（岩土工程专业论文）城市生活垃圾的压缩和渗透特性及填埋场水力特性研究.pdf

摘要 填埋法是处理城市固 体垃圾例s w) 最经济和有效的方法之一。 为避免填埋 场对周围环境产生二次污染， 通常在填埋场底部的隔离衬垫上方设置渗滤液的收 集排放系统 ( l c r s ) ， 将填埋场内 产生的渗滤液进行收集， 并输送至挣化设施中 处理。 渗滤液的收集排放层必须确保渗滤液能够迅速排出， 将衬垫上方的水头控 制在一定的安全范围之内。 因此填埋场水力学问题的关键课题之一就是确定渗滤 液收 集排 放层内 的 最大水头。 本 课题依据 标准d u p u it ( 1 9 7 1 ) 假设， 提出了 稳 定 状 态下衬垫上的成层介质内最大水头的计算方法。 通过参数分析， 总结了成层介质 中的不同因素对渗滤液最大水头的影响规律。 与目 前填埋场水力学研究中常采用 的m c e n r o e ( 1 9 9 3 ) 公 式和q i a n ( z o t ?4 ) 方 法的 计 算结 果比 较， 本文提出 的 方法更 加 准确合理。 填埋场内垃圾体的成分复杂， 结构不稳定， 压缩机理非常复杂。 本文详细分 析了m s w 三相的 压缩物理力学特征， 特别考察了 压缩过程中固 相内 部气体对 m s w干密度的显著影响， 并建立了 一个压缩模型。并通过大尺寸室内 试验比 较 验证了该模型的合理性。 本课题探讨了 城市生活垃圾在不同 压力 条件下水力学参数的实验测试方法， 设计并制作了一套实验装置，并进行了实验测试。通过对实验结果的拟合分析. 阐述了垃圾体渗透系数随孔隙比变化的规律。 渗滤液的产量是在进行填埋场设计时， 必须考察的另一个重要的参数。 本课 题 采 用 美国 环 保 署的h e l p ( h y d r o l o g i c e v a l u a t i o n o f l a n d f il l p e r f o r m a n c e ) 模 型， 利用垃圾体在不同 压力条件下的 渗透试验结果， 对填埋场进行了 水体平衡分析。 结果表明压力场对填埋场水文状况的影响不容忽略。 关键词: 垃圾填埋场、 城市固体垃圾、 渗滤液、 渗滤液集排层、 试验研究、 渗 透、压缩、h e l p 模型 abs t ract l a n d f i l l i n g i s o n e o f t h e m o s t e c o n o m i c a l a n d e f f i c i e n t w a y s t o t r e a t m u n i c i p a l s o l i d wa s t e ( ms w) . t o a v o i d t h e s e c o n d a r y p o l l u t i o n o f l a n d fi l l s , u s u a l ly , t h e l e a c h a t e c o l l e c t i o n a n d r e m o v a l s y s t e m ( l c r s ) m u s t b e i n s t a l l e d o v e r t h e b a r r i e r t h a t i s l o c a t e d a t l a n d f i l l s b o t t o m s i d e , t o c o l l e c t a n d r e m o v e le a c h a t e t o f r a c t i o n a t i n g f a c i l it y . t h e l e a c h a t e c o l l e c t i o n a n d r e m o v a l l a y e r m u s t b e d e s i g n e d t o e n s u r e t h a t l e a c h a t e c a n b e r e m o v e d r a p i 御 a n d l e a c h a t e h e a d i s l o w e r t h a n s o m e s a f e t y l im i t . t h e re f o r e h o w t o d e t e r m i n a t e t h e m a x i m u m s a t u r a t e d d e p t h o v e r t h e b a r r i e r i s o n e o f t h e k e y s u b j e c t . b a s e d o n d u p u i t ( 1 9 7 1 ) as s u m p t i o n , t h i s p a p e r p r e s e n t s n u m e r i c s o l u t i o n f o r s t e a d y d r a i n a g e o n a s l o p i n g i m p e r v i o