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生活垃圾填埋场液气产生、运移及诱发边坡失稳研究

何海杰  
【摘要】:随着各城市垃圾清运量的快速增长,各填埋场的填埋高度不断增加,填埋场的稳定问题逐渐凸显出来。填埋场的失稳会造成大规模的人员和财产损失,其后果往往是灾难性的。目前对于高渗滤液水位和高填埋气压力共同作用导致填埋场滑坡的机理认识还不够深入,尚缺乏准确的评估方法和经济实用的防控措施,特别是填埋场渗滤液水位和填埋气压力的形成机理和分布规律还有待于进一步研究。高水气压力导致填埋场发生滑坡的特征、程度及规律以及边坡稳定控制措施的效果有待现场验证。针对以上问题,开展填埋场边坡稳定性分析及滑移控制的相关研究具有重要的理论及实际意义。本文在国家重点基础研究发展计划(973)项目“城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究”(2012CB719806)的课题6“填埋场服役性能模拟、灾害评价及可持续防控”(2012CB719806)的资助下,结合“西安市江村沟垃圾填埋场2015年度应急安全监测服务项目”、“西安市江村沟垃圾填埋场四期(改扩建)工程勘察评估项目”等工程项目,开展了城市固废填埋场的液气压力分布及共同作用下的边坡稳定分析及稳定控制研究。本文所做主要工作和相应研究成果如下:(1)总结固废的物理化学组分以及不同组分的水解甲烷化过程,通过质量守恒原理得到固废的产水产气潜力,汇总不同颗粒尺度下的城市固废降解速率。根据城市固废中的快速降解物质和慢速降解物质不同的降解特性,提出考虑城市固废的快速降解物质和慢速降解物质的产水产气模型。(2)提出了填埋场多层水位原位测试方法,在中国西北某填埋场开展现场测试,获得了各中间覆盖层之上的水位;利用渗流分析软件模拟验证了现场测试所采用的水位恢复试验方法的可靠性,进一步模拟了多层水位的形成和导排机理。测试和模拟结果表明:现场测试在每一层中间覆盖层之上均测得了滞水位,各层滞水位高度并不一致,局部区域出现承压水;低渗透性中间覆盖层是多层水位形成的主因。(3)基于现场和室内试验关于填埋气渗透系数沿深度变化的试验结果,提出填埋气渗透系数沿深度变化的模型,基于该模型推导了一维稳态气压分布,并与不考虑气体渗透系数沿深度变化的压力分布进行对比分析。同时模拟了考虑气体渗透系数沿深度变化的一维瞬态、二维轴对称稳态及瞬态的压力分布。分析不同垃圾填埋厚度、产气率和气体渗透系数的所需抽气压力的值,为填埋场填埋气的收集提供参考。(4)建立填埋场液气耦合控制方程,结合填埋场实际产水产气模型,然后分别通过Comsol数值软件和OpenGeoSys(OGS)对控制方程进行求解,验证结果的可靠性。通过模拟得到高厨余城市固废的液气分布规律,揭示城市固废填埋场中的渗滤液和填埋气的相互作用机理。同时模拟低厨余城市固废的液气分布规律,并与高厨的城市固废的分布规律进行对比。在此基础上研究了中间覆盖层对填埋场液气压力运移及分布的影响,同时模拟了高厨余城市固废二维液气压力分布规律。(5)在城市固废液气压力分布基础上对填埋场边坡进行稳定性分析。对比仅考虑降解产生渗滤液情况下的液相压力分布和考虑降解产生填埋气和渗滤液情况下的液相压力分布,判断填埋气对液相压力的影响。把液气压力值从Comsol软件导出来,进而通过 Geo-Studio 软件中的 Pressure Head Spatial Functions 导入到 Slope 模块中进行稳定性分析。分别分析了填埋气、厨余含量、填埋时间对边坡稳定性的影响,以及相同渗滤液导排下不同填埋气抽排压力下和相同填埋气抽排压力下不同渗滤液导排流量下的边坡稳定控制措施效果。(6)汇总某多层中间覆盖层填埋场边坡滑移过程的现场监测结果,包括渗滤液水位、表面水平位移和深层侧向位移。基于监测数据,开展稳定性分析。结果表明:最大滑移面积达到34760m2,第10平台的平均表面水平位移量为1.77m;近边坡区域堆载是本次失稳的主要原因;距堆载区越近,水位上升更显著,滑移程度越大;受中间覆盖层影响,该类型填埋场的主要失稳模式是堆体内部的局部滑动;近边坡区域降水对其稳定控制效果明显。(7)在国内某失稳填埋场开展利用排水导气井进行滑移治理试验,监测治理前后的表面位移、深层位移、渗滤液水位、渗滤液导排量和填埋气组分,评估滑移治理效果。并进一步利用Geo-Studio软件评估排水导气井不同导排时间、导排流量及布置方式时的稳定控制效果。结果表明:排水导气井使用后,填埋场最大滑移面积从监测总面积的68%降为17%,深层平均滑移速率从2.43mm/d降为0.95mm/d;10 口排水导气井的最大导排流量279 m3/d,平均导排流量为164 m3/d;模拟分析表明,排水导气井工作时间越长,导排流量越大,堆体趋于稳定所需时间越短;在相同导排总量的条件下,布置3排排水导气井滑移治理效果优于布置1排和2排的效果,当布置2排时,排间距为10m的效果优于排间距为20m的效果。(8)在西北某失稳填埋场设置34 口平均深度15m的压缩空气排水井开展滑移控制,对比分析控制前后的表面位移、深层水平位移和渗滤液水位,并通过软件分析不同导排工况下的滑移控制效果。结果表明:采用压缩空气排水井治理后,表面位移最大速率从237.3mm/d降为78.7mm/d;压缩空气排水井的最大导排速率为255m3/d,平均导排速率为132m3/d;模拟分析表明,填埋场的稳定性与导排时间和导排速率正相关,受压缩空气排水井的井深影响,稳定安全系数最大增幅为20%左右。压缩空气排水井造价低、工期短,对填埋场滑移治理效果好,可为各地填埋场滑移控制提供参考。


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