樣的曲線擬合系數(shù)R2分別為0.917 3 和0.997 4。在生物炭摻量15%時(shí)，兩種試樣的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值出現(xiàn)較小的偏差，分析原因可能是在生物炭摻量較大時(shí)，土樣拌合過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，所以滲流液體在土體中運(yùn)移會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏差。這些誤差可以在試驗(yàn)過(guò)程中將其避免掉，所以不會(huì)影響整體的預(yù)測(cè)值。

5 結(jié)論

本文考慮垃圾填埋場(chǎng)終覆蓋層土體中水氣滲透運(yùn)移的相互影響機(jī)制建立水相滲透和氣相滲透兩者之間的關(guān)系，構(gòu)造出初始干密度和生物炭摻量雙因素變化下生物炭-黏土混合土滲水滲氣的函數(shù)關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1）黏土中添加生物炭能夠改變土體的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土體的滲透特性。隨著生物炭摻量的增加，試樣的滲水率逐漸增大；而滲氣率根據(jù)壓實(shí)度的不同出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。滲水率和滲氣率的變化趨勢(shì)呈反比例關(guān)系。

2）考慮干密度和生物炭摻量對(duì)生物炭-黏土混合土滲氣滲水系數(shù)的影響，建立了有關(guān)干密度和生物炭摻量雙因素變化的滲水系數(shù)函數(shù)關(guān)系方程。該函數(shù)關(guān)系方程針對(duì)生物炭改性土的滲水系數(shù)不易測(cè)試的短板，尤其是在干密度較大時(shí)，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)的不利條件下。引入測(cè)試速度快、容易測(cè)定的滲氣系數(shù)為自變量，又同時(shí)考慮了干密度和生物炭摻量的影響，能快速的預(yù)測(cè)試樣的滲水系數(shù)。該預(yù)測(cè)函數(shù)為環(huán)境工程領(lǐng)域研究水-氣之間的相互關(guān)系提供理論支撐。

3）利用干密度為1.50 和1.60 g/cm3的試樣作為驗(yàn)證組，分別對(duì)該滲氣滲水函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：兩種干密度下生物炭-黏土混合土的預(yù)測(cè)滲水系數(shù)值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合程度整體較好，說(shuō)明該函數(shù)具有很好的適用性。