u s b a r r i e r w i t h n o fl o w a c r o s s t h e u p - s t r e a m b o u n d a r y . b y c o m p a r i s o n w i t h t h e re s u lt s o f mc e n r o e ( 1 9 9 3 ) a n d q i a n ( 2 0 0 4 ) , t h e m e t h o d p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r i s a c c u r a t e a n d r a t i o n a l . t h e c o m p o n e n t o f l a n d f i l l w as t e i s v e r y c o m p l e x , a n d i t s s t ru c t u r e i s i n s t a b l e , s o t h e b e h a v i o r o f ms w i s v e r y c o m p l e x . a n d t i l l n o w t h e r e i s n o m o d e l t h a t i s w i d e l y c o n s i d e r e d r a t i o n a l . mo re o v e r , i t s c o m p re s s i o n b e h a v i o r i s v e r y i m p o r ta n t f o r a n a l y s e s l a n d fi l l s c a p a b i 断 a n d b e n e fi t . t h i s t h e s i s a l s o d i s c u s s e s t h e c o m p r e s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f ms w , a n d a n a l y s e s t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t y o f s o l i d p h as e o f m s w , s p e c i a l l y c o n s i d e r i n g t h e e ff e c t o f t h e g as t h a t t r a p p e d i n s o l i d p h a s e c o n t e n t o n b u l k d e n s i t y . a t h e o r e t i c a l m o d e l i s e s t a b li s h e d t o s i m u l a t e t h e e x p e r i m e n t p r o c e d u e . a s e r ie s o f l a r g e - s c a l e c o n s o l i d a t i o n e x p e r i m e n t s w e re m a d e a n d t h e r e s u l t s a re p r e s e n t e d t o v a l i d a t e t h e r a t i o n a l i t y o # t h e t h e o r e t i c a l m o d e l . i n t h i s t h e s i s , a l a r g e - s c a l e t e s t u n i t i s d e v e l o p e d f o r s t u d y t h e b e h a v i o r o f t h e ms w fi l t r a t i o n , u n d e r d i ff e r e n t s t re s s l e v e l . a n d a f i t t e d l in e a r re g r e s s i o n e q u a t io n o f ms w p o r o s i t y a n d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i ty i s d e v e l o p e d . a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f e x p e r i m e n t s r e s u l t , t h e f u n c t i o n r e l a t i o n s h ip o f h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y a n d ms w p o r o s i t