Evolution laws of hydraulic parameters of red clay covers and design of seepage prevention
-
摘要: 以红黏土为对象，通过室内单元体并结合填埋场现场原位试验，从建设施工和建成后长期服役两个不同时间尺度对土质覆盖层水力参数开展了5 a的跟踪监测；分析对比了从实验室到现场、从建设施工到建成长期服役水力参数的劣化衰减规律。结果表明：①5 a长期服役中，无植被红黏土覆盖层入渗系数从10-7 cm/s增大到10-3 cm/s，增大4个数量级；有植被条件入渗系数从10-7 cm/s增大到10-6 cm/s，增大1个数量级。②自然气候长期服役覆盖层中大孔隙逐渐增多，降雨雨强过大（如暴雨）导致土质覆盖层防渗能力和储水能力下降。工程设计中应根据当地降雨参数进行适当放大调整。③自然气候下经历反复吸、脱湿滞回循环，土质覆盖层的储水能力与降雨前土层吸湿起点（或初始吸力）和吸湿路径有关。采用室内吸湿起点初始吸力-1500 kPa的主吸湿曲线设计偏于保守，结果相对安全。Abstract: Through the laboratory unit and in-situ tests in landfill site, the hydraulic parameters of red clay soil covers have been monitored for more than five years on two different time scales of construction and long-term service. The degradation laws of hydraulic parameters from laboratory to field as well as from construction to long-term service are analyzed and compared. The results show that: (1) During the five years of long-term service, the infiltration coefficient of red clay covers without vegetation changes from 10-7 cm/s to 10-3 cm/s, with the variation fluctuated by 5 orders of magnitude, and the infiltration coefficient with vegetation is 2 orders of magnitude from 10-7 cm/s to 10-6 cm/s. (2) The macropores in the covers gradually increase in the long-term service of natural climate, and the excessive rainfall (such as rainstorm) leads to the decrease of water storage capacity of soil overburden. In engineering design, it should be adjusted according to the local rainfall parameters. (3) With the repeated cycles of moisture absorption and desorption, the water storage capacity is related to the initial matrix suction and path of moisture absorption before rainfall. The design of the main moisture absorption curve with the starting point of laboratory moisture absorption (initial matric suction) of -1500 kPa is conservative, and the results are relatively safe.
-
0. 引言
当前，中国有上千座既有存量垃圾填埋场与各类尾矿库渣场面临库容饱和亟需封场治理。封场治理的目的是封闭安定废弃堆体，减少降雨入渗保护堆体边坡稳定并通过植被复绿而恢复环境。封场覆盖层一般位于堆体表层，其上边界直接与自然气候环境接触，下边界覆盖着各类垃圾或尾矿矿渣（图 1）。传统复合覆盖层与黏土覆盖层因黏土开裂和土–膜界面滑动失稳频发而长期防渗性能不佳。
![]()
图 1 土质封场覆盖层水分存储-释放循环防渗机理物理模型Figure 1. Model for seepage prevention mechanism of water storage-release cycle in soil cover新型土质覆盖层主要有单一型和毛细阻滞型两种。以单一型土质覆盖层为例：细粒土好比能储水的海绵具有一个最大储水率，当实际储水率超过土层最大储水率则会发生渗漏[1]。土层最大储水率一般认为是田间持水率θc，即土水特征曲线（SWCC）上吸力10~33 kPa所对应的体积含水率[1-2]；最低储水率是植被枯萎时的枯萎含水率θm，即土水特征曲线上吸力-1500 kPa所对应的含水率[1-2]。最大储水率θc与最低储水率θm之间的差值，称为有效储水率θa（θa=θc-θm）[1-2]。当细粒土厚度适中且渗透性较低时，其就像吸水海绵降雨时存储入渗水分晴朗时植被蒸腾释放水分；通过水分的存储—释放循环而实现防渗功能（图 1）[3]。土水特征曲线（SWCC）和渗透系数ks是土质覆盖层防渗设计的关键参数。
