垃圾土气体渗透试验最佳进气压力

杨 逾，陈 锋，姚 远，张树光，刘 磊

（1. 辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000； 2. 武汉环境投资开发集团有限公司 项目管理部， 湖北 武汉 430000；3. 桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林541004；4. 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；5. 中国科学院武汉岩土力学研究所 中国科学院武汉岩土力学研究所-香港理工大学固体废弃物科学联合实验室，湖北 武汉 430071；6. 中国科学院武汉岩土力学研究所 污染泥土科学与工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071）

0 引言

垃圾土是一种气、液、固三相共存具有可压缩性和多组分特点的特殊多孔介质.垃圾土的气体渗透率是评估填埋气体贮存和迁移状态的关键参数，对填埋气体收集、导排和安全防控具有重要意义[1].

国内外学者先后开展许多垃圾土渗透率试验研究，主要通过水平或垂直圆柱渗透仪，测试水平或垂直方向的渗透率.相关研究主要围绕垃圾组分、密实度、孔隙度、上覆压力和降解程度等因素对渗透特性的影响，KALLEL A[2]等，彭绪亚[3]，魏海云[4]等，STOLTZ G[5]等，WU H Y[6]等在试验时采用的计算模型均不考虑气体压缩性.而曾刚[7]等采用考虑气体压缩性的计算模型.

进气压力的设定对土体渗透率测试结果影响显著，对于不同的多孔介质结构，进气压力的变化范围不同，例如黏土渗透试验的进气值通常大于100 kPa.大多数学者并未给出室内气体渗透试验的进气压力值，对垃圾土气体渗透试验进气压力的研究较少，STOLTZ G[5]等给出了室内垃圾土气体渗透试验的进气压力的最佳值，但未给出理论依据.为了进一步确定垃圾土渗透试验的最佳进气压力，本文开展新鲜垃圾土和陈腐垃圾土在不同压实密度条件下的气体渗透率试验，分析新鲜垃圾土和陈腐垃圾土的最佳进气压力.

1 气体渗透率计算模型

垃圾土是一种经过压缩形成具有典型的多孔介质结构的土.垃圾土气体渗透过程遵循达西定律.当考虑气体具有可压缩性时，气体渗透率模型[8]为

式中，v为气体出口流速，m/s；k为渗透率，m2；μ为气体黏滞系数，Pa·s；PA为模型进气压力，kPa；PB为模型出口气体压力，kPa；P0为大气压，101.325 kPa；L为试样高度，mm.

当假设气体不可压缩时，渗透率模型[9]为

2 试验装置和方法

2.1 试验装置

采用自制生活垃圾渗透率试验装置开展载荷作用下垃圾堆体渗透试验，装置直径100 mm，高度300 mm.

垃圾土渗透率试验装置见图1，主要由气源（氮气）、加载室、加载活塞、气体流量计组成.氮气由加载室底部进入加载室，再由加载室顶部流出，经过流量计，最后排入大气，从流量计读取气体流量.

图1 垃圾土渗透率试验装置 Fig.1 permeability experimental apparatus of municipal solid waste

2.2 试验材料与方法

（1）新鲜垃圾土

新鲜垃圾样品取自武汉某居民区生活垃圾，垃圾配比参考武汉市生活垃圾组成.配比材料中具有较高的压缩性的纸张、塑料、草木等为软性材料，为减小试验误差，各组分的粒径均人工破碎至 30 mm以下，需小于加载室直径的三分之一，之后混合均匀垃圾土各试样组分并密封养护24 h，使垃圾中水分混合均匀，测得含水质量分数为63 %，其组分和占比见表1.

表1 新鲜垃圾土试样组分 Tab.1 composition of fresh waste soil samples

（2）陈腐垃圾土

试验所采用的陈腐垃圾样品钻孔取自武汉市北洋桥垃圾填埋场，垃圾填埋龄10 a以上，其基本物理力学性质见表2.

表2 陈腐垃圾土的基本物理性质指标 Tab.2 indicators of basic physical properties of old landfilled samples

称取试样5 kg，放入烘箱，以60 °C烘至恒重，按有机物、塑料、玻璃、金属、腐殖物、其他进行分类并称质量，结果见表3.

表3 陈腐垃圾试样组分 Tab.3 components of old landfilled waste samples

（3）试验方法

采用上述试样分类得到的各组分比例配比试验样品，搅拌均匀，同时除去金属、玻璃等大块难破碎成分，并把塑料、纤维、砖石、竹木等处理成特征粒径小于30 mm的样品，然后称取一定质量的试样击实.

为保证均匀的压实密度，分3层压实垃圾样品；为减小误差，在加载室内壁涂抹1层凡士林，以减少气体沿内壁的流失.制备2个垃圾试样进行对比，减少试验误差.

在试验开始时，调节加载压力，将试样压至预先设计的压实密度，竖向变形稳定后进行渗透试验.通过调节进气压力，调节不同进气压力.垃圾填埋场运行过程中气体压力为100～2 000 Pa.在现场监测过程中发现，当填埋气体导排效果较差时，气体易淤积现场，此时压力可达2 490～9 500 Pa[10].基于以上实测结果，选取进气压力为1～10 kPa，试验出口端为大气压.

通过流量计记录出口气体流量，待气体流量达到稳定值后，读数，再调整进气压力（以1 kPa为间隔，分别进行渗透率的测试），重复上述试验过程，进气压力为10 kPa时，试验结束.根据中美垃圾填埋场垃圾土重度随填埋深度的变化[11]，新鲜垃圾压至压实密度700 kg/m3、800 kg/m3、900 kg/m3，陈腐垃圾压至压实密度700 kg/m3、900 kg/m3、1 000 kg/m3、 1 200 kg/m3.试验过程中没有水分流出现象.

