环境岩土工程研究进展

发布时间：2022-04-19

　　摘要: 该文总结了近年来国内外环境岩土工程领域的研究进展，主要包括: ①环境岩土工程调查与评价方法。重点介绍了电阻率静力触探探头、与静力触探结合的传感器薄膜界面探头、光纤光学化学传感器、X 荧光分析仪等在场地污染物分布和污染程度识别技术; 综述了土工离心技术应用于土体及地下水中污染物运移，及污染场地修复的研究现状; 总结了污染场地分类方法和风险评价模型。②城市固体废物填埋技术。介绍了固废填埋场多场相互作用的主要耦合模型理论，总结了固废生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移模型及应用; 提出了填埋场污防污屏障服役寿命的定量评价方法。③工业固体废弃物资源化再利用技术。介绍了废弃电石渣和木质素加固过湿土、粉土路基的性能和工程应用; 总结了固化污泥和淤泥技术的研究现状。④工业污染地基处理技术。总结了工业污染场地主要修复技术; 介绍了固化污染土稳定技术、新型固化剂和稳定剂的研发进展; 总结了常见竖向隔离墙技术，介绍了土-膨润土系竖向隔离墙长期防渗防污性能的研究进展; 介绍了曝气法处理有机污染地下水技术的研究进展。

　　关键词: 环境岩土工程; 原位测试技术; 填埋场; 工业废弃物; 固化稳定化; 竖向隔离墙; 曝气法

　　引 言

　　近 20 年来，我国城市化高速发展为经济持续发展提供了强劲持久的动力，但也导致城市用地紧张、交通堵塞、垃圾围城、环境污染等一系列问题。据估计，我国城市工业污染场地有近百万个，多分布在经济发达地区和老工业基地，这些工业企业在建设和运营期，污染控制不严格，导致大量有毒有害重金属、有机污染物侵入了厂区土壤和地下水，代表性污染物包括砷、铅、锌、镉、铬等复合重金属以及苯系物、石油类、农药、多氯联苯等有机污染，使原址场地成为严重污染的工业污染场地。

　　不同于农业耕地表层污染，工业污染场地污染深度可达数十米，不仅浅层杂填/回填土污染，并且使下伏天然沉积土体和地下水遭受污染。为此环保部和国土资源部于 2006 年启动了全国首次土壤污染状况调查，并于 2010 年制定了《污染场地土壤环境管理暂行办法》、《污染场地风险评估技术导则》等，北京市、浙江省、南京市等多个省市政府也制定了有关污染场地的管理办法。我国环境保护“十二五”规划将“受污染场地和土壤污染治理与修复工程”列为重大环保工程之一。

　　20 世纪 80 年代以来，岩土工程中一门新兴分支学科———环境岩土工程应运而生，它是利用岩土工程理论和技术来改善和解决人类活动和自然演变引起的环境问题，是岩土工程学科和环境工程学科、地下水科学等多学科交叉的结果。1980 ～ 2000 年间，国际环境岩土工程研究的重点主要是城市垃圾卫生填埋技术相关的理论和技术问题，2000 年以来污染土壤和地下水修复处理进一步拓展了环境岩土工程研究领域[1]。与传统的岩土工程学科相比，环境岩土工程更强调大气、水、生物、化学等与岩土体相互作用，尤其强调化学和生物的作用，环境岩土工程的研究内涵也在不断丰富发展[2]。

