DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.01.015

基于CT扫描的垃圾结构及渗透特性

孟猛^{1, 2},秦蕊^{1, 2},罗鹏^{1, 2},柯瀚^{1, 2}

（1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州，310058；

2. 浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州，310058）

摘要:为深入理解垃圾体内部流体的运移机制，对不同荷载作用下的3个垃圾试样进行CT扫描。采用VG-Studio Max 3.0及MATLAB软件对图像进行分析，研究垃圾孔隙结构特征，并基于垃圾土的饱和渗流模型，对其渗流特性进行探讨。研究结果表明：CT图像可准确识别垃圾结构特征；2D颗粒会影响孔隙通道的形成，进而使流动路径发生曲折，2D颗粒的定向排列是垃圾各向异性的根本原因；随着荷载增大，大孔隙逐渐转变为小孔隙，孔隙累积分布曲线左移，孔隙排列角度也趋于水平化；垃圾颗粒尺寸会影响其渗透系数，尺寸越大，渗透系数也越大；渗透系数随着荷载增大而减小，各向异性则随着荷载的增加而增大；当荷载由0 kPa增大到500 kPa时，竖向渗透系数减小了4个数量级，水平向渗透系数减小了3个数量级。

关键词:城市固体废弃物(MSW)；CT；垃圾结构；渗透特性；孔隙分布；2D颗粒；各向异性

中图分类号:TU411          文献标志码:A

文章编号:1672-7207（2020）01-0126-08

Structure and hydraulic characteristics of municipal solid waste based on CT scanning

MENG　Meng^{1, 2}, QIN　Rui^{1, 2}, LUO　Peng^{1, 2}, KE　Han^{1, 2}

(1. Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；

2. MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University,Hangzhou 310058, China)

Abstract: In order to understand the migration mechanism of internal fluids in depth, three MSW samples under different loads were scanned by CT. And the images were analyzed by VG-Studio Max 3.0 and MATLAB software to study the pore structure characteristics of MSW. Based on the modeling saturated permeability of MSW, its hydraulic characteristics were discussed. The results show that the CT images can accurately identify the characteristics of the MSW structure. The 2D particles affect the formation of the pore channels, and then cause the flow path to twist. The orientation of 2D particles is the root cause of the anisotropy of MSW. With the increase of load, the large pores gradually transform into small pores, the pore cumulative distribution curve shifts to the left, and the pore arrangement angle also tends to be horizontal. Particle size affects the permeability coefficient of MSW, and the greater the size, the greater the permeability coefficient. The permeability coefficient decreases as the load increases, and the anisotropy increases as the load increases. When the load increases from 0 kPa to 500 kPa, the vertical permeability coefficient decreases by 4 orders of magnitude and the horizontal permeability coefficient decreases by 3 orders of magnitude.

Key words: municipal solid waste(MSW); CT; structure of MSW; hydraulic characteristics; pore distribution; 2D particles; anisotropy

