【阅读】环境岩土工程研究进展（一）

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。

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ryciw 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 ×10e -9m/s 时，击穿仅需1. 97 年，而即使符合规范规定的1. 0 ×10e- 9m/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 ExposureAssessment) 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-Hydraulic-Chemistry) 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。

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］:

式中: Id( mm/d) 为日均降雨量; A1、A2和A3( m2 ) 分别为填埋作业区域、中间覆盖区域和终场覆盖区域汇水面积; CL1、CL2和CL3分别为填埋作业区域、中间覆盖区域和终场覆盖区域渗出系数; Md( t /d) 为日均填埋垃圾量; WC为填埋垃圾初始含水率; FC为填埋垃圾田间持水量; ρw( t /m3 ) 为水的密度。

考虑快速降解物质和慢速降解物质产气规律的不同，对IPCC 填埋气产量预测模型进行了修正，提出了分阶段的填埋气产量公式为:

式中，Qt( m3 /a) 为填埋固废产气量; M( kg) 为填埋固废质量; LＲ0和LS0( m3 /kg) 分别为快速和慢速降解物质的产气潜力，可根据固废组分计算; kＲ和kS( a -1 ) 分别为快速和慢速降解阶段的产气速率，可通过固废产气试验确定。上海黎明固废填埋场抽气试验结果表明:试验区填埋固废龄期3 ～ 5 年，慢速降解阶段的产气速率kS为0.1a － 1 ; 而西安江村沟固废填埋场抽气试验区的填埋固废龄期为0. 2 ～ 1 年，快速降解阶段的产气速率kＲ为1. 1a － 1。不同降解阶段的产气速率有着显著的差距，这将为填埋气收集系统的合理设计提供依据。

根据前述固废液气产生和运移规律，渗滤液产量大、水位高、液气相互阻滞容易导致高液气压力，增加了填埋体失稳和渗滤液渗漏风险，增大了填埋气收集难度。因此，降低渗滤液水位并实现液气分离导排是高厨余固废含量填埋场灾害防控及提高填埋气收集率的关键。浙江大学研发了液气分离立体导排方法:①设置多层水平导排盲沟，用于快速降解阶段浅层水位的控制及填埋气的收集; ②设置深层抽排竖井，兼具渗滤液和填埋气导排功能，用于降低深层水位并增加气体收集量。

( 3) 生化环境主动调控加速填埋体降解稳定化

BMHC 耦合模型分析结果表明: 在填埋场中注入高甲烷菌浓度、高碱度的渗滤液是一种有效的缓减和解除酸化抑制的调控途径，从而加速固废的降解。杭州天子岭固废填埋场的分析结果表明［60］: 采用调控措施后，显著缩短了酸化抑制持续时间，大幅降低了VFA 峰值浓度，从而加快了产甲烷速率，缩短了降解稳定化时间。

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 e- 9m/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。詹良通等［82］基于Ogata 解析解，给出了竖向防渗帷幕击穿时间和设计厚度的简化计算公式:

其中: L 为帷幕厚度; Fr为安全系数; T 为击穿时间; k为帷幕渗透系数; Ｒd

为帷幕材料阻滞因子; Dh为帷幕材料的扩散系数; H 为帷幕上下游水头差。

2. 2 工业废弃物资源化利用

随着冶金、煤炭、电力和化学等工业的快速发展，产生了大量工业废弃物，这些废弃物如不能有效处理和利用这些工业废渣，就不能从根本上解决固体废弃物污染问题。由于工业废渣的特性不同于其他生活垃圾等固体废弃物，不能采取简单的填埋和焚烧的办法处理。近年来，越来越多的岩土工程工作者将工业废渣看作特殊土体或特殊材料，对其改良利用进行了研究，以实现工业废弃物的资源化利用。唐明述院士认为充分利用工业废渣是可持续发展的重要途径之一。

工业废渣是大规模工业化生产的副产品。按其来源分类如下表1 所示。

近年来，在我国工程建设中对上述废弃物的工程应用进行了较多的研究，推动了工业废弃物资源化利用发展。煤矸石( Coal Gangue) 是煤层形成过程中与煤伴生或共生的一种岩石，随着煤矿的开采而成为煤炭生产过程中的一种副产品。国内外对煤矸石的岩土工程利用，主要集中于路基填料和垫层，对其路用性能进行了大量研究并在许多土木工程中得到了成功应用［83-86］。

电石渣又称电石灰，主要源于工业生产聚氯乙烯( PVC) 、聚乙烯醇、乙炔气等产品过程中，电石CaC2水解后产生的废渣，呈灰白色，其主要成分是Ca( OH)2，是高碱性物质，pH 值可达12 以上。排放及存储电石渣常占用大量的耕地，长期存放的土地严重钙化，复耕非常困难，已经有很多岩土工作者展开了把电石渣用于道路基层材料中的研究［87-90］。庞巍等［91］分析了电石渣改良盐渍土路基填料的效果，结果表明电石灰固化改良后，盐渍土塑性指数缓慢降低; 随着掺入量的增加，其最优含水率和CBＲ 值都相应的增大。杜延军、刘松玉等［88， 92］开展了工业废渣电石渣改良过湿土路基的现场试验和室内试验的系列研究，结果表明:电石渣可有效提高过湿土无侧限抗压强度、CBＲ、回弹模量、土体贯入阻力和干湿循环耐久性等力学特性，且其改良效果显著优于传统生石灰改良土。在现场试验的基础之上，杜延军、刘松玉等［88， 92］提出了电石渣改良过湿土路基的筑路技术工艺、力学性能成套测试方法、复杂环境影响下电石渣对周边水土体环境影响的定量评价理论和工程措施。这些研究结果表明，电石渣较生石灰改良土具有路用性能卓越、社会效益和经济效益显著的优点，具有良好的应用前景。