　　近 20 多年来，国际环境岩土工程研究方兴未艾。国际土力学及岩土工程学会( ISSMGE) 于 1987 年成立环境土工专业委员会( TC5) ，已组织了 7 届国际环境土工大会，分别在加拿大埃德蒙顿( 1994 年) 、日本大阪( 1996 年) 、葡萄牙里斯本( 1998 年) 、巴西里约热内卢( 2002 年) 、英 国 卡 迪 夫 ( 2006 年) 、印 度 新 德 里 ( 2010 年) 、澳大利亚墨尔本( 2014 年) 举行。从近期国际环境土工大会论文集可以看出，国外环境岩土工程学研究内容主要涉及“小环境”问题，具体包括: ① 岩土环境风险评价、管理和可持续发展; ②污染物运移、扩散和持久性; ③高污染性固体废弃物( 城市生活垃圾、工业危险废物、高水平放射性核废料等) 填埋处置; ④工业废弃物利用与资源化等。我国 90 年代开始同济大学等单位的学者开始关注环境岩土工程问题， 2000 年以来浙江大学、河海大学等单位开始重点研究城市垃圾卫生填埋技术，取得了一系列成果，2012 年颁布了《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[3]。近年来清华大学、东南大学等单位注重研究污染场地修复技术与理论，取得了相应的进展。2003 年中国岩石力学与工程学会环境岩土工程分会，并召开了系列环境岩土与土工合成材料会议( 2002 年，杭州; 2005 年，大连; 2008 年，湖南; 2011 年，上海; 2014 年重庆) 。 2012 年中国土木工程学会土力学与岩土工程分会正式成立了环境土工专业委员会，并于 2012 年( 杭州) 、 2014 年( 上海) 分别召开了岩土多场相互作用与环境土工学术会议，有力地推动了我国环境岩土工程研究的发展。

　　本文重点介绍环境岩土工程调查与评价方法、固体废物处理与资源化技术、污染地基处理原理、污染地基固化稳定、隔离与曝气法处理技术等方面的研究进展。

　　1 环境岩土工程调查与评价

　　为了评价垃圾填埋场、污染场地的污染状况和扩散特性，同时评价垃圾填埋场防污屏障、污染场地处理的化学稳定性，国外发展了相应的室内和现场原位测试评价方法。室内试验除了采用化学试验分析污染成分以外，主要采用淋滤试验来评价污染扩散特性[4]; 已有采用柔性壁三轴渗透仪对水泥固化铅污染土的化学稳定性进行了较详细的研究[5]。另外还有开展污染土体对构筑物腐蚀性试验，主要研究土中胶体和黏土矿物腐蚀的化学机制及腐蚀过程进行研究，评价结晶类腐蚀、分解类腐蚀、结晶分解复合类腐蚀 3 种腐蚀类型[6-7]。

　　近年来，国际上采用原位测试技术评价污染场地的空 间 分 布 与 污 染 程 度 方 面 取 得 了 较 大 进 展。 Campanella 教授等[8-9]开发了 RES 系列电阻率静力触探探头，并测试指出污染地基土体的电阻率和孔隙液电阻率测试值与污染物类型和浓度紧密相关，可用于工业场地污染程度划分; Yeung 和 Akhtar [10]、Darayan 等[11]研究了电阻率法评价污染土的理论与方法; Fukue 等[12]阐明了土性、污染物浓度等因素对电阻率的影响规律; Delaney 等[13]对石油污染土和冻土的电阻率特性进行了研究，分析了冻土、非冻土和石油污染土电阻率随深度的变化以及电阻率与石油含量之间的变化关系; Yoon 等[14]通过室内 PVC 圆柱试验，研究了受重金属污染砂土电阻率变化特征，提出采用土体因数进行土体污染程度的分类; Mondelli 等[15]建立了电阻率与土性状种类指数( Ic ) 间的关系模型，证明了电阻率 CPTU 测试技术可以确定污染区域及污染程度。东南大学课题组采用土体电学参数评价重金属污染黏土的污染程度、进行了固化稳定重金属砂土力学特性研究[5]。美国密歇根大学 Hryciw 教授等发展了一种可视化 CPT( VisCPT) ，用于观察土体污染状况是常见的一种[16-17]。