y i s e x p o u n d e d t h e l e a c h a t e y i e l d i s a n o t h e r k e y p a r a m e t e r i n t h e p r o c e s s o f d e s i g n l a n d f i l l s . i n t h i s t h e s i s , b as e d o n t h e u . s .e p a h e l p ( h y d r o l o g i c e v a l u a t i o n o f l a n d fi ll p e r f o r m a n c e ) m o d e l a h y d r o l o g i c s i m u l a t i o n w as m a d e , a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f fi lt r a t i o n e x p e r i m e n t s , f o r s t u d y t h e l e a c h a t e y i e l d . a n d t h e m o d e l i s c o r r e c t e d . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t e ff e c t o f s t r e s s fi e l d t o h y d r o l o g i c a n a l y s i s s h o u l d n o t b e i g n o r e d k e y wo r d s . l a n d f il l , mumc r pa l s o l i d wa s t e , l e a c h a t e , l e a c h a t e c o l l e c t i o n a n d re mo v a l e x p e r i me n t s t u d y , i n fi lt r a t i o n , c o m p r e s s i o n , h e l p mo d e l 浙江大学硕士掌位论文 第一章绪论 1 1 现代卫生填埋场概况 随着经济的迅速发展，工业化与城市化进程的加快，人口不断涌入城市，使 城市的生活垃圾急剧增多，垃圾污染了环境，对城市居民的健康和生存构成了严 重的威胁，己成为社会一大公害。随着改革开放和市场经济的不断深入，我国的 城市化水平正在快速提高，伴随而来的是城市固体垃圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ， m s w ) 的急剧增加。在发达国家有关固体垃圾的安全填埋受到越来越多的重视， 已成为岩土工程和环境工程研究的热点问题。据统计，一般而言世界各国的垃圾 产生量是以快于其经济增长速度2 3 倍速度的平均速度增长。据9 0 年代初期资 料统计( 张澄博，1 9 9 9 ) ，全世界每年的垃圾产生量约为( 8 0 1 0 0 ) 1 0 8 吨，平 均年增长速度为8 4 2 ，其中美国每年约产生1 5 1 0 8 吨的城市生活垃圾，日本 每年约产生1 0 1 0 8 吨的城市生活垃圾。我国虽属发展中国家，目前大中城市的 年固体垃圾的日产生量已达到1 5 亿公斤，人均1 5 公斤，并以每年1 0 的速度 在增长。据不完全统计，我国的生活垃圾产量以每年9 的速度递增，从1 9 8 6 年的5 2 0 0 万吨猛增到1 9 9 6 年的1 6 6 亿吨。由于多数城市对生活垃圾未加处理 即弃之城郊，我国三分之二以上的城市已形成了“垃圾包围城市的严重局面”。这 些已经存在的垃圾场大多未经科学的设计与防护处理，有的甚至露天堆放或简单 填埋，不仅占用了国家大量土地，对周围环境和生态破坏极为严重。可以预见， 如何处理庞大的城市固体垃圾将是关系到经济可持续发展，水资源保护和生态环 境保护的重大问题。 表1 1 给出了1 9 8 7 年至1 9 9 8 年杭州市和广州市生活垃圾产量。从中不难发 现，各地生活垃圾的人均日产量正逐年上升；如何高效、安全地处理城市生活垃 圾已成为城市发展中急需解决的主要问题之一。 迄今为止，国内能够得到无害化处理的垃圾尚不足2 ，城市卫生基础设施 的发展远远滞后于城市的发展，这些得不到无害化处理的垃圾经常被运到城市的 郊区或城乡结合部随便堆放或简单填埋，以至于我国三分之二的大中城市已处于 垃圾的包围之中。这些垃圾不仅占用了大量的良田或可供开发和利用宝贵国土资 浙江大掌司士学位论文 表1 1 杭州市和广州市生活垃圾产量分析 杭州市广州市 年毋 年产燕( 1 0 7 磷入均日产量( 瑰)年产量( 1 0 7 k g )a 均蠢产量( 堍) 1 9 8 79 9 40 9 7 1 9 8 81 0 2 。20 9 9 1 9 8 9 1 0 0 40 。