填埋是城市固体废弃物(MSW)最常用的处置方法^[1]。目前国内各填埋场普遍存在渗滤液污染、堆体失稳及填埋气受抑制等问题，其与堆体的渗透特性密切相关。上覆压力是渗透系数的主要影响因素，国内外学者进行了大量的试验测试垃圾渗透系数。BEAVEN等^[2]采用大型压缩柱对新鲜生活垃圾进行常水头渗透试验，发现当压力从34 kPa增加到463 kPa时，渗透系数减小了3个数量级。HUDSON^[3]分别对新鲜垃圾及降解20年的垃圾进行大尺寸渗透试验，发现当应力由40 kPa增大到603 kPa时，渗透系数减小了4个数量级。张文杰等^[4]通过自制模型槽，得到深层、中层及浅层垃圾渗透系数分别为3.56×10^-4，3.5×10^-3和4.81×10^-2 cm/s。詹良通等^[1]对苏州七子山填埋场垃圾开展了室内试验，得到2.5~17.5 m埋深下渗透系数介于1.4×10^-5~5.5×10^-4 cm/s之间。王樱峰^[5]自制试样并对其进行大尺寸渗透试验，发现当应力增大到300 kPa，渗透系数减小了2个数量级。王文芳^[6]对不同降解龄期自制垃圾进行三轴渗透试验，得到不同应力条件下的饱和渗透系数介于10^-6~10^-3 cm/s之间。城市固体废弃物组分多样、尺寸不一，加之分层填埋的作业方式及塑料、纸质等扁平颗粒的存在，使得垃圾呈现出明显的成层性与各向异性^[7-9]。作为一种非均质的多孔介质，垃圾渗透系数是介质特性的函数，介质特性主要包括垃圾的颗粒形状及尺寸、孔径及孔隙分布等^[1,10]，介质特性的多样性引起内部结构的多样性，因此，垃圾渗透系数也是内部结构的函数。垃圾结构的研究对于深入理解内部流体的运移机制具有重要的意义。目前学者们主要采用切片^[11]、示踪曲线^[12-13]等侵入性方法研究垃圾土的内部结构。非侵入性方法如CT扫描、核磁共振等已成功运用到岩石、土壤及混凝土等多孔介质中^[14-18]。由于CT扫描方法具有高分辨率、可视化及非破坏性等特点^[17]，该技术也逐渐应用到垃圾土的结构研究中。CAICEDO^[11]采用CT仪对垃圾类似物(砂与塑料片混合物)及垃圾废渣(MBT)进行扫描，发现CT扫描技术可直观地识别试样内部的砖瓦、陶瓷等高密度材料及塑料、纸质等片状材料，同时也能定量描述垃圾内部孔隙信息。但迄今为止，尚无学者采用CT扫描技术对垃圾试样在不同应力下的结构进行分析。为进一步加强对垃圾结构的了解，更深入理解流体的运移机制，本文作者利用英国生产的XTH 225/320 LC仪器在不同荷载作用下对不同尺寸的自制垃圾试样进行扫描，从而获得试样的扫描图像，同时采用VG-Studio Max 3.0软件对图像重构并进行数据提取。在此基础上，利用MATLAB进行分析处理，以获得垃圾试样内部结构随上覆压力的变化信息，进而探讨颗粒尺寸及上覆压力对垃圾渗透特性的影响。

1 试验

1.1　试验样品

本文参照徐辉^[19]所测“杭州新鲜生活垃圾组分数据”人工配制新鲜垃圾50 kg，垃圾配比如表1所示。随后将配制好的垃圾分为2份：其中，一份采用人工手剪的方式剪碎至颗粒长度约为2 cm，并将其装至高为20 cm、内径分别为10 cm和20 cm的PVC桶中；另一份剪碎至颗粒长度约为1 cm，同样地将其装至高为20 cm、内径为5 cm的PVC桶中。

表1　垃圾试样各组分配制比例

Table 1　Composition of waste samples

1.2　试验方法

采用英国尼康公司生产的XTH 225/320LC扫描机对不同尺寸试样进行扫描，扫描参数设置如下：电压为200 kV，电流为160 mA，每次扫描时间为1 h。试样基本物理量参数如表2所示。

参考Caicedo处理方法^[11,20]，扫描完成后，采用VG-Studio Max V3. 0软件对样品进行三维重构分析，得到三维重构样及二维切片分别如图1(a)和(b)所示，其为灰度图，其中，黑色区域为孔隙部分，白色与灰色区域为骨架部分。之后基于MATLAB平台对图片进行二值化处理，所得二值化图片如图1(c)所示，其中，白色区域为孔隙部分，黑色区域为骨架部分。二值化的关键是阈值的选取，本文主要依据表2所示试样实测总孔隙率进行二值化划分。最后，依据最大球法对试样内部孔隙进行填充处理，便可得到孔隙分布信息。

表2　试样基本物理量参数

Table 2　Basic physical parameters of samples

图1　试样分析过程

Fig. 1　Sample analysis processes

2 试验结果分析

2.1　试样剖面分析

在MSW-1，MSW-2和MSW-3中分别选取直径×高为50 mm×70 mm，100 mm×70 mm和200 mm×70 mm的部分作为感兴趣区域(ROI)进行分析。

图2所示为试样的典型纵剖图，其中亮度较大的白色区域为砖瓦、橡胶等密度较大的材料，黑色区域为孔隙。由图2可知：塑料、纸质等片状材料形成地层状结构及肉眼可见的大孔隙，在此将这些扁平的组分，如片材、塑料及纸等称为2D颗粒，这类组分易在垃圾中形成优先流通道，对渗流特性影响较大^[11,21-22]。

