0.   引言

毛细阻滞覆盖层（capillary barrier cover, CBC）被广泛应用于垃圾填埋场封顶工程，以阻止降雨渗入其下部垃圾填埋物、形成污染液^[1-3]。CBC利用非饱和条件下土层交界面处的毛细张力阻滞水分流动^[4-5]。传统CBC在湿润地区的服役性能尚不成熟^[6-7]，提升CBC在湿润地区的防渗能力是本领域的研究热点。

增设非饱和导排层（unsaturated drainage layer, UDL）是提升湿润地区CBC防渗能力较为可行的办法。Stormont等^[8]最先提出了UDL CBC的构想，并通过试验证实其在小雨强下（< 10 mm/d）具有良好的排水及防渗效果。邓林恒等^[9]开展了UDL CBC在强降雨条件下的导排性能试验，使其在湿润地区的应用成为可能。焦卫国等^[10]对UDL CBC进行了长达2年的野外监测，发现增设的UDL层可有效控制湿润气候下的渗漏量。Zhan等^[11]进一步分析了UDL CBC在强降雨作用下的服役性能，发现其有效性主要取决于最上层细粒土的饱和渗透系数。Ng等^[12]提出了在传统CBC下增设压实黏土层的新结构，使粗粒层由单一的毛细突破层转变为CBC击穿后的排水层。可以说，UDL CBC代表了毛细阻滞层在湿润地区应用的新方向。然而，以往研究大多集中于传统CBC的服役性能，UDL CBC在连续极端降雨作用下的试验数据报道较少，导致其缺乏设计理论和选材标准。

本文通过室内降雨入渗模型试验研究了含非饱和导排层毛细阻滞层的防渗机理及服役特性，对比分析了有、无UDL下毛细阻滞覆盖层的服役性能，研究了导排层宽度和渗透系数对其导排性能的影响。同时，提出了UDL理想导排状态准则，并基于试验结果对该准则进行了验证。

1.   材料与方法

1.1   土料特性

试验所用细粒土料为取自深圳的全风化花岗岩，粗粒土料为主要粒径在2~5 mm的碎石土。根据《土工试验方法标准》进行土性试验，土料颗粒级配曲线见图 1，基本特性汇总见表 1。由表 1可得，细粒土的分类为粉质黏土，粗粒土的分类为级配不良的角砾。

图  1  试验土料颗粒级配曲线

Figure  1.  Grain-size distribution curve of test soils

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表  1  土料基本特性

Table  1.  Basic properties of test soils

土料	Gs	Cu	Cc	wL/%	wP/%	ρdmax/(g·cm-3)	wop/%
粉质黏土	2.63	13.4	0.14	26.5	43.3	1.66	19.00
碎石土	2.61	1.29	1.02	—	—	—	—

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试验土料吸力采用滤纸法测量，滤纸型号为Whatman No.42。采用van Genuchten模型^[13]（简称VG模型）进行土水特征曲线的拟合和渗透系数函数的估算。试验土料的饱和渗透系数k_s采用变水头法测量。不同压实度（degree of compaction, DC）土料土水特征曲线汇总于图 2，水力参数汇总于表 2。

图  2  试验土料土水特征曲线

Figure  2.  Soil-water characteristic curves of test soils

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表  2  土料水力参数

Table  2.  Hydraulic parameters of test soils

土料	压实度	θs/%	ks/(m·s-1)	VG模型拟合参数
粉质黏土	0.76	51.9	6.71×10-6	a=0.08 kPa-1, m=0.21, n=1.6[14]
	0.80	49.5	7.63×10-7	a=0.05 kPa-1, m=0.21, n=1.6
	0.90	43.4	8.16×10-8	a=0.005 kPa-1, m=0.20, n=3.0
	0.92	41.9	3.13×10-8	a=0.0035 kPa-1, m=0.18, n=3.5
碎石土	—	38.7	4.48×10-2	a=2 kPa-1, m=0.75, n=2

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由图 2可得，粗粒土进水值约为2 kPa，这即毛细阻滞层的击穿吸力^[10]，对应的击穿含水率在3 %左右。由表 2可知，粗、细粒土的饱和渗透系数相差4~5个量级，符合毛细阻滞覆盖层的一般要求。

