垃圾土气体渗透特性试验研究

曾刚，李业学，王婧，马骏，刘磊*，田宇

(1.湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；3.武汉环境投资开发集团有限公司，湖北 武汉 430015)

0 引言

填埋气体的灾变控制与资源化利用是环境岩土工程领域研究的热点课题之一[1-5]。填埋气体的收集利用具有重要的现实意义，一方面可以减少环境污染问题，另一方面可以变废为宝，创造可观的环境效益、社会效益和经济效益。垃圾土的气体渗透率和孔隙度是填埋气体迁移的关键参数，它是反映多孔介质自身传递流体能力的物理参数也是影响填埋气体迁移规律预测、收集利用和导排的重要参数[6]。系统掌握垃圾土的气体渗透特性，可为填埋气体迁移规律的合理预测提供理论依据，也为科学而有效的收集利用填埋气体提供技术支持。

气体渗透率和孔隙度是表征垃圾土气体渗透特性的重要指标。目前，很多学者对垃圾土的气体渗透特性开展了研究。彭绪亚等[7]研制了箱体导气试验装置，研究了压实密度和含水率对不同降解阶段填埋垃圾体渗透特性的影响，结果表明新鲜垃圾与混和垃圾的渗透系数接近，腐熟垃圾明显高于前两者，含水率对渗透系数的影响要远小于压实密度的影响。彭绪亚等[8]研究表明垂直压实的填埋垃圾体中，水平方向渗透系数平均值Kh为垂直方向渗透系数Kv的7.5～20倍，填埋垃圾体各向异性特征明显，垃圾体渗透系数与压实密度、含水率的关系分别满足指数和线性递减规律。KALLEL等[9]研制了圆筒导气试验装置，测定了预处理后的新鲜垃圾和焚烧后垃圾的气体渗透性，结果表明固有渗透率介于10-10～10-9m2。魏海云等[10]通过自制导气试验装置，开展了七子山填埋场现场钻孔垃圾试样气体渗透性室内试验，结果表明所测试垃圾固有渗透系数为10-13～10-10m2，垃圾试样的孔隙比、饱和度和组分对气体渗透性均有显著的影响。施建勇等[6]研制了垃圾土的非饱和渗透试验仪，开展了气体压力和孔隙对垃圾土气体渗透系数影响的室内试验，研究发现渗透系数随渗透压力呈现非线性特性，且可以用Forchheimer非达西渗流方程较好地拟合。STOLTZ等[11-12]自主研发了一套测定气体渗透率的设备，开展了法国某垃圾填埋场现场新鲜垃圾试样的气体渗透率室内试验，结果表明渗透率的范围为10-14～2×10-10m2。

本文介绍了自主研制的垃圾土气体渗透特性试验装置的构造、基本原理和试验方法，并开展了气体压缩性近气端压力、压缩位移等不同影响因素下的室内试验研究，研究成果可为填埋气体迁移和资源化利用的研究提供支撑。

1 试验装置

1.1 装置组成

垃圾土的气体渗透特性试验装置[13]是由自主设计研发，可测定垃圾土孔隙度和气体渗透率等指标。设备的实物图和部分细节构造如图1和图2所示。主要由：1-氮气瓶，2-框架，3-加压气缸，4-电磁阀，5-位移传感器，6-加载活塞，7-压力传感器，8-气体标准压力室，9-六通阀，10-试样筒，11-固定底座，12-控制箱，13-压力、位移、气体压力和流量显示盘，14-管路，15-试样进气端控制阀，16-加载压力控制阀，17-流量计控制阀，18-加压气缸升降按钮，19-总电源开关，20-气缸浮动接头，电脑以及数据实时采集系统等构成部件组成。

试验装置基本技术参数[14]：试样筒的材质为316L不锈钢，耐腐蚀，承压范围为0～1 MPa，竖直放置；试样筒的直径为100 mm，高度为300 mm，压实行程为0～150 mm；气体压力标准室由一个体积为200 mL和500 mL共同组成，气体压力标准室的工作压力范围为0～16 MPa；位移传感器的量程为0～150 mm，精确度为0.01 mm；气体质量流量计为0～500 mL/min和0～5 000 mL/min两个不同的量程，小量程用于开展试样渗透率小的试验，大量程可用于开展试样渗透率大的试验，精确度分别为0.01 mL/min，0.1 mL/min。

图1 垃圾土气体渗透特性试验装置

图2 垃圾土气体渗透特性试验装置细部结构图

1.2 孔隙度和气体渗透率测试基本原理

1.2.1 孔隙度测试

孔隙度的测定是基于波义耳定律，即在恒温下，密闭容器中的定量气体，气体的压强和体积成反比关系。P1V1=P2V2,P1为平衡前的压力，V1为平衡前的体积，P2为平衡后的压力，V2为平衡后的体积。平衡前的体积V1通过标定可获得，由波义耳定律根据式(1)可计算出平衡后的体积V2，即可获得试样中的孔隙体积。根据孔隙度的定义，孔隙体积与总体积之比，即可获得垃圾土试样的孔隙度。