当前，SWCC和ks等指标普遍是在建设之初通过取样在实验室进行精细制样测试并以之作为防渗设计参数，鲜有考虑长期服役防渗参数的衰减裂化等。在长达几十年的服役过程中，封场覆盖层直接与大气环境接触暴露在自然气候条件下，动植物的生理活动（如植被根系的生长、穿刺与腐烂）、干湿（如日照—降雨）和冻融（如凝冻—融化）等自然气候循环对土体结构的反复影响，其水力特征参数势必会变化而导致防渗功能大幅下降或失效[4-8]。如张文杰等[4]对土质覆盖层开展了历时15个月的长期监测发现粉质黏土底部含水率过高时会导致覆盖层防渗功能的暂时失效。Albright[6]分别在填埋场现场和实验室开展了黏土的渗透系数测试，结果表明现场覆盖层水力参数较建设之初有较大差异，同时还发现经过4 a的长期服役，渗透系数ks增加几个数量级。Benson[8]等对北美十多个填埋场土质覆盖层从实验室到现场、从现场施工到施工结束服役1~4 a期的水力特征参数进行了比较。结果表明：现场覆盖层饱和导水率ks与饱和体积含水率θs较建设之初呈量级或倍数增加，土水特征曲线（SWCC）Van- Genuchten模型[9]参数也会发生变化。随着服役时间的延长，一直沿用室内设计初的参数会产生较大误差甚至会高估覆盖层的防渗能力。
红黏土是一种黏土，在中国西南地区分布广，质优价廉，防渗性能极佳[10]，已在表土覆盖防渗类工程，如填埋场封顶覆盖[10-12]、尾矿库封场复绿、土石坝坝坡、路基和路堤边坡的坡面绿化工程[13]中广泛运用。但目前针对红黏土在自然气候下长期服役水力特性衰减方面的研究却很少。本文以红黏土为研究对象，从建设之初和建设后长期服役两个不同时间尺度对土质覆盖层水力参数开展了长期监测；分析对比了从建设初到建设后长期服役水力参数的衰减变化规律。以期为类似表土类覆盖防渗工程水力参数的选取和定值提供参考。
1. 试验方法与材料
1.1 试验场地
贵州省位于中国西南喀斯特岩溶发育区中心，红黏土广泛分布。试验填埋场是贵阳市最大的生活垃圾填埋处理设施，于2015年12月在第4、5、6级平台分别建设了#1、#2、#3红黏土覆盖层现场试验区，在#1，#2试验区分别埋设了2支张力计和2支TDR。张力计为Soil Moisture公司所产jet-filled 2725型；TDR测试主机为美国产TDR-100，探头为自制三针式探头（图 2）。现场试验设置见表 1，详细信息请参见文献[10]。
![]()
图 2 现场#1、#2试验区张力计和TDR埋设Figure 2. Embedment of tensiometer and TDR in test areas No. 1 and 2表 1 现场长期监测试验工况设计Table 1. Design of field long-term monitoring tests测试区 位置 植被条件 有/无仪器埋设 埋设深度 #1 4级平台 无 张力计、水分TDR 15，45 cm（各2支） #2 5级平台 有 张力计、水分TDR 15，45 cm（各2支） #3 6级平台 有、无（约一半） 无 无 1.2 测试项目
2015—2020年连续6 a分别在室内（实验室）和现场开展了测试。现场开展了自然气候条件下的红黏土土水特征、双套环原位入渗和土层裂缝观测。室内开展了重塑和原状红黏土的基本参数、土水特征曲线与饱和渗透性测试。现场和室内（实验室）开展的测试项目、测试仪器与方法详见表 2。
表 2 现场和室内（实验室）开展的测试项目与测试方法Table 2. Items and methods of field and indoor (laboratory) tests现场 仪器和方法 室内 仪器和方法 现场覆盖层红黏土体积含水率和基质吸力监测 TDR/张力计联合监测 重塑红黏土基本物理性质和参数 室内土工
常规测试现场覆盖层红黏土双套环原位入渗 下文详述 重塑土室内变水头饱和渗透系数 室内变水头渗透试验 现场降雨等气候条件 翻斗式雨量计和气象信息网 室内重塑土的土水特征曲线 体积压力板仪（0~-1500 kPa） 现场覆盖层红黏土裂缝观测 详见文献[8] 现场取回的覆盖层原状土土水特征曲线 体积压力板仪（0~-1500 kPa） 现场测试：采用埋设于土层中的张力计和TDR分别对红黏土开展了基质吸力和含水率测试, 测试前对TDR含水率测试结果进行了校核和标定。2015—2020年连续6 a分别在#1试验区（无植被）和#2试验区（有植被）进行了双套环原位入渗试验，获得了红黏土不同服役年限的稳定入渗系数（kf）。双套环原位入渗是野外用于测试或评价土体原位渗透性的可靠方法[14-15]。试验简图见图 3，在大、小钢环内注水至相同高度（本文为5 cm），利用大、小玛里奥特供水瓶分别对外、内环补水以控制恒定水头。试验时每隔一定时间测量小环中的入渗量，利用式（1）求得单位时间流量q后即可计算入渗系数：
q=Qts， (1) 式中，Q为t时间内供水小桶内流出的水量，s为小套环包围的面积。
室内测试：试验区建设前，在实验室内对重塑红黏土的基本物理性质、颗分、力学和渗透参数进行了测试。室内重塑土与现场试验区建设用土均取自填埋场取土场，两者属同一地点，同一边坡，同一地层。2015—2020年连续6 a在#3试验区开挖探坑取出原状样（图 4（a），（b））带回室内，采用体积压力板仪测试了田间持水率θc、枯萎含水率θm和有效储水率θa等指标并获得了0~-1500 kPa吸–脱湿土水特征曲线。
1.3 材料特性
重塑红黏土基本物理性质测试结果见表 3。塑性指数Ip为30.33。粒径级配测试结果表明：2.0~0.075 mm间的粗粒组含量18.7%，0.075~0.005 mm间的粉粒组含量37.8%，粒径r < 0.005 mm的黏粒组含量43.5%。由液限、塑限并结合粒径级配可知该土属黏土。
