垂直防渗墙

翻译自 Vertical Impermeable Barriers (Cutoff  Walls)

每天翻译点,待续。

1.主要概念

垂直防渗墙或垂直屏障在环境岩土工程中常常用以控制污染物的扩散。垂直屏障一般是直接通过将污染物封闭住,隔绝外界环境或控制地下水的对流来控制污染物的扩散。垂直屏障常常和顶部覆盖或底部衬垫协同作用,形成一个完成的污染控制结构。

当地下水的流动不确定时,垂直屏障常常需要嵌入“不透水层”。图1是一个垂直防渗墙完全包裹填埋废弃物,并嵌入不透水层的二维示意。相似的,图2是包含修复抽水井和监测井的的四周型垂直防渗墙平面图。理论上,场地内的污染物不能渗出,外界的地下水也不能深入(USEPA,1995)。

图1 四周型垂直屏障嵌入不透水层(USEPA,1995)
图2  圆周型垂直屏障附近的地下水对流

垂直防渗墙可以建造成各种形式用以控制地下水的流动。垂直防渗墙可以如图1般嵌入弱透水层。当未嵌入弱透水层时,也可以悬挂起来。悬挂墙一般用于控制漂浮污染物或轻非水相液体或仅仅是阻碍地下水的流动。垂直防渗墙可以用于正梯度或负梯度,简单来说就是垂直防渗墙对于地下水的流向来说是污染物的前方或后方
(USEPA, 1998; Van Deuren et al., 2002)。图1是垂直防渗墙配置的总览。图3表示的是填埋场后的反梯度悬挂防渗墙。

表1 垂直防渗墙组成的概览(USEPA, 1984)

图3 悬挂型垂直防渗墙

垂直防渗墙经常和其他污染修复技术联合使用,例如抽水井和重力排水。图4表示的是下游的悬挂防渗墙来阻止上浮污染物的移动并采用抽水井将污染物从土中抽走。

图 4 防渗墙、抽水井修复组合

尽管垂直防渗墙常常被认为是不透水屏障,但是并不能完全不透水 (USEPA, 1995)。根据墙的类型和安装方法的不同,垂直防渗墙的性质可能差异很大,并有可能超过控制污染物的最小渗透系数(10-7cm/s)的要求。垂直防渗墙的种类很多,但是本文主要讨论的包含泥浆墙、灌浆墙、土混合墙、板桩墙和土工膜(GM)墙。

2.技术

2.1泥浆墙

理论背景和应用性

泥浆墙常常用以控制或转移饮用水取水口的受污染地下水,从污染场地中转移未受污染的地下水,或为地下水处理系统提供一个屏障(Van Deuren et al., 2002)。

总的来说,泥浆墙包含沿着场地四周垂直开挖的沟槽。该沟槽由膨润土泥浆填充并支护,然后回填入低渗透性的材料,例如1×10-6 cm/s 或更低(USEPA, 1998)。三种主要的泥浆墙为土-膨润土、水泥-膨润土和土-水泥-膨润土(具体见2.1.1-3)。基于泥浆墙的种类,回填材料可能还包含膨润土、其他粘土、水泥、粉煤灰、炉渣或其材料(Pearlman, 1999)。

泥浆墙常常用于污染物的量太大或可溶、易扩散的污染即将对饮用水源造成危险时使用 (Van Deuren et al., 2002)。

泥浆墙已经被认为是一种有效期长达50年的地下水渗流控制手段,并且已经被验证作为最终屏障的有效性。因此泥浆墙设计、施工的要求、设备、实践已经很好的建立了(Pearlman, 1999; Van Deuren et al., 2002)。从上世纪90年代,泥浆墙就开始用于污染控制。应用中的问题主要在于具体的某种污染物会降低泥浆墙的性能,并降低其长期有效性。因此尽管建立了设计和施工准则,但是如何针对特定污染物选择合适的泥浆墙材料还有待进一步的研究 (Van Deuren et al., 2002)。Ressi and Cavalli (1985)补充认为泥浆墙不宜作为污染防治的最终手段,因为当存在化学物质时,这些墙体的性能是未知的。

基于场地修复和污染物控制,最有效的垂直防渗墙形式是嵌入式的,其中墙应嵌入低渗透曾2~3英尺,例如粘土或基岩,降低底部泄露的可能性(Van Deuren et al., 2002)。

下列影响因素是设计泥浆墙时必须考虑的因素Van Deuren et al. (2002):