9 5 1 9 9 04 3 8 9o 9 01 0 5 1 0 9 8 1 9 9 14 5 _ 3 9o 9 2 1 2 3 7 41 1 4 1 9 9 24 7 。4 40 ，9 5 1 3 1 5 81 。2 1 9 9 35 0 8 51 o l 1 5 4 6 21 3 9 1 9 9 45 6 6 61 1 0 1 9 9 3 l 1 7 5 1 9 9 56 3 4 71 1 5 5 0 7 1 3 l 1 9 9 66 5 7 2l ，o s 1 7 6 4 2 1 9 9 7 7 2 o o1 1 7 1 9 9 87 7 + 0 0 1 2 3 潆，嚣虽污浆簧入雷j 赖酸蹩存静壤、农、大气等舔壤，宅蕊渗滤滚会污染遗下 水或附近的民用水源，它排出的有害气体污染了大气环境，更令人担忧的是：它 怒个孳生蚊蝇、招引昆煦和传播有害痰病的巨大污染源，壹接威胁着城市居民 瓣健痰安全。 3 填埋法照率先在我国备大中城市中得到应用和推广的垃圾处理方法，l i n g 等( 1 9 9 8 ) 认为，填埋法怒处理城市固体垃圾( 垃圾体) 最经济和w 行的方法。 缕建法是舔至部门将掰毂集静藏市垃圾遂赣鬟卫生壤壤所在逢，荠将垃圾戳每屡 2 5 3 米的厚度在日填埋区域内加以摊铺，然后进行机械压密，最终在垃圾土的 上都再铺以1 5 , - - 3 0 c m 的糍层并再次愿实，形成一个完整的日填蠼垃圾土层单 元，一夺完整斡卫生壤毽精簸是壶咒个至l 凡+ 个这释酲壤堙层组成。放八卡年代 艏期开始，上海，广州，深圳，杭州等地相继建立了城市垃圾填埋场。这些填埋 场与最初的撼灌场相比有了很大豹改进，在设计中针对垃圾渗滤滚秘填埋气体的 污染采取了穰波斡控制播藏，如压实糖衬赢，渗滤液导排，壤蠼气体疏导等； 在施工管理方面，实行分区填埋，分层聪实，定期覆等。1 9 8 9 年建设部颁布 的城市生瀵垃圾卫生填蠼技术标准( c j j l 7 - - 8 8 ) 墩为各地的填攥场设计提供 浙江大学卿l 嫩掌位论文 了基本依据。在这些实践的基础上，并储鉴国外发达国家的经验，受多的城市， 如昆明，桂林，泉州，湖州，保定等，正在精心设计或建造具有更离标准的垃圾 曼生壤理场，力零在底部爨渗窝渗滤渡羧刳等方嚣取德更好熬效巢。蠢予卫生壤 埋法垃圾处理蹩大，垃圾遗碰性强，一次性处理，没有残余物，管联方便且运行 费用合理，加之我国大多数城市未实行垃圾分类投放制度，垃圾成分混杂，因此 它基藏为我嚣缓枣生溪垃玻楚理豹主要手菠，瑟豆，玄 乍兔楚圾楚建翡最终方法 必将长期存在。但是它也有缺点，即对遗址的要求往往较高，一般很难找到各方 酒条件都满足的场址。 垃圾戆焚烧法楚理在减燮纯霸资源诧方嚣翼有俊势，嚣建，在a 手年代寒， 焚烧法与填理法同时被列为国内垃圾处溅推广项目。假是由于焚烧法投资大、管 理复杂、处理赞用高，易产生有害气体以及国产设备不过关等制约祭件，尤其是 焚烧法要求蟪激熬燕篷应达到8 0 0 丈卡，羧美等逡嚣熬生灌垃圾一j l 曼聱襞运受醴 上要求，甚至离达1 0 0 0 2 0 0 0 大卡，而我闺城市垃圾成分混杂，热值较低( 一般 只有3 0 0 - - - 4 0 0 大卡左右) ，因此该技术在飚内一直没能得到推广应用。曾在广州、 溪门、薮海、上海窝宁波镣迭送行了焚烧缝圾豹可行瞧骚究，授姿麓达8 令亿， 假效果并不十分理想。深圳市于1 9 8 9 年建成并使用了具有真正意义的无害化垃 圾焚烧厂。该焚烧厂引进外资，采用日本三菱重工机器设备，逆推炉排式焚烧工 装。嚣蘸该焚爱厂共毒三螽焚浇妒，每爨每台哥焚浇缝圾1 5 0 缱，懿滁援；嚣正常 检修的时间，该焚烧厂一举中平均每日处理垃圾3 0 0 吨左右。由此w 见，焚烧法 的垃圾处理能力是有限的。近些年，随糟经济的增长和技术的提高，部分城市又 开始了楚毅焚浇懿鑫霜与磷究，镶魏，1 9 9 9 年跨尔滨露建成了一嶷浚毂焚烧厂， 在处理垃圾的同时将焚烧产生的热能供城市发电；浙江大学在余杭市建成了硫化 床焚烧试验带，在垃圾焚烧新技术方面取得了初步成果；上海市也开始了垃圾焚 烧戆试行工捺；另终，由予垃圾与潆等箕它爨麓在巯倦藤中滢烧豹方法其有爨浇 效率高，对士立圾热值的遥_ 暾性强以及经济性好等优势，也开始受到豳内学者们的 关注( 郝天文，1 9 9 8 ) 。可以预见，随着经济的发展，垃圾成分的变化以及垃圾分 类目 | 芟稻分羧簇度豹完蔷，焚魏法褥袋海垃毂炎滚纯缝壤弱主要方法之一。 堆肥法怒进行垃圾元镙化处理之前耪地普遍的做法，垃圾被运牧城市的郊区 游天堆放，农民用垃圾做月聪料，但是垃圾的肥效很低。于是，9 0 年代开始，无 浙江大掌磷碡? 掌位论文 锡市试行了土立圾机械化堆肥处理，作为新的垃圾处理技术推广项目。但是，机械 化雄肥的垃圾处理量小，如果不添加氮、磷、钾则垃圾肥效低；而添加氮、磷、 爨豹堆l 墨法鲶懑费矮太，袋本毫，嚣此该技零没有雄广。基翦，毒薅枣歪在筹建 座垃圾综合处理厂，对地激间时进行壤埋和堆肥处溅。进场的垃圾首先进行筛 选，不适合堆肥的物质填埋，其余的有机物用来堆肥一生物堆肥。生物堆肥是粟 援美国戆 o k a n n i k 生魏援零，在圭壹毅中添热且卡耱垒甥活淫菠终为垃毅戆除 嶷剂、降解剂、活性剂，w 以除虫、网氯等，利用这贱活性菌的特殊功能对垃圾 进行转化。