表 3 红黏土基本物理力学参数Table 3. Basic physical and mechanical parameters of red clay天然含水率/% 天然密度/(g·cm-3) 相对质量密度 液限/% 塑限/% 最优含水率/% 最大干密度/(g·cm-3) 压缩系数a1-2/MPa-1 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa 孔隙比 31.5 1.67 2.71 70.65 40.32 23.8 1.61 0.21 14.5 18.7 1.13 2. 饱和渗透性演变规律与讨论
2.1 饱和渗透性随服役时间演变规律
图 5是#1试验区（无植被）2015—2020年连续6 a利用双套环原位入渗试验测得的现场红黏土入渗曲线。可见：2015年建造之初（服役0 a）入渗系数为1.94×10-7 cm/s；2016年（服役1.07 a）为5.65×10-3 cm/s；2020年（服役5.0 a）为1.03×10-3 cm/s。5 a服役期，入渗系数从建设之初的10-7 cm/s增大到10-3 cm/s，增大4个数量级。
![]()
图 5 现场无植被2015—2020年服役期红黏土入渗曲线Figure 5. Infiltration curves of red clay without vegetation from 2015 to 2020图 6为在#2试验区（有植被）2015—2020年连续6 a利用双套环原位入渗试验测得的现场红黏土入渗曲线。可见：2015年建造之初（服役0 a）入渗系数为1.94×10-7 cm/s；2017年（服役2.03 a）为1.03×10-6 cm/s；2020年（服役5.0 a）为6.32×10-6 cm/s。5 a服役期，入渗系数从建设之初的10-7cm/s增大到10-6 cm/s，增大1个数量级。
![]()
图 6 现场有植被2015—2020年服役期红黏土入渗曲线Figure 6. Infiltration curves of red clay with vegetation from 2015 to 20202.2 渗透性讨论
图 7给出了2015—2020年连续6 a在#1、#2试验区利用双套环入渗试验测得的现场土和相同干密度室内重塑土的渗透系数对比。由图 7可见：现场覆盖层红黏土饱和渗透系数（1.94×10-7 cm/s）比室内重塑红黏土（1.42×10-7cm/s）大36.62%。文献[8]分析了现场土与室内重塑土渗透系数存在差异的原因。但需注意的是，当前中国类似工程建设之初防渗参数往往通过室内重塑土的精细制样测试而获得，故需注意两者渗透性的差异。其次，在5 a服役期间#1试验区（无植被）入渗系数较建设之初有明显的增大且从10-7 cm/s增大到10-3 cm/s，变化4个数量级；#2试验区（有植被）入渗系数较建设之初也有明显的增大且从10-7 cm/s增大到10-6 cm/s，变化1个数量级。有、无植被条件入渗系数波动变化的差异是巨大的，这与无植被裸露黏土更易开裂有关[10]。这表明工程中若用压实红黏土作填埋场、尾矿库、边坡和路基路堤等表土类覆盖防渗材料时，积极种植植被能减缓黏土覆盖层防渗性能的衰减与裂化。
![]()
图 7 2015—2020年各年有植被与无植被条件渗透系数对比Figure 7. Comparison of permeability coefficients with and without vegetation from 2015 to 20203. 持水特性演变规律与讨论
3.1 土水特征曲线参数演变特性
文献[10]采用Van-Genuchten（V-G）模型[9]对红黏土土水特征进行了拟合，V-G模型为
θs=θr+(θs−θr)1[1+(ϕa)n]m 。 (2) 式中θs为饱和含水率；θr为残余含水率；a为与土壤进气值有关的倒数（1/a为土体进气值）；n为脱水速率较快的斜线段斜率；m为系数（m=1-1/n）。图 8是#2试验区（有植被）覆盖层2015—2020年连续6 a从现场取回的红黏土原状样在实验室内利用体积压力板仪测试而来的0~-1500 kPa脱湿土水特征点。图 8中虚线是由脱湿点基于V-G模型拟合而来的曲线，表 4给出了V-G模型拟合得到的4个参数值。结合图 8和表 4可见：自然气候条件下覆盖层经历不同时间服役后，红黏土土水特性会逐渐变化。饱和含水率θs、残余含水率θr、与进气值有关的倒数a、脱水速率n各年有小范围波动且呈逐年增加之势。如θs由2015年（建设初0.0 a）的49.05%增加到2020年（服役5.0 a）的51.67%；a由2015年的2.59增加到2020年的11.07。脱水速率n由2015年建设初的1.01增加到2020年的1.60。
![]()
图 8 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线（脱湿过程）Figure 8. Soil-water characteristic curve of red clay in natural climate from 2015 to 2020 (moisture desorption)表 4 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线V-G模型拟合参数（脱湿过程）Table 4. Fitting parameters of V-G model of soil-water characteristic curves of red clay in natural climate from 2015 to 2020 (moisture desorption process)服役时间 饱和含水率θs/% 残余含水率θr/% 与进气值有关的倒数a 脱水速率n 建造之初(2015年) 49.05 18.78 2.59 1.01 第1年