  • 允许的最大渗透系数
  • 预计的水力梯度
  • 要求的墙体强度
  • 使用膨润土的供给和等级
  • 与废弃物和污染物接触的泥浆墙材料的匹配性
  • 回填材料的性质
  • 场地的地势和地层结构

优势(Pearlman, 1999; USEPA, 1998)

  • 可以达到低于 10-7 cm/s 的低渗透性;
  • 最常用的垂直防渗墙类型;
  • 因为施工的要求和应用非常熟练,因此功效比较快;
  • 深度可以达200英尺
  • 这是唯一一种可以保证关键材料目测的方法,因此可以保证施工过程中的嵌入深度

缺点(Sharma & Reddy, 2004)

  • 深度大于50英尺需要专用的仪器设备;
  • 较大的开挖场地、开挖土的存储、泥浆混合、材料存储等;
  • 难以保证墙体的完整性

现场设置及施工过程

泥浆墙的最主要的一个缺点是泥浆沟槽施工所需要较大的场地。泥浆墙安装中主要的施工过程包含“施工前计划和动员,场地的准备,泥浆的搅拌和水合作用,土的开挖,回填的准备和施工,场地的清理和人员的遣散” (USEPA, 1995) 。为了完成所有的目标,需要较大的场地来容纳各种搅拌场地、开挖土的存储、重型机械等。典型泥浆开挖的过程见图5.常见的影响泥浆墙建设的物理组成见表2。

图5 土-膨润土防渗墙的施工(Rumer and Ryan, 1995 as presented by Evans, 1995)

表2 物理组成的类型和在垂直防渗墙中的作用

2.1.1 土-膨润土泥浆墙

理论背景和应用

土-膨润土泥浆墙是美国最常见的污染物控制技术 (Katsumi et al., 2009; Pedretti et al., 2012; USEPA, 1998) 。如名字所说,是将膨润土泥浆和开挖土混合的一种技术 (USEPA, 1998; Van Deuren et al., 2002) 。美国环保局(1998)报告显示额外的材料或干膨润土可以添加入土-膨润土混合材料中,来满足设计要求。特定加入回填料中的材料主要是为了提高其吸附能力。

Bentonite provides a high sorptive capacity, thixotropic nature, high dispersibility, sufficient deformability, and low-permeability (Garving & Hayles, 1999; Katsumi et al., 2009). Figure 6, shows they hydraulic conductivity as a function of percent fines and coarse fraction of the backfill. However, Katsumi et al. (2009) suggest that in order to promote the application of soil-bentonite walls there are several issues to be solved such as “achieving the higher construction quality and understanding the chemical compatibility.”

图6 细粒含量和粗粒含量对渗透系数的影响

2.1.2 水泥-膨润土泥浆墙

理论背景和应用

水泥-膨润土泥浆墙是欧洲常见的垂直防渗墙形式,特别是英国基于防渗控制 (Garvin & Hayles, 1999; USEPA, 1998) 。最初的目的是排水,但是逐渐拓展到工业或填埋场地得地下水污染控制 (Garvin & Hayles, 1999) 。对于水泥-膨润土泥浆墙,沟槽回填前将水泥和膨润土泥浆混合。但是最初的问题是水泥和膨润土混合时会产生反应,泥浆变得不均匀不稳定,同事由于絮凝和沉降,固液两相分离。因此,现在膨润土和水泥直接在粉末状混合。这些粉末可以作为商品出售及购买 (Koch, 2002) 。

当需要更高的结构强度,或膨润土与场地污染物存在化学不相容,或缺少回填土,或回填时缺少足够的空间用于搅拌或垂直防渗墙的剪切强度是在陡峭处存在安全隐患,可以采用水泥-膨润土垂直防渗墙 (Pearlman, 1999; USEPA, 1998; Van Deuren et al., 2002) 。最常见的水泥是波特兰水泥 (Garvin & Hayles, 1999; Pearlman, 1999) 。水泥-膨润土不但提高了墙体的强度,也使其渗透系数提高到
10-5-10-6 cm/s ,这对于 10-7 cm/s 渗透系数的典型要求是一个问题 (Pearlman, 1999; USEPA, 1998) 。这个现场可以从图7中看出。但是,例如高炉矿渣可以和水泥协同作用,降低渗透系数到 10-7-10-8 cm/s (Pearlman, 1999)。另外一个关注点是污染物可以影响其长期稳定性和性能 (Garvin & Hayles, 1999) 。 Pearlman (1999) 建议添加粉煤灰来降低水泥的侵蚀。表4表示的是水泥-膨润土泥浆的典型组成。表5和表6分别对比了土-膨润土和水泥-膨润土泥浆和回填的一些性质。

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