基于植物生物质的工业生产过程中会产生大量的木质素副产品，其中以生物能源生产和造纸厂最为典型。木质素是一种复杂的有机高分子聚合物，其相对分子质量在2800 ～ 17800 之间，相对密度约为1. 35～ 1.50，通常呈灰黄色或黄褐色。Karol［93］针对副产品木质素在土体改良中的应用及其基本性质做了详细介绍。张涛、刘松玉等［94］对副产品木质素进行了大量化学分析试验，得到木质素中主要含有C、O、Na 和S等元素，具有醇羟基( -OH) 、C-C 键、甲氧基( -OCH3) 、磺酸基( S = O) 和羰基( -CO) 等活性官能基团。Tingle等［95］采用木质素、树脂和聚合物等七种非传统固化剂固化黏性土( 低塑性黏土和高塑性黏土) ，结果表明，木质素在提高黏性土强度和水稳性方面总体优于其他类型固化剂; Santoni 等［96］采用与Tingle 相同的非传统固化剂和试验方法对粉砂进行固化并评价各自的效果，得到了与固化黏土相一致的试验结果; Santoni等［97］还采用水泥来加速木质素的固化速率和效果，但室内试验结果并未取得理想效果，当木质素与水泥混合后，改良土强度相对于单一固化剂改良土的强度反而有所降低。由此说明，木质素固化土体的机理与传

统水泥固化土体的机理不同，两者混合后与土体矿物间的可能存在相互抑制的效果; Ceylan 等［98］采用生物能源生产过程中的副产品木质素固化爱荷华10 号土( CL，A-6( 8) ) ，固化土无侧限抗压强度较素土有显著提高，可满足当地道路建设设计要求; Surdahl 等［99］报道了采用木质素固化布宜诺斯艾利斯市的某道路路基，并与石灰等其他4 种不同类型的固化剂进行对比，通过2 年的现场监测表明，木质素固化路基土的路用性能优于其他类型固化土，同时工程建设费用相对经济。刘松玉等［100］采用工业副产品木质素固化江苏粉土，结果发现副产品木质素可显著提高粉土的强度，同时土体的“脆性”特征得到有效减小，固化粉土可满足一定条件下交通工程路基填料的要求，采用木质素固化土体既节约了自然资源，“变废为宝”，又保护了环境。

工业污泥分为城市污水处理厂污泥、给水厂污泥、排水沟道污泥、城市水泥疏浚淤泥和城市建筑工地泥浆等。其中污水处理厂污泥的产量最大，主要包含工业污水处理过程中产生的沉淀物、颗粒物、漂浮物和沉渣等，含水率高达99% 以上，即使经污水厂机械脱水处理后，含水率仍高达80% 左右。我国每年废弃的疏浚淤泥达到1 亿m3 以上，仅我国珠江三角洲地带每年产生的疏浚淤泥就可达8000 万m3 左右，东海、北海地区也产生了相当量的疏浚淤泥。工业污泥和疏浚淤泥在岩土工程中的利用主要是采用物理或化学方法，通过降低含水量、提高强度和稳定重金属等，将其作为填方材料，替代砂石和土进行使用。

西方国家倾向于采用污泥焚烧灰制砖，制坯时加入少量黏土与砂; 我国多采用干化污泥制砖，充分利用污泥中有机质的发热量，降低烧砖能耗［101］; 高源等［102］以电子企业的工业污泥为原料，将其应用于墙体材料的生产中，试验结果表明，污泥配比达到20%时，烧结砖的抗压强度超过10MPa。经过重金属浸出毒性检验，浸出液中重金属元素远低于国标值; 曹玉鹏等［103］采用水泥、石灰和高分子聚合物改良剂对港口疏浚淤泥进行固化处理，新型复合材料可快速降低淤泥含水量，且固化土的无侧限抗压强度短期内得到有效提升，大大减少了工程造价并相应缩短了工期;桂跃等［104］将粉煤灰、矿渣和磷石膏等工业废渣作为固化剂，用于改良白马湖疏浚淤泥，并取得了良好的处理效果。丁建文等［105-106］采用水泥-磷石膏双掺法改良疏浚淤泥，在提高疏浚淤泥强度的同时也为工业废料磷石膏提供了新的资源化利用途径。张春雷等［107］通过对无锡五里湖疏浚淤泥进行处理，首次采用国产大型淤泥固化处理专用设备和复合型淤泥固化材料，将固化淤泥径向现场筑堤试验，试验结果表明固化淤泥可作为土方材料进行使用，实现疏浚淤泥的资源化利用。

下接第二篇 【阅读】环境岩土工程研究进展（二）

文章围绕“环境岩土工程”展开，与岩土环境工程保持步调一致，至于这个名词怎么定义，可能需要在不同的侧重场合使用的不同的名词。从内容上来看，目前环境岩土工程已经很多内容是岩土环境工程的内容，其出发点是基于环境的。

——匡吉峻，阅后感

来源：岩土环境

编辑：寥寥

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