该技术以垃圾为载体，对生物活性菌进行筛选、培养、变异和浓缩等， 一边壤蓁鬃蘩，一逮处理竣凝。皇貔堆l 愁法嚣要采弱多遂王枣，对羧圾莲季亍一次 堆肥、二次堆臌等，最终生产出的垃圾肥是颗粒状的生物活性肥，对环境无污染， 且对植物生长县有良好的促进作用，是种绿色肥料，与传统的化肥( 化肥的长 麓镬震燕之酸瓣豹影稳会逡戏壤兹酸稼，鼹农馋貔豹玺长不裁，嚣墓有害人嚣 的健康) 相比极具优越性，已受到农业部的高度重视。可以说，生物堆肥法是一 种具有推广价值的垃圾处璁新技术，而融，东北、新骥等地也正在学习运用这种 臻l l 技零。 由于安全填埋能够处理所有的城市嘲体垃圾，且所需费用较少，所以在发达 潮家至今仍题最普遍使用的处理方法。考虑到我国实际情况，城市斓体垃圾的安 全蝼堙显然怒黢为经济、穷鹱葙逶瑶懿鲶毽方法，毽怒羹蕊积将来穗当长懿薅阗 内处理城市固体垃圾的主臻手段。但目前，城市固废安全填埋技术谯我国处于起 步阶段，对该法尚未开展系统研究，其主要的技术还魁照搬国外的规范和经验， 疆嚣在诲多方嚣并不适瘟我溷静藿清器爨舔演嚣，矮这矮技零在我溪瓣雍广应曩 灏临诸多问题。因此，大力开展城市固体垃圾安全填埋理论方法和技术手段的系 统研究是一项十分迫切的任务。 翅上述，我国褒狻袋缝圾楚理戆主簧强稼是实褒纛害佬，露露淤霆垃毂减量 化和资源化处理技术的研究；垃圾处理的政策是以填蠼法为主，发展焚烧、堆肥 _ 翱综合利用技术。在垃圾管理制度方面，嗣内( 如北京市和杭州市的部分区域) 穗开始试行竣缎靛分类授藏嚣霞浚，菠溪探索薅壤缀滋行资源纯综合嚣焉酶蓑途 径；上海市正在试行垃圾收费制度，一方面可作为垃圾处理资金，塌方面则可 在一定程度上控制垃圾产擞。从中央政府工作报告中提供的统计数据看，目前国 浙江大学硕士学位论文 内的垃圾无害化处理率可达5 0 - - - , 6 0 ，但由于垃圾无害化处理技术尚不令人满意 和垃圾收集管理方面的漏洞，实际上城市垃圾的无害化处理率仅约为2 0 左右， 所以说垃圾处理的形势依然严峻，任务仍很艰巨。 一般城市固体垃圾填埋场的使用年限较长，由于在填埋场中含有大量的有害 物质，使得填埋场在使用期和堆放期的安全性和可靠性非常重要。城市固体垃圾 安全填埋技术的核心问题是保证有效的将垃圾中有害物质长期安全的封闭在垃 圾填埋场中以避免对周围环境的污染。垃圾填埋场一般需要在垃圾填埋体表面和 内部设立封闭系统和衬垫系统，气体收集系统和渗滤液收集系统及观察竖井。 图1 1 某填埋场现场 浙江夫掌硕士掌位论j ： - 6 圄_lb赫藩尊野副朔辩蜜 嘴 折a la 学 ;a * - 学 位 金 仑文 1 . 2填埋场的水力学问题概况 天然降水、 地下径流和填埋体内部生物化学发反应所产生的液体在重力作用 下通过填埋体之后， 就会在垃圾体底部生成渗滤液。 因此渗滤液可以被定义为水 或者其他液体与垃圾作用产生的一种液体 ( z h a o , 2 0 0 0 ) 。渗滤液是包含一定数 量溶解物质和悬浮物质的污液， 绝对不能直接排到填埋场周围环境中去。 因此在 填埋场设计和运行过程中必须对渗滤液的质量和数量加以重视。 影响渗滤液产生的因素错综复杂。 工程实践中通常可以利用美国国家环保局 的 填埋场运行水文模型 ( h e l p ) (z h a o , a . a n d e l l i t h y , g ,2 0 0 1 ) 综合考虑水文气象 情况、 填埋场封顶情况、 垃圾性质、 填埋场底部情况以 及填埋场运行方式等因素， 分析渗滤液的产量。 渗滤液的收集排放系统 ( l c r s )可以将填埋场内产生的绝大部分渗滤液进 行收 集， 输送以 及排出， 以 待处理。 收集系统必须保证复合衬垫上方的集存的渗 滤液水头小于3 0 c m以尽可能减轻其对地下水的污染。 渗滤液收集排放系统包括 渗滤液集排层、收集槽、多孔收集管、 收集池、 存贮池等组成。 可以按照g i r o u d 方法( g i r o u d , j .p ., z o r n b e r g , j .g a n d z h a o , a . ,2 0 0 0 ) , 以 及z h a o 方法( z h a o , 2 0 0 4 ) m c e n r o e 方法 ( m c e n r o e , b . , 1 9 9 3 ) 进行其水力学分析和设计。 这几位学者的设 计方法的核心， 是提出了渗滤液收集排放层内的最大水头的计算方法。 利用他们 提出的计算方法可以在满足最大水头限制的条件下， 选择收集排放层的坡度、 收 集排放层材料和穿孔管的布置间距等参数。 作者在本课题中总结了前人对于渗滤 液收集排放层内 最大水头计算方法， 并提出了 稳定状态下衬垫上成层介质内最大 水头计算的 方法， 并通过参数分析， 总结了 成层介质中 不同因 素对最大渗滤液水 头的 影响规律。 通过与前人的计算结果相比 发现， 本文提出的计算方法更加合理 可靠。 此外， 根据水量平衡原理， 为了减少填埋场封顶后渗滤液的产量， 必须尽量 阻隔外部降 水透过封顶系统进入填埋体。 