图2(a)所示为不同荷载作用下MSW-2试样的纵剖面图。从图2(a)可知：随着荷载增大，大孔隙1消失，大孔隙2与3则逐渐变细变小，组分排列越来越密集，垃圾密度也越来越大。这些大孔隙往往是优先流的主要通道，随着大孔隙减少，渗透系数也随之减小。此外，大孔隙基本都沿着2D颗粒的排列而形成，随着荷载增大，2D颗粒排列趋于水平，孔隙通道也会随之变得扁平，2D颗粒的定向排列是垃圾各向异性的根本原因，进而导致渗流各向异性值也会随荷载的增大而增大。

图2(b)所示为200 kPa下3个试样的剖面图。从图2(b)可知：不同尺寸的试样中均存在大于20 mm的大孔隙，且这些大孔隙也都沿着2D颗粒的排列而形成。

图2　试样典型纵剖面图

Fig. 2　Typical cross-sections of samples

2.2　孔隙结构分析

2.2.1　孔隙角度分布　

采用VG-Studio Max 3. 0标识出孔隙部分，可得到各试样孔隙分布图，其中MSW-2试样孔隙分布示意图如图3所示。

图3　MSW-2孔隙分布及排列角度变化

Fig. 3　Pore distribution and arrangement angle of MSW-2

图3(a)所示为孔隙分布的三维示意图。从图3(a)可知：孔隙所占比例较大，且存在很多连通孔隙。这些连通的大孔隙往往会成为优先流的主要通道，因此，可将红色区域视为液体流动路径通道。

由图3(b)可知：随着荷载的增大，红色区域面积越来越小，连通性也越来越差，说明在荷载作用下，垃圾颗粒变密实，孔隙随之变细变小。同样地，可发现液体流动路径基本沿着2D颗粒进行，当达到2D颗粒边缘时，流动路径会发生转折，故在此采用2D颗粒排列角度表征孔隙角度，便可得到各试样的孔隙排列角度。采用吴小雯^[9]的孔隙排列规律模型对其进行拟合，拟合情况如图4所示。

图4　孔隙列角度随荷载变化拟合曲线

Fig. 4　Fitting curve of pore angle with load variation

2.2.2　孔隙直径分布　

基于MATLAB平台，采用最大球法编程便可得到各ROI的孔隙累积数量分布，参考吴小雯^[9]建立的式(1)所示孔隙直径概率分布函数，对孔隙直径累积数量分布曲线进行拟合：

(1)

式中：为孔隙直径分布曲线变化系数；为孔隙直径。

经拟合发现：在相同荷载下，MSW-2与MSW-3所得参数接近，而与MSW-1所得则相差较大。由表2可知：MSW-2与MSW-3颗粒粒径一样，是MSW-1粒径的2倍，而MSW-1与MSW-2试样直径与颗粒粒径比值(又称“颗粒相对粒径”)一样，是MSW-3颗粒相对粒径的1/2，因此，相比于颗粒相对粒径，垃圾颗粒粒径对内部孔隙结构影响较大。在此仅考虑颗粒粒径的影响，将各试样所得参数与所受荷载采用下式进行拟合，所得结果如图5所示。

(2)

式中：为任意荷载作用下孔隙直径分布曲线变化系数，其值受应力、颗粒粒径及垃圾种类等因素的影响；为颗粒粒径参数，颗粒粒径越大，越大。参数与垃圾种类有关，本试验中=16。

图5　参数随荷载变化

Fig. 5　Parameter varies with load

根据图5得参数，进而可获得不同荷载作用下的孔隙分布情况。各孔隙累积分布曲线如图6所示。从图6可知：MSW-1所得孔隙累积分布曲线在MSW-2和MSW-3曲线的左边，即在相同荷载作用下，MSW-1内部孔隙直径相对较小。也就是说，颗粒粒径越小，在不同压力条件下，颗粒之间形成的孔隙间隙也越小。

