土质覆盖层以天然非胀缩性土为主要原料,利用非饱和土的水分存储及传导特性实现防渗功能,其造价及后期维护费用显著低于含土工膜的复合型覆盖层。我国西北地区气候条件以干旱、半干旱和半湿润为主,广泛分布的黄土是当地固废填埋场有前景的封顶覆盖材料。本文收集了我国西北地区近50年的气候特征,测试了黄土的持水与导水特性,据此评估了黄土作西北地区封顶覆盖层材料的可行性。依托西安江村沟垃圾填埋场封顶覆盖工程,建设了国内首个土质覆盖层现场试验基地。在试验基地开展了黄土／碎石毛细阻滞覆盖层现场极端降雨试验和自然干湿循环条件下的长期监测,测试了覆盖层中水分和孔压随气候条件的变化规律及水量平衡关系,测定了黄土／碎石覆盖层的最大储水能力,验证了黄土／碎石界面间的毛细阻滞作用,阐明了植被条件对土质覆盖层水力响应的影响规律,针对西北地区气候条件提出了毛细阻滞型黄土覆盖层的设计方法,并对黄土／碎石毛细阻滞型覆盖层的长期服役性能进行了预测。所获得的主要研究成果如下：(1)黄土持水特性受颗粒级配和压实程度(干密度)等因素的影响。不同颗粒级配的黄土持水性能略有不同且干密度越大其持水量越低。其中砂性黄土有效持水率约17%,粉性黄土有效持水率约23～25%,粘性黄土有效持水率约20%。粘性黄土持水特性的室内和现场尺度测试结果表明：不同尺度黄土持水量略有差异,室内测得粘性黄土(Pd=1.45g/cm3)田间持水率θc为34.6%,植被枯萎点持水率θr12.1%,植被可利用的有效持水率θa22.5%。现场尺度测得黄土(Pd=1.45g/cm3)田间持水率θc31.5%,植被枯萎点持水率θr12.1%,植被可利用的有效持水率θa19.4%。粘性黄土具有良好的持水性,作为我国西北地区填埋场封顶覆盖材料具有技术可行性。(2)黄土饱和渗透系数受颗粒级配和压实程度(干密度)等因素的影响。砂性黄土饱和渗透系数在10-3～10-4cm/s数量级,粉性黄土饱和渗透系数在10-5～10-4cm/s数量级；粘性黄土饱和渗透系数10-6～10-7cm/s数量级。粘性黄土渗透系数的室内和现场尺度测试结果表明：室内和现场尺度黄土饱和渗透系数基本接近。现场尺度测得干密度1.30 g/cm3和1.45 g/cm3的黄土饱和渗透系数分别为8.1×10-7m/s和1.8-2.0×10-7m/s。植被条件对黄土渗透系数略有影响,植被种植前、后其渗透系数分别为8.3×10-7m/s和8.1×10-7m/s。(3)在西安江村沟垃圾填埋场建成了国内首个土质覆盖层现场试验基地。实验区长宽分别为30m×20m,覆盖层结构由0.3m植被层,0.6m黄土储水层和0.3m碎石层组成。核心测试区(24m×1Om)覆盖层底部与四周围衬土工膜以实现雨水渗漏量监测,安装了TDR含水率探头、张力计、气候站、气压计、温度计、填埋气收集与注入管件以及地表径流和渗漏量收集系统,实现了对覆盖层水分、孔压、气候条件、温度、填埋气以及各水量的实时监测。(4)黄土/碎石覆盖层的现场极端降雨试验结果表明：降雨过程中湿润锋逐步向下运移,并在后方形成“近饱和区”；当湿润锋运移至黄土／碎石界面,毛细阻滞效应开始发挥作用,阻滞水分下渗,水分在界面以上聚集导致黄土层含水率和孔压升高,当界面处孔压升高至碎石层进水值时水分击穿细-粗粒土界面发生渗漏。(5)极端降雨试验过程水量平衡监测结果表明：有、无植被条件下试验施加的总降雨量分别为214.8mm和194.9mm,监测得到的土层存储量(含蒸发)分别为199.57mm和157.81mm,分别占总降雨量的92.9%和81.0%。有、无植被条件覆盖层实测得到可用储水量Sfac分别为259.82 mm和251.95mm,实测值比理论值小6.7%～9.5%；实测毛细阻滞覆盖层可用储水量比同厚度单一型覆盖层储水量高47.2～51.8%,毛细阻滞效应显著提升了黄土的储水能力。(6)自然干湿循环条件下覆盖层水力响应监测结果表明：植被条件对覆盖层防渗服役性能影响显著,腾发作用是土质覆盖层水分释放的主要途径,有植被后覆盖层蒸腾量显著大于无植被条件裸土的蒸发量,夏季期间前者比后者大70%。此外植被对土体具有改良作用,使土体结构均匀化,减弱优势流现象；根系吸水作用使深层土体基质吸力增加从而增强了覆盖层的毛细阻滞作用。(7)基于Chen(1999)提出的水量平衡分析模型,提出了西北地区黄土/碎石毛细阻滞覆盖层设计厚度确定方法。在我国西北地区：4～11月雨季降雨较多气温高覆盖层储水量波动变化较大,易渗漏。旱季12月至次年3月旱季降雨较少土体蒸发作用可观覆盖层储水量呈下降趋势,不易渗漏。按年降水量最大值(Ptw)确定的土质覆盖层厚度最厚,为厚度设计控制条件；而年降雪量最大值(Pts)、植被非生长期降水量最大值(Pow)和植被非生长期降雪量最大值(Pos)为非控制条件。按室内吸湿土水特征曲线确定覆盖层的设计厚度最厚且偏于保守,室内脱湿曲线确定的厚度则最薄且偏于危献,有条件时建议采用现场吸湿土水特征曲线,在西北半湿润气候区(如西安)毛细阻滞型覆盖层中黄土储水层厚度建议取值1.30米,粗粒土建议采用0.5-1.Ocm粒径的碎石。(8)黄土/碎石覆盖层的长期服役性能预测结果表明：在西北地区温带大陆性气候条件下,雨季气温较高且植被腾发作用强烈,旱季相对湿度低蒸发作用可观；东干夏湿雨热同期,有助于土质覆盖层水分存储与释放作用。最近50年中最湿润10年(1980～1990年)累计降雨6081.62mm,计算得到的植被蒸腾和土体蒸发量分别为3002.26mm和2439.95mm,两者累计5442.21mm占总降雨量的89.49%,坡面径流703.66mm,占总降雨量的11.57%,渗漏量仅为7.16mm,占总降雨量的0.12%。在西北半湿润气候区采用本文推荐的黄土/碎石覆盖层具有较好的防渗效果。