　　近年来，发展了一些与 CPT 结合的新型传感器，根据传感器的原理的不同，可分为薄膜界面探头[18]、光纤光学化学传感器[19]、X 荧光分析仪[20]等。时域电磁波反射技术( TDR) 能够同时测试土体的介电常数和电导率，在污染土体勘察中具有明显技术优势，但是传统的 TDR 探头( 如三针式) 难以像 CPT 一样连续贯入土层中进行测试。针对此问题，一些学者[21-23]通过将 TDR 电极附着在绝缘棒体周围，形成贯入式 TDR 探头，从而实现了 TDR 在污染场地的连续贯入测试。詹良通等[24-25]基于 TDR 探头周围电场能量分布、目标介质敏感度及趋肤效应的理论分析，对连续贯入式探头电极排列、电极形状等进行了优化设计，获得了新型探头结构，用于探测垃圾渗滤液污染土。环境地球物理方法是探测地下污染源及其污染介质分布范围新方法，被应用于解决环境污染的监测、生态环境变化预测、环境治理措施的效果检查等方面。常用的环境地球物理探测方法有地质雷达探测、电阻率层析成像技术、时间域反射法、瞬变电磁法等[26]。

　　土工离心试验自 1988 年开始应用于环境岩土工程，取得了大量的研究成果[27]。杨春宝[28]采用离心模型试验对扩建的固体废弃物填埋场的沉降与水平变形特性进行了研究; 陈继东等[29]采用离心模型试验和有限元计算，对垃圾填埋场中填埋垃圾大变形条件下土工防渗膜的变形特性进行了研究，得出了在模型比率为 80 时适用于模拟填埋场的防渗膜，通过有限元计算发现土工膜中最大压应力和最大拉应力均发生在斜坡段，最大拉应力靠近坡肩，有时甚至达到极限抗拉强度的 1 /1. 5 倍; 在污染物运移研究方面，张建红等[30]利用清华大学土工离心机，研究了静止地下水位以上三种非饱和黏性土( Ip = 8. 7 ～ 10. 7) 中铜离子的扩散规 律，得到了铜离子在这类土中的扩散特征; Arulanandan 等[31]通过量纲分析考察了离心试验模拟污染 物 迁 移 的 可 行 性，并 提 出 了 8 个 无 量 纲 数; McKinley 等[32]利用离心机对 NaCl 与有机染料的混合物在黏土层中的迁移进行研究，发现有机物的迟滞系数很大，Na + 与有机物质的迁移各自独立互不影响，且对流弥散方程能够很好地描述其迁移过程; 詹良通等[33]用离心机进行高水头条件下 Cl - 击穿高岭土衬垫的模拟，发现衬垫渗透系数为 3. 2 ×10 - 9 m/s 时，击穿仅需 1. 97 年，而即使符合规范规定的1. 0 ×10 - 9 m/s，击穿也仅需 5. 62 年，都远小于设计的击穿年限，用试验直接证明了在高渗透水头条件下，填埋场底部极易被渗滤液击穿而污染地下水; 胡黎明等[34]采用苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯四种物质( BTEX) 模拟轻非水相污染物质，采用离心试验对 BTEX 在非饱和土和地下水系统的迁移过程进行了模拟，结果表明，BTEX 从泄漏点通过非饱和土层向下运移，在地下水位之上形成高质量分数区，并沿地下水面侧向迁移，部分溶解的 BTEX 在水体扩散，地下水的流动对 BTEX 的迁移有一定影响; Knight 等[35]利用离心机模拟了 LNAPL 在30g 加速度下以快慢两种不同速率释放后在非饱和砂土中的三维迁移，发现在低释放速率下，油相成不连续分布，易被截留，加上毛细效应的阻滞作用，污染下渗的深度相对较小; 他们采用了 SWANFLOW 软件进行污染迁移模拟并与离心试验结果对比，发现在相同的释放速率下该软件不能有效模拟 NAPLs 的长期迁移行为，并指出若该软件能够将压力-饱和度曲线的滞后问题考虑进去则可更好地进行 NAPLs 长 期 迁 移 预 测; Esposito 等[36]利用离心机研究了不同孔隙率下 LNAPL 在不饱和多孔颗粒介质中迁移 110 天的情形，发现孔隙率对污染扩散有很大影响，与孔隙率较大的土壤相比较，LNAPL 在孔隙率较低的土壤中滞留量更大且污染范围更广; Soga 等[37]利用离心机研究了 LNAPLs 在不同尺度结构层状土界面处的迁移和截留行为，得出了 LNAPLs 的 特 性、土 壤 结 构、初始水分饱和度和 NAPLs 的渗透速度都会对非饱和非均质土壤对 LNAPLs 的截留有影响的结论; Pantazidou 等[38]用离心机研究了两类 DNAPLs 在饱和多孔颗粒介质中的迁移行为，根据监测视频，密度小而黏度大的 DNAPLs 能够稳定地驱替水相，其开始下渗的速度最快，之后逐渐减小直至停止，整个过程锋面呈扇形; 密度大黏度小的 DNAPLs 驱替水相不稳定，且开始时呈细长形状向下迁移，在遇到不透水障碍时，无规则横向弥散，其造成的污染区域比前者要大。