VSC·P1=(VSPC-VS+VSC)·P2，

(1)

式中，VSC是气体标准压力室的体积，VSPC是试样筒中垃圾土样本的体积，VS是试样的固体颗粒体积，P1是气体标准压力室的初始气压，P2是试样筒和气体标准压力室中的稳定气压。

孔隙度φ计算公式如式(2)所示：

(2)

1.2.2 气体渗透率测试

气体渗透率通过恒压试验获得。假设气体的膨胀是一个等温过程，基于多孔介质气体渗流理论，并考虑气体的压缩性，气体通过垃圾介质的流动符合达西定律，可获得渗透率的计算公式如式(3)所示：

(3)

式中，k为气体渗透率，单位为m2；PA为试样入口处的气体压力，单位为kPa；QB为流经试样出口端的气体体积流量，单位为mL/s；L为试样的长度，单位为m；A为试样的横截面积，单位为mm2；PB为试样出口处的气体压力，单位为kPa，为大气压；μ为气体的粘滞系数，单位为μPa·s。入口处的气体压力由压力传感器测定值与大气压之和，而出口处的气体流速通过气体质量流量计记录。

1.2.3 试验方法

试验中气体渗透介质为氮气，氮气为惰性气体对试样测试结果的影响可忽略。通过数据实时采集系统将试验结果由计算机直接记录。文献[15]给出了垃圾土气体渗透装置中孔隙度和气体渗透率测试的具体操作流程和试验步骤。试验装置的数据采集界面如图3所示。

图3 试验装置数据采集界面

2 室内试验研究

2.1 试验材料

人工配制垃圾土试样是对各种组分采用性质相近的材料代替并按总体配比配制试样，具有成本低，初始条件可控性好及试验成果的可重复性高的优点，是填埋场进行规律性研究的重要途径[16]。试验中人工配制的垃圾土试样组分和比例如表1所示，其基本物理性质如表2所示。试验材料中各组分的粒径均人工破碎至4 cm以下，严格控制试验条件，尽量减少外界因素对试验的影响。垃圾土各试样组分按照试验方案拌合均匀后密封养护24 h，使试样的水分混合均匀。

表1 垃圾土试样组分表

垃圾土试样的含水率、密度和有机质按照《生活垃圾土土工试验技术规程》测定[17]。试样比重和孔隙比利用文献[18]所给公式计算获得。

表2 垃圾土试样的物理性质

2.2 试验结果与分析

2.2.1 气体压缩性对气体渗透率的影响

叶为民等[19]基于多孔介质气体渗流理论，建立了考虑气体压缩性的，描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程，给出了气体出口端的流速计算如式(4)所示：

(4)

IVERSEN等[20]在达西定律的基础上，建立了不考虑气体压缩性的多孔介质中气体流速计算如式(5)所示：

(5)

式中，v为出口端的气体流速，m/s；QB为试样出口端的气体体积流量，mL/s；A为试样的横截面积，单位为mm2；k为气体渗透率，单位为m2；P2为试样入口处的气体压力，单位为kPa；P1为试样出口处的气体压力，P1和P2均为相对压力；H为试样的高度，单位为mm。

根据式(4)和式(5)，气体粘滞系数已知，试样长度或高度通过位移传感器可获得，监测出垃圾土试样的出口端气体压力和流速，即可得到试样的气体渗透率。

图4为垃圾土试样气体渗透率在考虑和不考虑气体压缩性下对比。

由图4可知，考虑气体压缩性的叶为民气体渗透模型测得的气体渗透率数据比不考虑气体压缩性的Iversen模型的数值略大，且进气端压力越大，两个模型的计算结果差距也越大。

2.2.2 压力平方差梯度对气体流速的影响

图4 不同模型气体渗透率对比

Fig.4 Gas permeability contrast of different models

图5 气体流速和压力平方差梯度的关系

Fig.5 Relationship between gas velocity and pressure squared gradient

由图5可知，随着进气端压力的增大，气体流动通道变大，垃圾土试样中气体流速也不断增大，且变化幅度较大，这是因为试样内部封闭及半封闭的孔隙，在进气端压力较大时被击穿。叶为民等[19]关于非饱和粘土中气体流动试验研究表明，气体流速与外界所施加的“压力平方差梯度”之间存在明显的分段特征而呈一条明显的上凹型曲线，气体在粘土中渗透存在起始压力值，只有当进气端压力达到一定数值时才会出现明显的气体渗流量，即土体中气体渗流存在启动压力平方差梯度和临界流速。垃圾土试样中气体渗透试验结果可发现气体流速与外界所施加的“压力平方差梯度”是呈折线上升，不像文献[19]提到的气体在非饱和粘土渗透存在明显的有分段特征和上凹型曲线的现象，气体在垃圾土和粘土中的区别在于不存在启动压力平方差梯度和临界流速，主要原因是由于垃圾土的孔隙结构较松散，当进气端稍有压力时，气体便会迅速从孔隙通道中流出。

2.2.2 进气端压力的确定

布鲁纳说：“学习的最好刺激，乃是兴趣。”对于小学生来说，兴趣是培养创新思维的前提。因此，数学教学中要注意激发学生浓厚的兴趣，强烈的创新欲望，使学生在探究数学知识中体验合作，创新的欢乐。

