近年来，随着国家经济的高速发展及人民生活的富裕，城市现代化背后的城市生活和工业垃圾的处理问题日益严峻。目前中国垃圾填埋场、危险废物处置场、尾矿库等达5万多个，多年来填埋和堆存量高达270多亿吨，年产含有毒有害渗滤液5000多万吨，对周边水土环境构成重大威胁，致使中国土壤污染问题极为严重[1]。
针对渗滤液可能引起的环境污染问题，周正兵等[2]认为传统的压实黏土层（CCL）或者土工膜（GMB）单层防渗系统已不能满足现代环保要求，目前几乎所有的垃圾填埋场均采用复合防渗系统，有的甚至做了双层或多层防渗系统。根据《危险废物填埋污染控制标准》（GB18598—2019）中的规定，双人工复合衬层系统从上往下依次为渗滤液导排层、保护层、主人工衬层（土工膜）、压实黏土衬层、渗滤液检测层、次人工衬层（土工膜）、压实黏土层和基础层。
如果填埋场底部及周边衬垫系统存在缺陷，污染物容易渗漏到填埋场周边的水体和土体中。然而在实际的填埋场中，土工膜的缺陷往往无法完全避免，一旦土工膜出现缺陷，渗滤液中的污染物会以渗漏方式在复合衬层中运移，进而对填埋场周围土壤和地下水产生污染风险[3]。谢海建等[4]建立了污染物通过复合衬垫中的一维渗漏扩散模型，发现渗滤液水头对复合衬垫的防污性能具有很大的影响，水头从0.3 m增大到10 m时，击穿时间从50 a减少到19 a。冯世进等[5]建立了污染物通过GMB/GCL/SL复合衬垫的扩散-对流运移解析模型，考察了对流区域对污染物运移计算结果的影响。此外，张春华等[6-7]研究表明，渗滤液水头对填埋场衬垫系统的设计厚度也具有重要影响，当热扩散作用较弱时，渗滤液水头由0 m增加到6 m时，所需衬垫厚度增加3.09 m。
填埋场内部与含水层之间的温差会导致填埋场底部衬垫层存在一个温度梯度[8]。温度梯度会对污染物在衬垫层中的运移产生驱动力，形成热扩散作用的同时，也会改变水分子与黏土矿物之间的氢键网络，从而产生了从高温部位到低温部位的额外流体通量，这一效应被称之为热渗透作用[9-13]。土体热渗透性能强弱一般用热渗透系数kT来表示，其数值为10-14~10-9m2·K-1·s-1，且当热渗透系数大于10-12 m2·K-1·s-1时，热渗透效应才会显著影响污染物在多孔介质中的运移过程[14-15]。张志红等[16]建立了单一溶质在饱和土体中运移的热-水-力-化全耦合分析模型，得出热扩散作用会加速溶质运移进程，而热渗透与热固结机制对溶质运移具有阻滞作用。田改垒等[17]建立了考虑热效应的污染物在土中扩散、渗透和固结耦合模型，发现热扩散、热渗透能够显著加快污染物运移，且随着索雷特系数和热渗透系数的增大，热扩散和热渗透效应对污染物运移的促进作用增强。目前对热渗透效应的研究主要集中在核废料地质处置等领域，而对填埋场衬垫系统中存在的热渗透作用缺乏研究。
对此，以危废填埋场双人工复合衬层为研究对象，建立对流、热扩散和热渗透等耦合作用下污染物在双人工复合衬层中的一维运移模型，并得到相应的控制方程，利用COMSOL Multiphysics数值软件对该模型进行模拟计算，分析了渗滤液水头、热渗透系数及主、次衬层中土工膜的漏洞频率和连接的褶皱长度等对污染物在双人工复合衬层中运移的影响规律，为填埋场双人工复合衬层的设计提供了参考依据。
（1）在对流作用下有机污染物在双人工复合衬层中运移的影响较小，渗滤液水头hw从0.3 m增大到10 m时双人工复合衬层的底部浓度仅增加了4.9%，说明双人工复合衬层能够显著降低填埋场中渗滤液水头对有机污染物在衬垫系统中运移的影响。
（2）有机污染物在双人工复合衬层中运移的影响会随着热渗透系数的增加而增大。热渗透系数kT从1×10-12 m2·K-1·s-1增加到5×10-11 m2·K-1·s-1时的底部浓度增加了31.5%。当热渗透系kT≤1×10-11 m2·K-1·s-1时，其对有机污染物在双人工复合衬层中运移的影响较小（小于10%）；而当热渗透系数kT > 1×-11 m2·K-1·s-1时，热渗透作用的影响逐渐明显，在双人工复合衬层的设计中需要考虑。
（3）有机污染物在双人工复合衬层的底部浓度会随着主、次衬层中CCL的厚度增加而减小，而且次衬层CCL的厚度变化的影响更显著。CCL1厚度由0.3增加到1.2 m时衬垫系统的底部浓度减少了14.4%；CCL2厚度由0.5增加到2 m时的底部浓度减少了75.5%。增加次衬层CCL厚度可以有效改善双人工复合衬层的服役性能。
（4）主衬层中土工膜的褶皱长度和漏洞频率对有机污染物在双人工复合衬层中运移的影响不大（小于10%），而次衬层中土工膜的褶皱长度和漏洞频率的影响则十分显著。当GMB2的褶皱长度由10增加到100 m、漏洞频率由2.5增大到10个/ha时底部浓度分别增加了87%和42.9%。因此，在双人工复合衬层施工中，应该严格控制次衬层土工膜施工质量，减少褶皱和漏铜的产生，这对提高衬垫系统的使用寿命具有重要意义。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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