　　污染染场地定量分析的风险评价模型中，比较有代表性的有: ①美国环境保护局 USEPA 的《超级基金场地 风 险 评 价 指 南 ( Risk Assessment Guidance for Superfund，RAGS) 》[39]; ②美国测试与材料协会 ATSM 的 RBCA ( Risk-Based Corrective Action) 模型[40]; ③荷兰住房、空间规划与环境部 CSOIL 2000 模型[41]; ④英国环 境 保 护 署 CLEA ( Contaminated Land Exposure Assessment) 模型[42]等。具体流程如图 1 所示。

　　不少学者开展了场地修复试验研究，如有挥发性有机物污染的气提修复[43]、重密度溶质和 NAPLs 污染的淋洗修复[44-45]以及重金属污染的电动力学修复[46]等离心机试验研究。Hu 等[47]利用离心机研究了土壤气相抽提法的 BTEX 污染土壤的修复效果; Hellawell 等[44]利用离心机研究了淋洗修复 NaCl 污染土壤的效果[48]; Ratnam 等[45]通过离心试验研究了影响垂向淋洗 NAPLs 的截留量几种因素。

　　Pasha 等[49]采用离心模型试验模拟柴油污染土体的淋洗过程，发现表面活性剂可以显著提升淋洗效率，但仍然存在拖尾效应，淋洗后期清除效率大幅降低。

　　岩土体污染测试后，需要对其进行综合评价，以提出处理对策。污染场地评价的内容主要包括①污染物特征: 与某一场地相关联的危害; ②污染途径: 污染物可能的运移路径( 例如: 地下水，地表水，直接接触，空气等) ; ③污染受体: 暴露在污染物中或受污染物影响的生物或资源，如人类、植物、动物或环境资源。通过评价可以对污染场地进行分类，如加拿大污染场地分类表[50]。

　　2 固体废弃物卫生填埋与资源化利用技术

　　2. 1 城市固体废弃物可持续填埋技术

　　卫生填埋是城市固体废弃物的主要处置方法，在中国和美国分别占终端总处置量的 88% 和 80% 。深地质填埋是核废料的主要处置方法。城市固废填埋场和核废料处置库的功能特殊，服役环境极端，极易成为灾害源而引发环境灾害。城市固废填埋场的服役寿命不少于 100 年，核废料处置库则至少要达到 10000 年，因此发展可持续填埋技术是必经之路。近年来，为了实现城市固废填埋场环境灾害的可持续防控，发展了以灾变源主动调控为核心的可持续填埋技术( 图 2) ，即: ①通过以液气为媒介的生化环境调控，显著降低灾变源负荷及持续时间; ②提高屏障服役性能，实现屏障的全寿命服役，包括顶部覆盖屏障与底部防污屏障，其服役寿命要大于填埋场运行时间与主要污染物稳定化时间之和。

　　2. 1. 1 城市固废填埋场多场相互作用理论

　　城市固废填埋场和核废料处置库是岩土工程中典型的多物理场相互作用的复杂体系。Mitchell [51]在朗肯讲座上对土中涉及水、温度、化学及电等流场之间的相互作用进行了全面的总结，对后来多场耦合的研究具有重要启发意义，之后，岩土工程研究者针对特定对象的多场耦合问题进行了广泛研究。赖远明等[52]针对寒区土体冻结和结构物冻胀问题，提出了寒区工程温度场、渗流场和应力场耦合的数学力学模型; Thomas 等[53]以核废料填埋场的非饱和缓冲衬里为研究对象，开展了温度场、水力场和应力场耦合效应模拟和分析。