在室内垃圾土开展气体渗透试验时，如果进气端压力过小则可能在出口端监测不到气体流速，而进气端压力过大则会将加压板顶起而影响试验的测定，也可能会导致液体的流动而影响试样中气体的迁移。因此，进气端压力的确定对气体渗透率的确定尤为重要，通过不同大小的进气端压力的气体渗透试验，确定室内开展气体渗透试验时最合适的进气端压力显得尤为必要。

开展了5个不同压缩位移、6个不同进气端压力下垃圾土试样的气体渗透率测试。通过调节加载压力控制阀，增大加压气缸的压力使加载活塞对垃圾试样加载，测定了压缩位移在10、20、30、40、50 mm下试样的气体渗透率和孔隙度。根据位移传感器监测的位移值，当位移快达到设定值时慢慢对加压活塞降压，避免压力过大使试样过压而超过了所控制的位移值。图6为不同进气端压力下气体渗透率数据图。

由图6可知，随着进气端压力的增大，试样的出口流量不断增大，试样的气体渗透率数值是不断减小的趋势。随着进气端压力和压缩位移的增大，试样的气体渗透率降低的幅度越来越小。5个不同压缩位移下垃圾土试样在6个不同进气端压力所测得的气体渗透率平均值和进气端压力为3 kPa时的数值最为接近，因此，在开展垃圾土室内气体渗透试验建议进气端压力确定为3 kPa最佳。这与Stoltz等[11]开展垃圾土试样室内气体渗透率试验时，确定的进气端入口压力数值应限制小于2 kPa不同，原因可能是文献[11]中进气端入口压力如果大于2 kPa会使试样顶部加压板顶起而影响试验。

2.2.3 不同压缩位移对试样气体渗透率和孔隙度的影响

图7为进气压力为3 kPa时，5个不同压缩位移下垃圾土试样气体渗透率和孔隙度数据。

由图7可知，随着压缩位移的增大，垃圾土试样的孔隙度由0.57降低到0.3，呈不断减小的趋势，气体渗透率由11×10-13m2降低到7×10-13m2，也是呈不断减小的趋势。其主要原因是随着试样不断被压缩，其孔隙被压的越密实，试样的孔隙空间减小，气体流动的通道减小，因此试样的孔隙度和气体渗透率也不断降低。

图6 不同进气端压力下气体渗透率

Fig.6 Gas permeability of MSW under different inlet pressure

图7 不同压缩位移下试样气体渗透率和孔隙度

Fig 7 Gas permeability and porosity under different compression displacements

2.2.4 试样组成成分对气体渗透率的影响

图8 垃圾土试样组成成分对比

由图7可知，本文的垃圾土试样气体渗透率范围为10-13～10-12m2。垃圾土试样的组成成分对气体渗透率的测试范围影响较大。STOLTZ等[12]测定的法国某填埋场新鲜垃圾气体渗透率的范围为10-14～10-10m2，本文所测定的气体渗透率值比其低2个数量级。试验结果差别的原因是，垃圾试样的组成成分不同，文献[12]试样中含有大量的金属、玻璃等不易压缩的成分，试样组成成分对比如图8所示。不易压缩成分使试样的孔隙空间较大，试验结束后其试样的孔隙度均在0.6以上，而本文孔隙度则降低到0.3，因此其所测得垃圾土的气体渗透率也较大。

本文的垃圾土试样气体渗透率测试结果比魏海云等[10]测定的气体渗透率结果要小，其原因可能是文献中试样为现场钻孔垃圾，且不同填埋深度的试样随着填埋龄期的增大，垃圾降解程度增大其组分也发生较大变化，且研究表明在控制试样的孔隙比与饱和度相同这一特定条件下，垃圾气体渗透系数随填埋龄期的增加而线性增大，本文垃圾土试样为人工配制新鲜垃圾，因此本试验测试结果要小。

3 结论

论文自主研制了一套垃圾土气体渗透特性试验装置，开展了不同影响因素下垃圾土气体渗透室内试验研究，论文得到的主要结论如下：

① 该装置设计的基本原理明确，操作方便，可测定垃圾土的气体渗透率和孔隙度，应用结果表明该仪器性能可满足室内垃圾土的气体渗透特性试验研究。

② 考虑气体压缩性计算的渗透率的比没有考虑气体压缩性的数值略大，且进气端压力越大其差值越大。

③ 垃圾土中气体渗透随着进气端压力增大，试样中气体流速也不断增大，且变化幅度较大。气体在垃圾土中渗透过程不像在黏土中渗透那样存在启动压力平方差梯度和临界流速。

④ 在开展垃圾土室内气体渗透试验建议进气端压力取为3 kPa。随着压缩位移的增大，垃圾土试样的孔隙度和气体渗透率都是呈不断减小的趋势。

⑤ 垃圾土试样的组成成分对气体渗透率的测试范围影响较大，本文的垃圾土试样气体渗透率范围为10-13～10-12m2。