所以本文在相关章节也介绍了 填埋场覆 盖系统设计时 必须考虑的水力学问 题， 即填埋场覆盖层的侧向排水设计方法和渗 流力引起的稳定问题。 畜 弱x zk 学 xx 士 学 士 立论 文 1 . 3不同压力条件下垃圾体渗透实验研究介绍 确定垃圾体的渗透系数， 对于进行填埋场水力学相关分析、 设计及管理都有 着非常重要的意义: 设计渗滤液收集与排放系统， 渗滤液回灌计划，以及对填埋 场进行整体的水体分析都必须基于对填埋体水力参数的确定。 城市固体垃圾通常由很多成分组成，如碎砖、炉灰、纸张、玻璃、陶瓷等， 大部分成分是多孔的。由于垃圾体成分复杂，结构不稳定，具有很高的压缩性。 在不同的压力条件下， 孔隙比将发生明显的变化， 因而其渗透性也应随之发生变 化。 垃圾填埋体的渗透系数可以 通过实验室大直径渗透试验、 现场渗滤液抽取试 验以及大尺寸试坑渗漏试验求得。 通常后两种方法只适用于浅层填埋体渗透系数 的测定， 所以笔者选择了第一种方法研究不同压力条件下垃圾体的渗透性。 按照 传统土力学渗透试验原理， 设计并制作了一套既能对垃圾体进行不同压力等级的 压缩， 又能在每级荷载条件下测定其渗透系数的大尺寸室内试验设备; 并进行了 一系列的试验。 利用大尺寸室内试验对不同压力水平下的垃圾体渗透系数进行测 定后发 现， 在4 0 0 k p a填埋深度约4 0 m ) 压力下， 垃圾体的 渗透系数在1 0 - s c m / s 量级。 而目 前利用美国环保署h e l p 模型进行填埋场水体模拟过程中， 大多数做法 是将填埋体视为一层，并将这一层的渗透系数视为 1 0 3 c m / s 量级的常数。 这将 导致水文模拟结果存在偏差， 因此是不合理的。 因此非常有必要将能够更真实地 反应填埋场内渗透情况的垃圾体渗透参数应用于h e l p 模型的模拟中， 对现有的 研究方法进行补充和修正， 得出更为精确的分析结果以指导工程实践， 同时也为 进一步进行液、气、热模型和压缩模型分析提供依据。 浙 x 大 , - l - 学 位 论 文 1 . 4本文主要的研究工作 考虑成层介质条件下， 将填埋场渗滤液收集与排放层中渗滤液最大水头厚 度公式进行修正，为填埋场水力学设计提供依据; 研制了一套的大尺寸室内渗透实验的设备并进行了不同上覆压力作用下 填埋体渗透系数的实验研究; 考虑垃圾体的固相内部存在封存气体的条件下， 建立了一个饱和垃圾的一 维压缩模型，并将模型结果和大尺寸室内 压缩试验结果进行了比 较: 根据实验结果， 利用e .p a . h e l p 模型， 对填埋场的水力学过程进行了水 文平衡分析，结果表明压力场对填埋场水文状况的影响不容忽略口 浙 玄 工大 月 阵 闷 眨 士 学 位 论 文 第二章 垃圾填埋场水力学的一般性问 题及优化研究 2 . 1概述 垃圾填埋场的水力学设计主要是讨论渗滤液的收集和排放系统、 双层衬垫中 的渗漏检测系统及顶部覆盖系统表面水的收集和排放系统等问题。 工程师们在设计填埋场的过程中必须按照规范要求， 进行一系列的水力学分 析和计算， 以确保其安全。 现代垃圾填埋场的侧向排水系统应具备以下功能的其 中一个或一个以上。 1 )限制作用在衬垫系统上的水头，应符合规范的最低要求。也即，在城市 固体垃圾填埋场中，作用在主要衬垫层上的最大水头不得超过3 0 c m. 2 ) 检测阻隔层的渗漏，双层衬垫系统收集渗漏液，以监测上层衬垫的渗漏 行为，和限制作用在下层衬垫的水头高度。 3 ) 确保斜坡的稳定， 尤其是衬垫或封顶系统上土体在渗透力下的夹层稳定。 针对上述功能， 填埋场设计中主要的水力学问题的计算，其中包括渗滤液收 集系统、 渗漏检测系统、 封顶排水系统等问 题的设计。同时， 在本章中还详细阐 述了渗滤液通过底部衬垫的渗漏分析模型和防渗衬垫的等效性分析模型。 进行填埋场水力学设计时， 隔离层上浸润水头的最大值是设计工程师非常关 心的课题， 因为这直接影响到防渗系统被渗滤液击穿所用的时间。 影响最大饱和 深度的因素有排水层入流量、 渗滤液排水层的渗透系数、 从上游界面至渗滤液收 集管的距离、填埋场底部衬垫的坡度及排水层下游终点处的水力条件等。mo o r e ( 1 9 8 0 , 1 9 8 3 ) , m c e n r o e ( 1 9 8 9 , 1 9 9 3 ) 和 g ir o u d ( 1 9 9 2 ) 分别给出了 计算隔离 层上 浸润 水头的 最大 值的 计算公 式。 其中 ， m c e n r o e ( 1 9 8 9 ) 的 计算方法是建立在标 准d u p u i t 假定的 基础上， 而m c e n r o e ( 1 9 9 3 ) 则是 在 扩充d u p u it 假定的 基础上 推导的 解析 解。 m c e n r o e ( 1 9 8 9 , 1 9 9 3 ) 法是目 前公 认的 估算渗 滤液最 大饱和深 度的 最 好方法。 并 被美国 环保署研发填埋场水力学分析模型h e l p中 所采用。 在现实条件下， 渗滤液可能在成层介质的排水系统中 流动。 