(2016年)50.27 20.12 6.31 1.16 第2年
(2017年)50.31 19.74 8.52 1.19 第3年
(2018年)52.41 22.09 13.33 1.58 第4年
(2019年)53.95 19.47 10.86 1.55 第5年
(2020年)51.67 20.97 11.07 1.60 图 9是#2试验区（有植被）2015—2020年连续6 a从现场取回的红黏土原状样在实验室内利用体积压力板仪测试而来的1500→0 kPa吸湿土水特征点。图中虚线是由吸湿点基于V-G模型拟合而来的曲线，表 5是拟合得到的V-G模型参数。可见：从2015年建设之初（0.0 a）到2020年（服役5.0 a），θs，θr，a和n均在发生变化。上述长期服役过程中，土水特性和参数的变化可能与植物根系生长导致的土体结构改变和根系分泌物等有机物含量增加有关[7]。
![]()
图 9 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线（吸湿过程）Figure 9. Soil-water characteristic curves of red clay in natural climate from 2016 to 2020 (moisture absorption process)表 5 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线V-G模型拟合参数（吸湿过程）Table 5. Fitting parameters of V-G model of soil-water characteristic curves of red clay in natural climate from 2015 to 2020 (moisture absorption process)服役时间 饱和含水率θs/% 残余含水率θr/% 与进气值有关的倒数a 脱水速率n 建造之初(2015年) 34.10 18.78 43.30 1.55 第1年
(2016年)37.10 20.12 27.16 1.51 第2年
(2017年)36.08 19.74 30.63 1.54 第3年
(2018年)32.94 19.74 32.15 1.75 第4年
(2019年)36.10 22.09 42.47 2.11 第5年
(2020年)32.10 20.97 28.98 1.90 3.2 持水能力与防渗设计讨论
图 10是2015—2020年间不同服役年限现场原状红黏土土水特征曲线分布范围图。黑色粗实线是建设之初的土水特征曲线，虚线是不同服役时间所测曲线。由图 10可见：长期服役过程中脱、吸湿曲线都呈现出一定范围的波动或变化。这一方面与长期服役土体持水特性发生变化外，也与现场土体压实和取样的均值性有关。表 6给出了连续6 a覆盖层原状土分别由脱、吸湿土水特征曲线计算而来的田间持水率θc和有效储水率θa。由表 6可见：同一服役年限由脱、吸湿曲线计算的θa相差较大。经分析这与体积压力板仪测试机理和土中大孔隙的“瓶颈（或墨水瓶）效应”有关。如图 11所示，体积压力板仪基于轴平移技术，土体上表面为测试施加的气压ua，土体下表面与高进气值陶土板形成一联通水力联系，水压为uw。脱湿时：在ua-uw基质吸力条件下土中水由上向下运移穿过陶土板流出土体。吸湿时：则经毛细吸力由下往上逐渐吸入土中。由于大孔隙“瓶颈（或墨水瓶）效应”的存在，部分水不能（或滞后）进入较大孔隙，导致同一基质吸力条件下吸湿过程含水率要低于脱湿过程。其次，不同服役年限由脱湿曲线计算而来的θa均在17.0%左右，而由吸湿曲线计算而来的θa则由12.2%逐渐减小至7.5%（图 12，第二年数据变化大与现场大体量压实和取样的均值性有关）。由上述吸湿土水特征曲线测试中的大孔隙“瓶颈（或墨水瓶）效应”，不同服役年限吸湿过程θa的逐渐减小则表明更多的水分不能吸入土体，也即意味着土中大孔隙的逐渐增多。这可能与自然气候条件下植被生长，部分根系腐烂逐年累积形成更多根孔等大孔隙有关。
![]()
图 10 2015—2020年间各年土水特征曲线变化分布范围图Figure 10. Envelope map of distribution range of soil-water characteristic curves from 2015 to 2020表 6 长期服役原状红黏土有效储水率θaTable 6. Effective water storage rate (θa) of undisturbed red clay in long-term service水力条件 时间/a 田间持水率θc/% 枯萎持水率θr/% 有效储水率θa/% 脱湿 0 36.08 18.78 17.30 1.07 37.15 20.12 17.03 2.03 37.85 19.74 18.11 3.0 39.05 22.09 16.96 4.1 38.35 19.47 18.88 5.0 37.65 20.97 16.68 吸湿 0 31.00 18.78 12.22 1.07 31.75 20.12 11.63 2.03 37.15 19.74 17.41 3.0 32.94 22.09 10.85 4.1 29.06 19.47 9.59 5.0 28.43 20.97 7.46 *考虑测试过程中天平称量最小精度、体积压力板仪滴定管肉眼读数最小精度和测试加压压力表精度等，有效储水率θa的误差率为1.2%。 ![]()