1.2   试验装置

试验装置由土柱装置、降雨装置、量测装置3部分组成，试验装置示意图如图 3所示。

图  3  试验装置示意图

Figure  3.  Schematic diagram of test devices

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土柱细粒层厚度为15 cm，粗粒层及导排层厚度均为28 cm。导排层宽度可通过卡槽在5，10 cm之间调节。降雨设备由降雨器与马氏瓶组成，降雨器长宽尺寸与土柱相同，底面均匀打有直径2 mm的针孔以模拟降水，通过调节马氏瓶水头控制降雨强度。量测系统包括设置在土柱中的水分传感器、设置在土柱下方的电子天平及数据采集仪。水分传感器为产自澳大利亚ICT公司的MP406土壤水分传感器，精度为±1 %。

1.3   试验方案

本研究设置3个试验组、开展6次模型试验，试验方案汇总于表 3。其中，试验组一用于验证UDL的导排效果，T1试验设置10 cm宽导排层，T2试验作为对照组，不设置导排层，其余条件完全相同。试验组二用于研究导排层宽度对其服役性能的影响，包含T1、T3两次试验，导排层宽度分别为10，5 cm，与细粒层宽度比分别为1:8与1:4。试验组三用于研究导排层渗透系数对导排性能的影响，通过控制细粒土的压实度调节细粒层和导排层的渗透系数。

表  3  试验方案

Table  3.  Test plans

试验组	试验编号	细粒层		导排层		研究内容
		压实度/%		压实度/%	宽度/cm
一	T1	80		80	10	验证导排层 抽吸作用
	T2	80		—	0
二	T1	80		80	10	厚度对抽吸效果的影响
	T3	80		80	5
三	T4	80		76	5	ks对抽吸效果的影响
	T5	90		80	5
	T6	92		80	5

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参考《土工试验方法标准》^[15]，试验土柱采用分层压实法制备。为便于观察水分入渗情况，土柱的初始状态为干燥。粗粒土干密度控制为1.60 g/cm³，细粒土干密度由目标压实度控制。降雨强度控制为80 mm/d左右，以粗-细交界面下部^#3水分传感器测量到水分增长时刻作为击穿时间。

2.   试验结果

2.1   导排层抽吸效果验证

（1）入渗及击穿特征

将试验组一中T1、T2试验的水分入渗情况绘制于图 4。由图 4可得，在T1试验中，湿润锋到达导排层后，入渗速度明显增长。结合该时刻入渗剖面可得，当降雨入渗至粗-细界面处，水分在粗粒土上方聚集，而由导排层继续下渗。这说明，在粗-细界面处，毛细阻滞作用生效，但此时导排层的渗流通道畅通，因此导排层内湿润锋面低于粗-细界面。在降雨强度（即总入渗量）不变的情况下，过水面积由土柱全断面减小至导排层，导致导排层内的流速增大，出现图 4中的湿润锋前进速度增长现象。

图  4  水分入渗情况（试验组一）

Figure  4.  Water infiltration process (Test group I)

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图 5为试验组一中^#3、^#4号传感器含水率随时间的变化情况，该传感器距离粗-细粒界面3 cm。由图可得，由于增加了导排层，毛细阻滞界面的击穿时间由730 min增长到990 min，增长了35.6%。

图  5  ^#3和^#4传感器含水率随时间变化（试验组一）

Figure  5.  Change of water content of sensors No. 3 and No. 4 (Test group I)

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结合上述分析，可得到导排层的防渗机理为：在粗-细界面毛细阻滞作用生效的同时，导排层具有抽吸效果，排出了大量聚集在粗-细界面处的水分，降低了界面处水分聚集速度，延长了毛细阻滞层的击穿时间。

（2）理想导排效果

试验组一证明了导排层具有抽吸效果，可增强毛细阻滞层的防渗效果、延长其击穿时间。然而，湿润锋到达土柱底部后，土柱渗漏水分全部来自粗粒层，这在毛细阻滞层的设计中应避免，因为粗粒土层渗漏会导致其下覆固体垃圾产生污染液。

