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城市生活垃圾固液气耦合压缩试验和理论研究

谢焰  
【摘要】:城市生活垃圾,又称城市固体废弃物(Municipal Solid Waste简称MSW),是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物。卫生填埋法是我国目前处理MSW的主要手段,而且作为MSW处理的终极方法必将长期存在。垃圾堆体的变形、稳定、填埋气体的迁移以及渗滤液通过衬垫系统的渗漏与扩散是填埋场建设中的四个主要环境岩土工程问题。 MSW的工程特性以及填埋场中渗流、变形及稳定机理比传统的土力学更为复杂,而导致这些机理复杂性的根本原因是填埋场中固、液、气相互影响或耦合作用。本文从MSW工程特性、固液气相互作用试验、压缩机理、沉降计算方法和固液气相互作用数学模型等几个方面对填埋场固液气相互作用问题进行研究。 总结了环境工程学中关于MSW稳定化进程的研究成果,研制了MSW固液气相互作用试验系统(发明专利申请号:200510060477.x)。试验系统具有温度控制、渗滤液回灌、加压、气体和液体收集等功能,能模拟填埋场中MSW的生化和应力状态。5kg人工配制的MSW试样装入直径为190mm的试样室(试样初始高度为320mm),在150kPa压力下进行降解压缩试验的结果表明,温度是影响降解的主要因素,回灌能加快产气速率,在400kPa的气压下(绝对气压),降解仍能继续进行。在温度为41℃和回灌的条件下,6个月后降解已基本完成:气相色谱/质谱分析结果表明,气体组分主要为CH_4、CO_2和H_2O。保持试样室容积不变,并处于密闭不透气状态,在高速产气阶段,试样室气压在7d内增加了150kPa。初始孔隙比为3.93的试样降解完成后,总的应变为0.44,其中主压缩应变为0.20,降解压缩应变为0.24。采用产气量作为垃圾降解程度指标,初步确定以最后3d的产气量小于总产气量1%作为垃圾降解完成的标准,相应的变形量作为垃圾的最终变形量。 建立了考虑降解的一维固、液、气三相耦合的固结模型。模型把填埋场简化为非稳定单向渗流场,把垃圾视为以粗粒成分占优的大孔隙介质,假定基质吸力可以忽略。模型把已降解的固相作为汇项,把降解产生的气体和液体作为源项,采用了Gibson和Lo一维压缩流变模型及Landgem产气方程,结合了达西定律、气体状态方程、有效应力原理和多孔介质流体动力学理论。垃圾堆填时产生的超孔隙压力按Hilf分析法计算。运用差分法对固气耦合问题进行了数值求解。计算结果表明:气压随深度增加而增大,透气率大的填埋场其气压消散速率快。气


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