图 11 体积压力板仪测试吸湿土水特征曲线与大孔隙“瓶颈（或墨水瓶）效应”[16]Figure 11. Soil-water characteristic curve of hygroscopic soil measured by volume pressure plate apparatus and "bottleneck effect" of macropores![]()
图 12 长期服役原状红黏土有效储水率θaFigure 12. Effective water storage rate (θa) of undisturbed red clay in long-term service需要注意的是，上述体积压力板仪测试吸湿曲线与自然降雨过程中水分的运移路径有一定区别。如前所述，室内测试室时水分经毛细吸力由下往上逐渐吸入，水势为基质势（基质吸力φ）。自然降雨过程中水分经重力和毛细吸力由上往下逐渐下渗，水势为重力势与基质势（重力水头h+基质吸力φ）。对于直径大于0.1 mm的大孔隙根孔等（又称非毛管孔隙），当雨强较大坡面形成积水则可能会成为水分下渗的优先路径而大大降低防渗能力。对于孔径在10-6~10-1 mm间的毛管孔隙，当雨强较大则可能会在土体浅表层形成一饱和层而封闭土中气泡，导致自然降雨难以将土中气泡完全置换排除而降低其储水能力。故，自然气候条件下，若降雨雨强过大（如暴雨）则会导致土质覆盖层防渗能力和储水能力大幅下降，工程设计中应根据当地降雨参数（如雨型和雨强）进行调整。
由于体积压力板测试土水特征曲线有脱、吸湿之分，故设计时采用哪一条曲线尤为重要。对于脱湿曲线：由于自然气候条件下各类防渗工程实际服役过程均为吸湿，故采用吸湿曲线更加接近真实水力条件和水力路径。同时，由于实验室内测试土水特征曲线在制样饱和时，一般采用真空抽气等手段使土体饱和度能达到99%以上，而现场自然气候条件降雨过程中土体很难达到完全饱和。如文献[8]中的图 9，当基质吸力接近0 kPa时，土体体积含水率远远低于室内饱和体积含水率而呈假饱和状态（如前述自然降雨难以将土中封闭气泡完全置换排除）。故，防渗设计时采用室内脱湿曲线偏于危险。
图 13，14是#2试验区（有植被）红黏土分别在2016年7月、2017年9月的两场自然降雨中，经埋设于土中的张力计和TDR共同测试而来的土水特征点。图 13，14中，黑色实心三角点是从试验区取回的红黏土原状样在实验室内由体积压力板仪测试而来的0~-1500 kPa土水特征点（以下简称室内测试点）。2016年7月的降雨记为第一场，2017年9月降雨记为第二场。由图 13可见：第一场降雨前土层初始基质吸力26 kPa，体积含水率29%。降雨结束后部分现场测试点基质吸力达到（或接近）0 kPa，对应饱和体积含水率41%~46%。第二场雨因降雨量较小，降雨前后土层基质吸力由58.0 kPa降至5.0 kPa，土层体积含水率由27.4%升至约35%。这两场降雨过程中，虽红黏土的初始基质吸力不同，土层经历的吸湿水力条件和路径有差异，但均远远高于实验室内采用体积压力板仪测试吸湿起点-1500 kPa的初始条件。
![]()
图 13 现场自然降雨气候下红黏土土水特征点（第一场雨）Figure 13. Soil-water characteristic points of red clay in natural rainfall climate (the 1st rain)![]()
图 14 现场自然降雨气候下红黏土土水特征点（第二场雨）Figure 14. Soil-water characteristic points of red clay under natural rainfall climate (the 2nd rain)图 15为土水特征曲线经历反复吸—脱湿以及滞回圈内不同水力路径或吸湿起点曲线的定义及示意[17]。如前所述，由于大孔隙“瓶颈（或墨水瓶）效应”的存在，部分水不能（或滞后）进入较大孔隙，使得吸湿土水特征曲线与吸湿路径和初始起点有直接的关系。也即：吸湿起点基质吸力越高（初始基质吸力代数值越小）则土水特征曲线也越高（含水率越高），进而影响土层储水能力。自然气候条件下，由于每场降雨前土体初始基质吸力、含水率以及降雨量的不同，因此每一场降雨对于土体而言都经历了一个特定的吸湿起点和吸湿过程（如图 16中的第一、二场降雨）。这也说明自然气候条件下，土质覆盖层的储水能力并非一个定值，而与当地气象条件如降雨量、降雨前的日照和气温等密切相关。但对于大多数位于半干旱、半湿润和湿润气候区的覆盖防渗工程，降雨前土层基质吸力均远远高于室内体积压力板仪测试时的吸湿起点（-1500 kPa）。因此，现场大部分吸湿点位于室内测试主吸湿曲线之上。这也说明采用室内初始基质吸力-1500 kPa的主吸湿曲线估算土层储水能力偏于保守，结果相对安全。同时为更好地评价土层储水能力，建议测试吸湿土水特征曲线时，吸湿起点（基质吸力）应根据当地气候条件而定。
![]()
图 15 土水特征曲线滞回圈内各曲线定义和示意图[17]Figure 15. Definition and schematic diagram of each curve in hysteresis loop of soil-water characteristic curves![]()
图 16 现场红黏土在两场自然降雨气候条件下的土水特征响应Figure 16. Soil-water characteristic responses of red clay in two natural rainfalls4. 结论
对室内、现场条件下的红黏土覆盖层水力参数进行了为期5 a多的长期监测，得到以下4点结论。
（1）在5 a的长期服役中，无植被条件红黏土入渗系数从10-7 cm/s增大到10-3 cm/s，增大4个数量级。有植被条件入渗系数从10-7 cm/s增大到10-6 cm/s，增大1个数量级。采用压实红黏土作表土类覆盖防渗材料且直接与自然气候环境接触时，设计中首先需注意室内精细制样与现场大体量施工间压实质量和防渗性能间的差异，其次积极种植植被能减缓黏土覆盖层防渗性能的衰减与裂化。