因此，定义导排层的理想抽吸效果为：在降雨作用下，渗入覆盖层的降水全部由导排层排出，粗粒层不发生渗漏。后续研究将以达到理想抽吸效果为目标，探究导排层宽度、渗透系数对导排效果的影响。

2.2   导排层宽度对服役性能的影响

将T3试验6个测点的含水率变化情况汇总于图 6。由图可得，粗粒层中的^#3传感器在1560 min水分开始增长，即击穿时间为1560 min。由于UDL层的抽吸作用，在25 cm高度处，^#3传感器水分变化晚于^#4传感器。而在7 cm高度处，粗粒层中的^#5传感器变化早于导排层中的^#6传感器，这是由于随着毛细阻滞层被突破，粗粒层渗流通道被打开，相同吸力下，粗粒土渗透系数远大于细粒土，因此粗粒层中水分下渗快于导排层，在7 cm高度处“追上”了导排层。

图  6  T3试验测点含水率随时间变化(导排层宽度5 cm)

Figure  6.  Change of water content in test T3 (UDL width of 5 cm)

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为了提高导排层的抽吸性能，将导排层宽度增大一倍，设为10 cm，进行极端降雨入渗试验，即T1试验。T1试验各测点含水率变化情况见图 7。由图 7可得，T1试验入渗规律与T3试验类似：由于导排层的引流效应，水分在导排层中优先入渗，毛细阻滞层击穿后，水分在粗粒土层加速下渗。在T1、T3试验中，粗粒土底部分别在约3400 min和3500 min开始渗漏，渗漏量等于土柱顶部入渗量，并持续到试验结束，导排层底部始终未排水。在渗漏发生时，两次试验粗粒层含水率均稳定在10%附近，远超其理论击穿含水率（3%）。这说明，在两次试验中，导排层的抽吸能力不足，均未达到理想工作状态。

图  7  T1试验测点含水率随时间变化(导排层宽度10 cm)

Figure  7.  Change of water content in test T1(UDL width of 10 cm)

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2.3   导排层渗透系数对导排性能的影响

将试验组三中T4、T5、T6试验水分监测结果分别绘制于图 8（a），（b），（c）。由图 8可得，与T1、T3试验不同，在T4试验中，导排层水分传感器的变化始终先于同一高度处的粗粒层，在T5、T6试验中也有类似现象。说明试验组三中由于导排层压实度减小、渗透系数增大，导排层的抽吸作用得到显著增强。

图  8  试验组三测点含水率随时间变化

Figure  8.  Change of water content in test group III

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将试验组三的结果汇总于表 4，由表 4可得：①3次试验中，土柱底部均由导排层排水，粗粒土层无渗漏。这说明，通过设置导排层渗透系数小于细粒层，可实现理想的导排效果；②在T4、T5、T6试验中，随着导排层与细粒层渗透系数比值的增加，粗粒土层的稳定含水率分别为6%，5%，4%，远低于T1、T3试验（约10%），并逐渐接近其理论击穿含水率（3%），说明细粒层与导排层渗透系数差值的增大有助于增强导排层抽吸效果；③随着细粒层渗透系数的降低，结合导排效果的增强，毛细阻滞层的击穿时间得到延长，这与前人研究结果一致^[7]。

表  4  试验组三结果汇总

Table  4.  Results of test group III

试验编号	T4	T5	T6
排水方式	全部由导排层排水
细粒层稳定含水率/%	4	5	6
击穿时间/min	1200	2800	7000

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3.   UDL理想导排状态准则

3.1   准则提出

前述试验研究已经证明，当导排层渗透系数小于细粒层时，导排层可达到理想的导排效果，如图 9所示。此时，毛细阻滞层的过水量可由式（1）计算。

图  9  含非饱和导排层毛细阻滞覆盖层理想服役状态

Figure  9.  Ideal drainage states of capillary barrier cover with UDL

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式中，${q_1}$，${q_2}$分别为细粒层、导排层的单位时间过水量，${k_1}$，${k_2}$分别为细粒层、导排层的渗透系数，i₁，i₂分别为细粒层、导排层的水力梯度，S₁，S₂分别为细粒层、导排层的过水面积。