图6　不同荷载作用下孔隙累积分布曲线

Fig. 6　Pore cumulative distribution curves under different loads

对于同一试样，随着荷载增大，累积分布曲线左移，即大孔隙在荷载作用下逐渐变小，中、小孔隙所占比例增大；当荷载小于200 kPa时，曲线左移幅度较大，之后移动幅度减小，这与垃圾的压缩性随荷载增加而减少一致。

2.3　垃圾渗透特性分析

可排水孔隙率为生活垃圾单位体积内可自由导排的水量^[9]，本文采用水量平衡方法^[23]测定垃圾试样的可排水孔隙率。可排水孔隙率主要受应力影响，应力越大，可排水孔隙率越小。将可排水孔隙率与荷载关系进行拟合，拟合结果如图7所示。

图7　可排水孔隙率随荷载变化

Fig. 7　Drainable porosity changes with load

基于吴小雯^[9]提出的饱和渗流模型，将CT扫描获得的不同上覆压力下孔隙尺寸及平均角度代入该模型中，可得各试样渗透系数及各向异性值随荷载变化情况，分别如图8和图9所示。

图8　渗透系数随荷载变化

Fig. 8　Permeability coefficient varies with load

由图8可知：在相同荷载作用下，试样MSW-1的渗透系数比MSW-2与MSW-3的略小，可见颗粒粒径对渗透系数会产生影响，颗粒粒径越大，渗透系数也越大；此外，颗粒粒径对水平向渗透系数影响较竖向大，这主要是因为垃圾中存在很多2D颗粒，在荷载的作用下，2D颗粒趋于水平向排列，沿着颗粒表面形成渗流通道进而导致渗流的各向异性，当颗粒粒径越大时，2D效应也就越明显^[11]。

渗透系数随荷载增大而减小。当荷载由0 kPa增大到500 kPa时，竖向渗透系数减小了4个数量级，变化范围为10^-2~10^-6 cm/s；水平向渗透系数减小了3个数量级，变化范围为10^-2~10^-5 cm/s。对比其他文献成果^{[1-3,6,24-30]}，本文所得结果略比大尺寸及现场试验的小，但能较好地拟合三轴试验结果，其原因主要是尺寸效应及侧壁流的影响。本文采用的垃圾试样颗粒粒径与三轴试验的接近，远比大尺寸试验和现场试验的小，垃圾粒径越小，渗透系数也越小，因此，现场及大尺寸试验所得渗透系数比本文和三轴试验的大。此外，大尺寸渗透仪为刚性壁，存在侧壁渗流的现象，故大尺寸刚性渗透试验会高估垃圾渗透系数。

图9　各向异性值随荷载变化

Fig. 9　Anisotropy value varies with load

由图9可知：荷载由0 kPa增大到500 kPa，各向异性值由2逐渐增大到10，其他试验^[3,30]所得各向异性值在1~10范围内，基本分布在本文所得曲线两侧。因此，本文所得各向异性值曲线能较好拟合前人试验结果。

3 结论

1) 利用CT扫描技术可准确识别垃圾体中的大孔隙、2D材料(如塑料、橡胶)及成层结构。此外，CT扫描信息能很好地表征垃圾孔隙特征，因此，CT扫描技术是一种研究垃圾特性的有效方法。

2) 随着荷载增大，垃圾体内大孔隙逐渐变细变小，进而转变为小孔隙，孔隙累积分布曲线整体向左移动，孔隙排列角度逐渐趋于水平化。

3) 垃圾颗粒粒径会影响孔隙结构，颗粒粒径越大，试样内部的大孔隙也越多，渗透系数也越大。渗透系数随荷载增大而减小，当荷载由0 kPa增大到500 kPa时，竖向渗透系数减小了4个数量级，水平向渗透系数减小了3个数量级。

4) 骨架中的2D颗粒会影响孔隙通道的形成，进而使流动路径发生曲折。2D颗粒的定向排列是垃圾各向异性的根本原因，各向异性值随荷载的增大而增大，当荷载由0 kPa增大到500 kPa时，各向异性值由2增加到10。

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（编辑 杨幼平）

收稿日期： 2019 -01 -05; 修回日期： 2019 -03 -21

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(5157080511)(Project(5157080511) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：柯瀚，博士，教授，从事环境岩土工程等研究；E-mail：boske@126. com