3 试验结果与分析

3.1 压实密度对气体渗透率影响

图2～图5为气体流量与压力关系，分别对比图2和图4、图3和图5，2种垃圾样本在考虑气体压缩性和不考虑气体压缩性时得到变化规律基本一致，表明垃圾土具有良好的连通性.此外，从试验结果可以看出，采用1～10 kPa进行气体渗透试验时，气体压缩性对垃圾土气体渗透试验影响不大.

图2 考虑气体压缩性下新鲜气体流量随压力平方差的变化 Fig.2 variation of fresh garbage gas flaw rate with pressure square error considering gas compressibility

图3 考虑气体压缩性下陈腐垃圾 气体流量随压力平方差的变化 Fig.3 variation of stale garbage gas flaw rate with pressure square error considering gas compressibility

图4 不考虑气体压缩性下新鲜垃圾 气体流量随压力差的变化 Fig .4 variation of fresh garbage gas flaw rate with pressure square error unconsidering gas compressibility

图5 不考虑气体压缩性下陈腐垃圾 气体流量随压力差的变化 Fig.5 variation of stale garbage gas flaw rate with pressure square error unconsidering gas compressibility

如图2～图5，气体出口流量随压力的增大而增大，在相同进气压力下，稳定时的气体流量随压实密度的增加而减小，在同一压实密度下，随入口进气压力的增大，气体出口流量增大，新鲜垃圾与陈腐垃圾均遵循此规律.

随着垃圾土压实密度的增加，气体渗透率需要的初始进气压力也在增加.当垃圾土的进气压力在 1 kPa以上时，出口端气体流量与压力梯度呈线性关系，而采用黏土试验时，进气压力需超过100 kPa以上[8]，气体流量与压力呈线性关系.

3.2 进气压力对气体渗透率的影响

图6和图7为不同压实密度下垃圾气体渗透率与进气压力关系，在相同进气压力下，随着压实密度的增加，垃圾土的气体渗透率减小；在不同进气压力下，随着进气压力的增加，垃圾土的气体渗透率减小.随着压实密度的增加，垃圾土被压实，孔隙体积减少，气体通道面积减少，导致垃圾的气体渗透率随压实密度的增大而减小.垃圾土为多孔隙结构，在填埋过程中，随着上覆荷载的增加孔隙度减小，渗透率会随堆积密度的增加而减小.

图6 不同压实密度下新鲜垃圾气体渗透率随进气压力变化 Fig.6 variation of fresh garbage gas permeability with inlet pressure at different compaction densities

图7 不同压实密度下陈腐垃圾气体渗透率随进气压力变化 Fig.7 variation of stale garbage gas permeability with inlet pressure at different compaction densities

如图6、图7，在同一压实密度下，新鲜垃圾的气体渗透率大于陈腐垃圾的气体渗透率，可能是因为垃圾的组分不同，随垃圾填埋龄的增加，垃圾土中有机物逐渐降解并减少，腐殖质增加，这是导致气体渗透率变化的主要影响因素之一.

3.3 最佳进气压力

在进行垃圾土气体渗透试验时，进气压力对垃圾土的气体渗透率有较大影响.垃圾土是多孔隙结构，且孔隙度较大，在低压实密度下通常在气体流过瞬间就会在出口端监测到气体流速，进气端压力过大会导致垃圾土中水分流动，从而影响试样中气体迁移，导致试验结果产生较大误差.因此，确定最佳进气压力对测试气体渗透率尤为重要.

采用不同压实密度、不同进气压力下新鲜垃圾土与陈腐垃圾土的气体渗透率测试.通过调节加压气缸压力使加载活塞对垃圾试样加载得到不同的压实密度，试验过程中记录进气压力与气体渗透率.

700 kg/m3、800 kg/m3、900 kg/m3的新鲜垃圾在入口压力为1～10 kPa时测试平均渗透率分别为9.39×10-13m2、7.29×10-13m2、5.57×10-13m2.图6表明，新鲜垃圾气体渗透率平均值与进气压力为3 kPa时所对应的气体渗透率最接近，因此在室内试验测试气体渗透率时最佳进气压力值为3 kPa.STOLTZ G[5]等在新鲜垃圾土试样室内进行气体渗透率试验时，认为进气压力数值不能大于2 kPa，但并未给出理论依据，本文试验所得进气压力最佳值与STOLTZ G所采用的进气压力值不同，可能是因为中法垃圾组分不同.

700 kg/m3、900 kg/m3、1 000 kg/m3、1 200 kg/m3的陈腐垃圾在进气口压力为1～10 kPa时，测试平均渗透率分别为7.618×10-13m2、5.93×10-13m2、5.108×10-13m2、3.35×10-13m2.图7表明，陈腐垃圾气体渗透率的平均值与4 kPa最接近，因此在室内试验测试陈腐垃圾气体渗透率时进气压力最佳值为4 kPa.

4 结论

（1）在进行垃圾土室内气体渗透试验时，不考虑垃圾土水分流动，新鲜垃圾土进气压力最佳值为3 kPa，陈腐垃圾土进气压力最佳值为4 kPa.

（2）进气压力1～10 kPa时，无论新鲜垃圾土还是陈腐垃圾土，气体流量与压力梯度呈线性关系；气体压缩性对垃圾土气体渗透影响可以忽略；进气压力与气体渗透率呈非线性关系，且成反比.

（3）当垃圾土的进气压力大于1 kPa时，出口端气体流量与压力梯度呈线性关系.随着压实密度的增加，出口气体流量减小；随着进气压力的增加，出口气体流量减小.