（2）长期服役过程中，自然气候与动植物生理活动导致覆盖层中大孔隙逐渐增多。当雨强较大，直径大于0.1 mm的非毛管大孔隙可能会成为水分下渗的优先路径而大大降低防渗能力；对于10-6~10-1 mm间的毛管孔隙，自然降雨可能会在土体浅表层形成一饱和层而封闭土中气泡，导致降雨难以将土中封闭气泡完全置换而降低储水能力。工程设计中应根据当地降雨参数（如雨型和雨强）进行适当放大调整。
（3）在长期服役过程中，因自然气候和植被根系等对土体水力特性的改变导致脱、吸湿曲线均呈现出一定范围的波动或变化。自然气候降雨过程中，土质覆盖层的吸湿土水特征曲线与降雨前土层的吸湿起点（初始基质吸力）和吸湿路径有关。采用室内脱湿曲线设计偏于危险；采用室内吸湿起点初始基质吸力-1500 kPa的主吸湿曲线设计偏于保守，结果相对安全。
-
![]()
图 1 土质封场覆盖层水分存储-释放循环防渗机理物理模型
Figure 1. Model for seepage prevention mechanism of water storage-release cycle in soil cover
![]()
图 2 现场#1、#2试验区张力计和TDR埋设
Figure 2. Embedment of tensiometer and TDR in test areas No. 1 and 2
![]()
图 5 现场无植被2015—2020年服役期红黏土入渗曲线
Figure 5. Infiltration curves of red clay without vegetation from 2015 to 2020
![]()
图 6 现场有植被2015—2020年服役期红黏土入渗曲线
Figure 6. Infiltration curves of red clay with vegetation from 2015 to 2020
![]()
图 7 2015—2020年各年有植被与无植被条件渗透系数对比
Figure 7. Comparison of permeability coefficients with and without vegetation from 2015 to 2020
![]()
图 8 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线（脱湿过程）
Figure 8. Soil-water characteristic curve of red clay in natural climate from 2015 to 2020 (moisture desorption)
![]()
图 9 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线（吸湿过程）
Figure 9. Soil-water characteristic curves of red clay in natural climate from 2016 to 2020 (moisture absorption process)
![]()
图 10 2015—2020年间各年土水特征曲线变化分布范围图
Figure 10. Envelope map of distribution range of soil-water characteristic curves from 2015 to 2020
![]()
图 11 体积压力板仪测试吸湿土水特征曲线与大孔隙“瓶颈（或墨水瓶）效应”[16]
Figure 11. Soil-water characteristic curve of hygroscopic soil measured by volume pressure plate apparatus and "bottleneck effect" of macropores
![]()
图 12 长期服役原状红黏土有效储水率θa
Figure 12. Effective water storage rate (θa) of undisturbed red clay in long-term service
![]()
图 13 现场自然降雨气候下红黏土土水特征点（第一场雨）
Figure 13. Soil-water characteristic points of red clay in natural rainfall climate (the 1st rain)
![]()
图 14 现场自然降雨气候下红黏土土水特征点（第二场雨）
Figure 14. Soil-water characteristic points of red clay under natural rainfall climate (the 2nd rain)
![]()
图 15 土水特征曲线滞回圈内各曲线定义和示意图[17]
Figure 15. Definition and schematic diagram of each curve in hysteresis loop of soil-water characteristic curves
![]()
图 16 现场红黏土在两场自然降雨气候条件下的土水特征响应
Figure 16. Soil-water characteristic responses of red clay in two natural rainfalls
表 1 现场长期监测试验工况设计
Table 1 Design of field long-term monitoring tests