例如， 如果渗滤 液最大饱和深度超过排水层厚度( 这在暴雨期间的 填埋场覆盖层的排水系统中是 非常可能 发生的 ) ， 则渗滤液的浸润线就会进入保护层。 显然， 保护层的 渗透系 弓 折m - a l 学 zn t 学 t 立论 文 降雨/ 雪 蒸腾散发 侧向排水层 砂土侧向排水 土工膜衬垫倾角 阻隔层 粘土 渗入 一.一一一今一一 卞 竖向 渗入 层 侧向排液层 侧向渗流网络 砂土 侧向渗流 ( 收集) 阻隔层 粘土 最 大排 水距离 渗漏 ，* 。 图z . 1 水力学分析填埋场断 面 浙 s 工大 肖 牌 呢 口 h 七 学 位 论 文 穿 孔 渗 滤 液 收 集 管尸 图2 .2渗滤液集排层示意图 数和排水层的渗透系数相差是非常大的。 另外， 譬如复合排水系统 ( 由 合成排水 材料和上覆砂层组成) 、由于物理生物化学作用引起的排水系统底部淤堵等都会 造成排水系统的成层性。 而q i a n ( 2 0 4 ) 提出 采用等代渗透系数的方法计算成层条 件下的 渗滤液最大水头， 该方法在确定等效渗透系数时是根据最大渗滤液水头作 为计算标准。 由 于在其他位置上渗滤液高度都小于该值， 该方法在一定程度上夸 大了 上 层土的作用。 本章在m c e n r o e ( 1 9 8 9 ) 方法的 基础上推导了 成层介质中 渗滤 液最大饱和深度的推求方法。 2 . 2覆盖系统排水设计 由于孔隙水压和填埋场内沼气压的作用， 填埋场最终覆盖的夹面易出现滑移 破坏。这是因为孔隙水压和场内沼泽气压会降低作用在层间交界面上有效应力， 从而降 低最终覆盖层的抗滑能力。 因此， 填埋场建在可能发生地震的区域时， 需 特别注意其最终覆盖层的稳定性。 美国环保局u . s .e p a规程要求， 如果场地在过 去2 5 0 年 里发生 过水平 加速度为。 a g 或更 大的 地震， 须 对d类填埋场 进行 地震 分析。 土工加筋材料可提高覆盖层斜坡稳定性。 本文通过渗流力来说明 填埋场覆 盖层的稳定性，并以有效消除渗流力作为排水层设计的评价标准。 浙 s z大 学 布 区士 学 位 z 仑 文 l a t e r a l d r a in t o d o w n c h u t e g e o n e t 厂 一 t o p l a t e r a l d r a in a ( e o ia 一 v f g f t a t i v e s o i l l a y er 知 一-o .一 - li 一 爪孔i -5; 胜 _澳 潦 万一崖 /邻 一 o w p e r m e a s il i 一 一1 2 o m 附 群蕊 几二 i d “， 琢tyor 斑 普:_忿万 或旅汝 一 - - g a s c o l l e c t io n l a y e r 、 - 一 g e o m e m b r a n e _ g e o n e t s i d e s l o p e l a t e r a l d r a i n a g e m e d ia 图2 .3填埋场的封顶排水系统 图2 .3 显示了典型最终覆盖系统中的两个侧向排水系统，即:侧坡排水系统 和顶部排水系统。 虽然这两个排水系统都是用来降低作用在下部衬垫系统上的水 头， 但这两个系统损坏所造成的后果却十分不同。 一个侧向排水系统的破坏会增 加作用在夹面上的水头。 在覆盖层顶部平坦坡面上， 较高的水头将提高通过隔离 层的入渗率 ( z h a o 和r i c h a r d s o n , 1 9 9 8 ) 。 而侧坡排水层的相同破坏则会导致隔离 系统上各层的灾难性的边坡失稳 ( r i c h a r d s o n 和z h a o , 1 9 9 8 ) 0 2 . 2 . 1渗流力和稳定性计算 带衬垫的填埋场最终覆盖层的设计是对设计者在土的流失和边坡稳定等方 面的一种考验。侧向排水层的设计必须提供坡度为 l : ( 3 4 )的侧坡稳定，这 个坡度范围常用于现代城市垃圾填埋场最终覆盖层。 在此， 排水层的作用是防止 孔隙水压在隔离层上产生。 稳定性为主，限制渗流为次。 若覆盖层达到饱和，覆土层中的最大渗流力可用无限长边坡模型由下式给 出: f s e e p -yw h s i n 刀( 2 -1 ) 式中:5 为边坡倾角，h为覆土层的 垂直厚度，丫 ， 为水的容重。如果积水没有 及时排走， 地表水将通过植被层积累在隔离层上， 产生有危害的孔隙水压。 当覆 土层完全饱和时，边坡的稳定安全系数如下式: 少 心 = y b h c o s 刀 t a n s y b h s i n / 3 + y w h s i n 6 y b t a n 占 y s a t t a n q二 0 . 5 t a n s t a n 刀 ( 2 - 2 ) 咭 折三 工口 学 je 可创 匕学 1 立金 仑岁 忆 式中:6 为土工复合物与土或土工膜之间的最小摩擦力，丫 、 和y a 0 ， 分别为覆土 的有效容重和饱和容重。 