　　国内外学者针对城市固废填埋场多场相互作用问题，建立了系列耦合模型。Durmusoglu 等[54]以一阶段动力学模型描述固相降解，根据固相、液相及气相质量守恒原理，建立了一维沉降模型; McDougall 等[55]认为骨架变形包括应力引起的弹塑性压缩、蠕变引起的粘弹塑性压缩及降解引起的压缩，结合两阶段厌氧降解模型及非饱和渗流模型，建立了水力-降解-力学 ( HBM，Hydraulic-Biodegradation-Mechanical ) 模 型; Chen 等[56]则采用应力-龄期耦合压缩模型描述骨架应力-应变关系，结合一阶动力学降解模型及非饱和渗流模型，建立了一维的降 解-水 力-力 学 耦 合 模 型; Liu 等[57]用 Gibson 和 Lo 流变模型来描述固废的应力应变关系，结合试验拟合获得的固废降解模型及非饱和渗流模型，建立了一维的力学-水力-气体压缩模型; 陈云敏[58]基于一维降解-水力-力学耦合模型，在两阶段动力学模型中考虑了总糖与纤维素降解的区别、降解过程胞内水释放、VFA( pH) 对水解和甲烷化过程的影响，同时考虑了固废中多组分液气污染物的迁移，建立了更为全面的固废生化反应-骨架变形-水气运移溶质迁移( BMHC，Biodegradation-Mechanical-HydraulicChemistry) 耦合模型，有效揭示了城市固废填埋场降解-固结相互作用行为，其理论框架如图 3 所示。

　　2. 1. 2 城市固废填埋场多场相互作用 BMHC 耦合模型的应用

　　( 1) 填埋场稳定化评估及规律

　　利用 BMHC 耦合模型对高厨余固废填埋场稳定化过程进行模拟与分析，结果表明: 随着固废填埋场的稳定化进程，固废纤维素逐渐降解、木质素基本不降解，渗滤液产量呈下降趋势，填埋气产量呈现上升稳定-下降的趋势，沉降量逐渐下降。纤维素/木质素 ( C /L) 、液气产量和沉降量可以作为填埋场稳定化评估的综合表征指标。

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　　利用 BMHC 耦合模型对西安江村沟固废填埋场稳定化过程进行了预测，同时结合大型模型试验和现场监测数据，表明: 高厨余固废含量填埋场的稳定化过程呈现明显的阶段性，可以划分为快速降解、慢速降解及后稳定化三个阶段( 图 4) 。快速降解阶段初期会发生酸化抑制现象，即易降解物质快速水解产生的 VFA 因无法及时转化而大量累积，抑制了水解和甲烷化反应的进行。这一阶段 60% ～ 80% 的渗滤液产出， 50% ～ 60% 的产气潜力释放，40% ～ 50% 的降解压缩产生。随着快速降解物质的大量消耗，约两年后慢速降解物质的生化降解开始占主要地位，产气速率和降解压缩速率下降; 当 C /L 下降到 0. 3 时，沉降基本稳定，产气潜力基本释放，渗滤液基本停止产出。随后进入后稳定化阶段，固废在厌氧条件下完全矿化需要 50 年或更长时间，此时 C /L = 0. 15。

　　( 2) 填埋场液气产量评估及分离导排控制液气压力

　　根据前述固废降解产水规律，对现有渗滤液产量计算方法( 浸出系数法) 进行修正，提出了考虑城市固废降解析出水分的渗滤液产量公式[59]:

　　2. 1. 3 覆盖屏障现代卫生填埋场达到设计高度后要设置封顶覆盖屏障，起到减少雨水下渗和填埋气上溢的作用。固废填埋场终场覆盖屏障研究已有 40 多年的发展历史，从最初的简易覆土→由土工膜和压实黏土组成复合阻断型覆盖层→基于水分储存-释放原理的替代型土质覆盖层( 图 5) [61]。替代型土质覆盖层主要有两种类型: 单层型和毛细阻滞型。前者由一层粉土组成，此土下雨时可储存水分随后通过蒸腾作用释放水分，从而实现雨水防渗; 后者在粉土下增加了一层碎石，粉土和碎石界面处的毛细阻滞作用可显著增加粉土层的储水能力，其防渗性能优于单层型[62-63]。现阶段相关研究侧重于土质覆盖层的防渗性能，缺乏填埋气减排性能方面的研究[64-66]。最近有学者进一步研究土质覆盖层的甲烷氧化能力和臭气吸附降解能力[67-69]。

　　2. 1. 4 防污屏障

　　现代卫生填埋场的底部和周边设有防污屏障，它是阻滞渗滤液渗漏与扩散污染地下水土的重要防线。通常采用的屏障材料包括土工膜( Geomembrane，简称 GM) ，土工聚合黏土衬垫( Geosynthetic Clay Liner，简称 GCL) ，压实黏土衬垫( Compacted Clay Liner，简称 CCL) ，以及压实土壤保护层( Attentunation liner，简称 AL) 。图 6 为典型的几种防污屏障结构形式，其中图 ( a) ～ ( d) 为中国标准( CJJ 113—2007) 推荐，图( e) 为美国 EPA 推荐[58]。图( a) 中 2mCCL 是单层衬垫，其余的均是 2 ～ 3 层材料组成的复合衬垫。

　　( 1) 污屏障服役性能评估方法

　　评价标准的选择是防污屏障的服役性能评估的基础。Giroud 等[70]和 Rowe 等[71]将渗漏速率 q 作为评价 标准，通过对比复合屏障渗漏率与0. 6m厚的压实黏土屏障( 渗透系数 < 1 × 10 - 9 m /s) 的渗漏率的大小来评估复合衬垫的服役性能。Foose 等[72]提出了以污染物通量作为评价标准，综合考虑了对流、扩散和屏障材料的吸附阻滞作用。Foose [73]提出以屏障底部渗出液达到指定浓度所需要的时间，即击穿时间，作为服役性能评价标准[74]。相比而言，基于击穿时间的评价标准，概念比较清晰，与屏障服役寿命直接相关。

　　为了计算防污屏障的击穿时间，需要建立污染物在单层及复合衬垫中迁移分析模型。国外研究学者主要 采 用 数 值 计 算 方 法。如，Foose 等[72] 和 Saidi 等[75]分别采用有限差分法、和有限元法研究了污染物在复合衬垫中的对流、扩散问题。数值模型的计算精度较高，但计算过程比较繁琐，数学表达不至关，不便于在工程设计中应用。相比而言，工程师更加钟爱简化的解析解。浙江大学岩土工程研究所建立了重金属和有机污染物通过单层及多层衬垫的渗漏-扩散模型并获得了解析解，包括有机污染物在复合衬垫中的一维扩散解、污染物在有缺陷膜复合衬垫的一维运移解、污染物通过 GCL /AL 中的一维对流-弥散解和污染物通过 GM/GCL /AL 三层结构的解析解[76-80]。这一列解析解为各种屏障的击穿时间的计算提供了方法，为基于击穿时间设计方法的提出奠定了理论基础。

　　污染物在防污屏障中运移受多种因素的影响，包括屏障屏障上方水头高度和污染物浓度、屏障材料的渗透系数、扩散系数和吸附阻滞因子、材料的缺陷( 如 GM 漏洞、褶皱等) 尺寸和数量、复合衬垫各层材料之间的接触条件、材料与污染物之间的相互作用、以及外界环境因素( 温度、压力) 等[76-78]。针对这些影响因素，国内外学者展开了大量的室内外测试工作，积累了污染物在复合衬垫的对流、扩散迁移的参数[76，79-80]。这些参数为上述评估方法提供了实践基础。

　　( 2) 基于击穿时间的防污屏障设计方法

　　陈云敏等[81]根据建立的污染物在防污屏障中的运移模型及其解析解，提出了基于击穿时间的复合屏障设计方法，获得了基于无量纲量的设计曲线。——论文作者：刘松玉1 詹良通2 胡黎明3 杜延军1