测试区 位置 植被条件 有/无仪器埋设 埋设深度 #1 4级平台 无 张力计、水分TDR 15，45 cm（各2支） #2 5级平台 有 张力计、水分TDR 15，45 cm（各2支） #3 6级平台 有、无（约一半） 无 无 
下载: 导出CSV
表 2 现场和室内（实验室）开展的测试项目与测试方法
Table 2 Items and methods of field and indoor (laboratory) tests
现场 仪器和方法 室内 仪器和方法 现场覆盖层红黏土体积含水率和基质吸力监测 TDR/张力计联合监测 重塑红黏土基本物理性质和参数 室内土工
常规测试现场覆盖层红黏土双套环原位入渗 下文详述 重塑土室内变水头饱和渗透系数 室内变水头渗透试验 现场降雨等气候条件 翻斗式雨量计和气象信息网 室内重塑土的土水特征曲线 体积压力板仪（0~-1500 kPa） 现场覆盖层红黏土裂缝观测 详见文献[8] 现场取回的覆盖层原状土土水特征曲线 体积压力板仪（0~-1500 kPa）
下载: 导出CSV
表 3 红黏土基本物理力学参数
Table 3 Basic physical and mechanical parameters of red clay
天然含水率/% 天然密度/(g·cm-3) 相对质量密度 液限/% 塑限/% 最优含水率/% 最大干密度/(g·cm-3) 压缩系数a1-2/MPa-1 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa 孔隙比 31.5 1.67 2.71 70.65 40.32 23.8 1.61 0.21 14.5 18.7 1.13
下载: 导出CSV
表 4 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线V-G模型拟合参数（脱湿过程）
Table 4 Fitting parameters of V-G model of soil-water characteristic curves of red clay in natural climate from 2015 to 2020 (moisture desorption process)
服役时间 饱和含水率θs/% 残余含水率θr/% 与进气值有关的倒数a 脱水速率n 建造之初(2015年) 49.05 18.78 2.59 1.01 第1年
(2016年)50.27 20.12 6.31 1.16 第2年
(2017年)50.31 19.74 8.52 1.19 第3年
(2018年)52.41 22.09 13.33 1.58 第4年
(2019年)53.95 19.47 10.86 1.55 第5年
(2020年)51.67 20.97 11.07 1.60
下载: 导出CSV
表 5 自然气候下2015—2020年服役期红黏土土水特征曲线V-G模型拟合参数（吸湿过程）
Table 5 Fitting parameters of V-G model of soil-water characteristic curves of red clay in natural climate from 2015 to 2020 (moisture absorption process)
服役时间 饱和含水率θs/% 残余含水率θr/% 与进气值有关的倒数a 脱水速率n 建造之初(2015年) 34.10 18.78 43.30 1.55 第1年
(2016年)37.10 20.12 27.16 1.51 第2年
(2017年)36.08 19.74 30.63 1.54 第3年
(2018年)32.94 19.74 32.15 1.75 第4年
(2019年)36.10 22.09 42.47 2.11 第5年
(2020年)32.10 20.97 28.98 1.90
下载: 导出CSV
表 6 长期服役原状红黏土有效储水率θa
Table 6 Effective water storage rate (θa) of undisturbed red clay in long-term service
水力条件 时间/a 田间持水率θc/% 枯萎持水率θr/% 有效储水率θa/% 脱湿 0 36.08 18.78 17.30 1.07 37.15 20.12 17.03 2.03 37.85 19.74 18.11 3.0 39.05 22.09 16.96 4.1 38.35 19.47 18.88 5.0 37.65 20.97 16.68 吸湿 0 31.00 18.78 12.22 1.07 31.75 20.12 11.63 2.03 37.15 19.74 17.41 3.0 32.94 22.09 10.85 4.1 29.06 19.47 9.59 5.0 28.43 20.97 7.46 *考虑测试过程中天平称量最小精度、体积压力板仪滴定管肉眼读数最小精度和测试加压压力表精度等，有效储水率θa的误差率为1.2%。
下载: 导出CSV
-
[1] CHEN C. Meteorological Conditions for Design of Monolithic Alternative Earthen Covers(AEFCs)[D]. Madison: University of Wisconsin, 1999.
[2] BENSON C H, ALBRIGHT W H, ROESLER A C, et al. Evaluation of final cover performance: Field data from the Alternative Cover Assessment Program (ACAP)[C]// Proceedings of Waste Management. 2002.