为了达到理想服役状态，至少需保证导排层的过水能力不小于细粒层，如下式：

式中，q_1max、q_2max分别为细粒层、导排层的最大单位时间过水量。

由图 8可知，在理想导排状态，细粒层和导排层将形成近饱和渗流，因此可将土层渗透系数取为饱和渗透系数；前人研究已证实，在强降雨作用下，毛细阻滞层的平均水力梯度约在1.5~2之间^[7]，因此相比渗透系数和过水断面，水力梯度在式（2）中的影响可以忽略；过水断面取不同区域土层截面。则式（2）可近似地转化为下式：

式（3）即为强降雨作用下，导排层达到理想工作状态的设计准则。

3.2   准则验证

采用提出的UDL理想导排状态准则分析含导排层试验，结果汇总于表 5。由表 5可得：

表  5  试验结果与准则分析结果对比

Table  5.  Comparison between test and theoretical results

试验次数	T1	T3	T4	T5	T6
S1: S2	4	8	8	8	8
ks1/(m·s-1)	7.6×10-7	7.6×10-7	7.6×10-7	8.2×10-8	3.1×10-8
ks2/(m·s-1)	7.6×10-7	7.6×10-7	6.7×10-6	7.6×10-7	7.6×10-7
ks2: ks1	1	1	8.8	9.3	24.5
理论q2max/q1max	0.25	0.125	1.10	1.16	3.06
实测q2/q1	0.164	0.138	1	1	1
满足理论准则	否	否	是	是	是
实现理想导排	否	否	是	是	是

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（1）在T1、T3试验中，根据UDL理想导排状态准则，由于细粒层和导排层具有相同的渗透系数，无论如何调节导排层宽度，均无法达到理想导排状态，因此T1、T3试验中，粗粒土层将发生渗漏，这与2.2节试验现象一致。

（2）在T4~T6试验中，尽管导排层宽度均小于细粒层，但导排层的渗透系数相比细粒层有数量级的增加，满足UDL理想导排状态准则，可实现理想导排效果，该分析结果与2.3节试验现象一致.

（3）在T4~T6试验中，导排层与细粒层渗透系数比值增加，导排层理论最大过水量随之增加，根据准则，导排层的导排效果将逐渐增强。这与表 5中试验结果一致。

上述分析表明，本文提出的UDL理想导排状态准则符合非饱和渗流的物理机制，且其分析结果与试验现象吻合，验证了该准则的可靠性。

3.3   讨论

式（3）指出：提高导排层的抽吸性能有两种方式：①提高导排层与细粒层渗透系数之比。②增大导排层与细粒层面积之比。其中，渗透系数可通过土料选取、压实度控制等常规方式实现跨量级的变化^[16]，相比之下，导排层宽度变化范围十分有限，增大导排层宽度对其抽吸性能的提升不大。因此，在实际工程中，宜将导排层宽度设为便于施工的合理值（如10~30 cm），着重提高导排层与细粒层的渗透系数之比。

4.   结论

本研究通过室内降雨入渗模型试验，分析了含非饱和导排层毛细阻滞覆盖层的防渗机理，研究了UDL宽度和渗透系数对其导排性能的影响，提出了UDL理想导排状态的初步准则，并基于试验结果对该准则进行了验证，得出以下结论：

（1）新增的导排层具有抽吸作用，可延长毛细阻滞层的击穿时间。

（2）提高导排层宽度对其抽吸性能的提升不明显，当导排层与细粒层采用相同性质的土料时，导排层宽度与细粒层宽度之比由1:8增加到1:4对其抽吸性能的提高不大。

（3）增大导排层与细粒层渗透系数之比可显著增强其抽吸效果，达到入渗水分全部由导排层排出的理想工作状态，且二者比值越大，抽吸效果越好。

（4）提出的UDL理想导排状态准则分析结果与试验结果吻合，在实践中应重视抽吸层与导排层渗透系数的合理选取。