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城市生活垃圾填埋场中水分运移规律研究

张文杰  
【摘要】: 伴随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快,城市生活垃圾急剧增加,垃圾填埋场的数量也在不断增加。目前我国南方垃圾填埋场内的渗滤液水位普遍较高,过高的水位将会加剧渗滤液渗漏及污染物扩散,同时亦对垃圾堆体稳定造成严重影响,因此,研究垃圾填埋场内水分运移规律具有重要的现实意义。同时,垃圾填埋场水分运移是大孔隙介质的非饱和土力学问题,对此问题的研究也具有重要的学术价值。 本文围绕填埋场中“水”的问题,进行了室内试验、现场测试和有限元分析,所做工作和主要结论如下: (1)首先介绍了土中饱和-非饱和渗流的相关理论,以库岸边坡为例,进行了水位升降情况下的饱和-非饱和渗流分析,结果表明,饱和渗透系数和土-水特征曲线是影响岸坡渗流规律的重要参数。 (2)利用现场钻孔取得不同深度处的垃圾样,在室内测定了其土-水特征曲线和饱和渗透系数,推导了其非饱和渗透系数并进行了试验验证。与土相比垃圾的饱和含水量和残余含水量较高,进气值很小,垃圾的饱和渗透系数随填埋龄期和上覆压力的增大而减小,土-水特征曲线及渗透性函数在低基质吸力时存在陡降段,这与垃圾的大孔隙特性对应。试验研究表明,基于土-水特征曲线预测垃圾的非饱和渗透系数是可行的。 (3)针对我国南方垃圾填埋场存在上层滞水的现象,将垃圾视为非饱和多孔介质,用饱和-非饱和渗流理论分析垃圾填埋单元的水分运移,揭示了中间覆盖粘性土层是造成上层滞水的主要原因。分析结果还表明,降雨强度、中间覆盖层渗透系数和垃圾初始含水量的变化对局部滞水的影响很大,渗透系数过大和渗透系数过小的土料都不宜用作中间覆盖层材料。 (4)针对我国南方垃圾填埋场渗滤液水位普遍较高的现象,分析了填埋场渗滤液导排层和垃圾坝透水棱体的渗透性能对填埋场内渗滤液水位的影响规律,分析表明,导排系统淤堵是造成渗滤液水位过高的主要原因。计算了七子山填埋场实际工况下的渗滤液水位和产量,计算得到填埋场非饱和区垃圾体积含水量约40%,与现场实测结果接近,水位计算结果与现场监测结果接近,年渗滤液产量计算结果与HELP模型接近,日产量计算结果比HELP模型合理。 (5)针对山谷型垃圾填埋场存在较大汇水区域的特点,介绍了双套环试验的原理和试验方法,在七子山垃圾填埋场进行双套环试验,确定了汇水区域内山坡表土入渗系数和入渗深度;提出了考虑复杂气候条件进行地下径流量计算的方法,分析环库截洪沟失效的原因,提出了合理截取浅层地下径流的建议。 (6)针对渗滤液收集排放系统的淤堵机理,提出减小导排层淤堵的设计建议;在七子山垃圾填埋场进行抽水试验,测得其饱和渗透系数约为3×10~(-4)cm/s,与室内试验结果吻合,确定抽水影响半径约为20m。利用有限元程序对填埋场中的抽水竖井进行模拟分析,结果表明,垃圾饱和渗透系数和土-水特征曲线对降水影响较大,抽水井井径对降水影响很小,井间距对降水十分关键。 (7)结合苏州七子山垃圾填埋场工程实例,研究了填埋场内高渗滤液水位对堆体稳定和渗滤液渗漏的影响。结果表明,过高的渗滤液水位降低了一期堆体的稳定性,有必要采取降水措施增加安全储备;在水位达到堆体高度一半时二期堆体的安全系数将小于1,将发生沿衬垫系统界面的失稳滑动;渗滤液水位过高将加快污染物迁移,防渗帷幕渗透系数和灌浆深度的控制对防止污染物向防渗帷幕下游渗漏极为关键。 本文通过室内和现场试验对垃圾的饱和及非饱和水力特性进行了研究,揭示了大孔隙介质持水和导水特性,通过饱和-非饱和渗流分析,揭示了垃圾填埋场水分运移规律,并得到现场验证,具有重要的学术价值;本文结合工程实际,分析了现阶段我国山谷型垃圾填埋场普遍存在的一些问题,提出了中间覆盖层设计、地下径流截取、渗滤液导排、填埋场水位迫降、防渗帷幕补强等工程建议,对目前我国填埋场的运行维护和设计具有重要的指导价值。


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