[3] ZHANG Wen-jie, GENG Xiao, Performance and mechanism of capillary-barrier evaportranspiration cover of landfills[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(3): 454–459. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202102002.htm [4] 张文杰, 林午, 董林兵. 垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶模型试验[J]. 岩土力学, 2014, 35(5): 1263–1268. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201405007.htm ZHANG Wen-jie, LIN Wu, DONG Lin-bing. Model test of a capillary barrier evapotranspiration cover for landfills[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(5): 1263–1268. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201405007.htm
[5] ALBRIGHT W H, BENSON C H, GEE G W, et al. Field water balance of landfill final covers[J]. Journal of Environmental Quality, 2004, 33(6): 2317–2332. doi: 10.2134/jeq2004.2317
[6] ALBRIGHT W H, BENSON C H, GEE G W, et al. Field performance of a compacted clay landfill final cover at a humid site[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006, 132(11): 1393–1403. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2006)132:11(1393)
[7] NI J J, LEUNG A K, NG C W W, et al. Investigation of plant growth and transpiration-induced matric suction under mixed grass–tree conditions[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2017, 54(4): 561–573. doi: 10.1139/cgj-2016-0226
[8] BENSON C H, SAWANGSURIYA A, TRZEBIATOWSKI B, et al. Postconstruction changes in the hydraulic properties of water balance cover soils[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(4): 349–359. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:4(349)
[9] VAN GENUCHTEN M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44(5): 892–898. doi: 10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x
[10] 焦卫国, 季永新, 张玥, 等. 红黏土土质覆盖层水力参数随服役时间演变规律分析[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(6): 1059–1068. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202106013.htm JIAO Wei-guo, JI Yong-xin, ZHANG Yue, et al. Evolution of hydraulic parameters of red clay cover with service time [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(6): 1059–1068. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202106013.htm
[11] 谭邦宏. 红黏土作为垃圾填埋场防渗垫层的研究进展[J]. 四川建筑, 2015, 35(6): 107–108, 111. doi: 10.3969/j.issn.1007-8983.2015.06.039 TAN Bang-hong. Research progress of red clay as impermeable cushion in landfill[J]. Sichuan Architecture, 2015, 35(6): 107–108, 111. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-8983.2015.06.039
[12] 彭玉林, 龚爱民, 孙海燕, 等. 垃圾填埋场中改性红黏土防渗料的性能研究[J]. 人民长江, 2011, 42(增刊2): 163–165, 169. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE2011S2057.htm PENG Yu-lin, GONG Ai-min, SUN Hai-yan, et al. Study on properties of modified red clay anti-seepage materials in landfill sites[J]. Yangtze River, 2011, 42(S2): 163–165, 169. (in Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE2011S2057.htm
[13] 王云, 关爱军, 沈峰, 等. 红黏土路堤边坡降水影响深度模拟分析[J]. 公路工程, 2015, 40(5): 50–55. doi: 10.3969/j.issn.1674-0610.2015.05.012 WANG Yun, GUAN Ai-jun, SHEN Feng. Simulation analysis on the precipitation influence depth of laterite soil embankment slope[J]. Highway Engineering, 2015, 40(5): 50–55. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-0610.2015.05.012
[14] 张文杰, 董林兵, 王顺玉. 山谷型填埋场汇水区域径流补给规律研究[J]. 土木工程学报, 2011, 44(增刊2): 173–176. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC2011S2042.htm ZHANG Wen-jie, DONG Lin-bing, WANG Shun-yu. Investigation on water inflow from the catchment area of a valley-type landfill[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(S2): 173–176. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC2011S2042.htm
[15] 冶运涛, 伍靖伟, 王兴奎. 双套环测定土壤渗透系数数值模拟分析[J]. 灌溉排水学报, 2007, 26(3): 14–18. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GGPS200703003.htm YE Yun-tao, WU Jing-wei, WANG Xing-kui. Numerical simulation of double-ring measuration on hydraulic conductivity[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2007, 26(3): 14–18. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GGPS200703003.htm
[16] LU N, W LIKOS J W. Unsaturated Soil Mechanics[M]. Beijing: Higher Education Press, 2012.
[17] 张雪东, 赵成刚, 刘艳, 等. 土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究[J]. 工程地质学报, 2010, 18(6): 920–925. doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2010.06.017 ZHANG Xue-dong, ZHAO Cheng-gang, LIU Yan, et al. Simulation and hysteresis model for soil-water characteristic curves[J]. Journal of Engineering Geology, 2010, 18(6): 920–925. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2010.06.017
-
期刊类型引用(4)
1. 赵培琳，张明礼，冯微，冯德刚，闫欣晨，刘岳峰. 毛细阻滞层防治季节冻土路基覆盖效应试验研究. 长沙理工大学学报(自然科学版). 2025(01): 28-39 . 
百度学术
2. 焦卫国，林长松，庹斌，贺明卫，刘振男，张玥. 半湿润地区毛细阻滞覆盖层长期防渗性能评价与渗漏气象机制分析. 土木工程学报. 2023(10): 118-126 . 百度学术
3. 焦卫国，庹斌，张松，贺明卫，林长松，刘振男. 西北非湿润区毛细阻滞覆盖层防渗性能验证与长期服役高危易渗气象段分析. 岩土力学. 2023(S1): 539-547 . 百度学术
4. 李晓康，李旭，吴羊，王菲. 含非饱和导排层毛细阻滞覆盖层服役性能试验研究. 岩土工程学报. 2022(S1): 189-194 . 本站查看
其他类型引用(2)
-
其他相关附件
-
PDF格式
审稿意见与作者答复 点击下载(1424KB)
-
计量
- 文章访问数: 324
- HTML全文浏览量: 23
- PDF下载量: 135
- 被引次数: 6