当排水的土工复合物排水能力设计足够时， 可以消除渗 流力的影响，此时，边坡的稳定安全系数简化成下式: f s=( 2 - 3 ) 由上式可得，对坡度为 1 : 4 、安全系数 f s =1 . 5的情况，土工复合物与土 工膜之间的最小摩擦角在覆土不饱和时应为2 0 . 5 0 ， 饱和时为3 6 . 9 0 。 由于无纺土 工织物和大部分材质的土工膜之间存在着粘结作用， 两者交界面上的 摩擦角易达 到2 0 . 5 0 的要求。而 3 6 . 9 0 的摩擦角实际上超过了填埋场覆盖系统中一般用土的 内摩擦角，因此，必须阻止在覆土层产生渗流力。 s o o n g 和k o e r n e r ( 1 9 9 7 ) 提出了 一种更严格的边坡稳定分析方法。 这种方 法基于水量平衡的原理， 应用径流系数的概念来估算覆土层的入渗率， 并将饱和 。 0. 0 stability fsd fsmi 8 bmergenece ratio奥age force., - - -s l o p eo p e 3 l a b l l 勺 f s 一 今 d r a i n a g e -f sn m . e . 于s u- i -b me r g e n e c e w. r a ti ox e n o 一-partial 才几 一 / . f u l l s e e p a g e f o r c e t 哥刹明柳象眠叫铝 e + d o 5 . 0 e - 0 4 7 . d e - 0 3 1 . 5 e - 0 3 2 . 0 e - 0 3 图2 . 4覆土稳定性、 淹水比 和排水安全系数 与土工复合物传导率关系曲线 深度与覆土层的总厚度之比定义为 “ 淹水比” 。随着饱和带的升高，淹水比逐渐 趋于1 ，同时覆土内的渗流力也随之增加。图2 . 4 说明了 覆土稳定性、 淹水比和 排水安全系数与土工复合物传导率之间关系，相关的场地条件为:坡长= 4 0 m , 边坡倾角=1 4 0 ， 最小摩擦角s = 2 2 。 ， 植被层土的 渗透系数=5 * 1 0 ， c m / s e c ，降 雨量=6 0 m m / h r ，径流系数=0 . 4 。在相同的场地条件下，如果覆土层完全饱和， 浙 幻二 大 学 书 员创 七 学 位 亏 仑文 则边坡稳定安全系数将小于1 ， 不能满足稳定要求。随着土工复合物传导性的增 长， 饱和深度和孔压都将减小， 从而提高边坡的稳定性。当无孔压存在时， 边坡 稳定安全系数可达1 . 6 。 特别需要注意的是，图2 . 4 中从超孔压状态( f s = o . 8 ) 到 无孔压状态( f s = 1 . 6 ) 的转变仅发生在较小的传导性变化范围内。这清楚的表明， 如果设计者没有提供足够的 侧向 排水层， 那么， 即使只发生一次覆盖层饱和现象， 也会造成边坡的灾害性破坏。 考虑到覆土层特性、 植物种类和将来的降雨等因素 的不确定性，设计者只有通过提高设计的安全系数水平来保证边坡的安全与稳 定。 2 . 2 . 2排水层设计 除千早和半干旱地区， 设计者应当考虑植被层在恶劣的气候下达到饱和的情 形。 在排水层的设计中， 最大的不确定性在于能否准确预测层内的最大流速。 厄 尔尼诺产生的恶劣天气反而使这种预侧变得容易。 因为随厄尔尼诺而来的高降雨 量和温暖的天气可使华东大部分区域的植被层处于饱和状态，而在饱和情况下， 进入土工复合排水层的入渗率在单位梯度的作用下，就等于植被层的渗透系数， 如图2 . 5 所示。 / / 仁 / / 今 丫 1qra in , 1 / 1 丫 /i rt/ - q r u n o f f 曲 尹沪 c o v e r s o i l g ra d ie n t 二 1 i( s a t u r a t e d ) 1.1令 门 q q o f蜚 /区 塑 日 呸 i v * g e o c o m p o s ite 图2 . 5填埋场封顶系统中的入渗和复合排水 由 达西定律， 进入土工复合层的入渗率等于: q ; = k s o rr - t a = k . ， 小l , 1 而在坡趾处流出土工复合层的流量为: q o， 一 喻 1 a = 愉 - s in /8 . t . 1 一 气， s i n p 假定水和液体是不可压缩的， 质量守恒就等价于体积守恒 ( 2 - 月 ) ( 2 - 5 ) 由此可得， 流出 浙 x 大 学 书 贯创 七学 m 论 文 排水系统的水量等于流入该系统的渗率。 因此， 可由下式获得土工复合物的要求 传导率: b,4, 二 k .o a l h s i n 刀 ( 2 - 6 ) 此外 t h i e l 和s t e w a r d ( 1 9 9 3 ) 用单元梯度法来计算经过顶层土进入排水层 的最大透水量。 z h a o和 r i c h a r d s o n ( 2 0 0 0 ) 则用该法来设计土工复合物排水系 统。 2 . 3 填埋场的浸润线传统解法 2 . 3 . 1 计算模型及边界条件 若忽略地下水系统对填埋场渗滤液产生的影响， 填埋场内的绝大部分渗滤液 中水来源于外来雨水的入渗。 如果卫生填埋场的侧壁不是渗透系数比较大的土体 或分化严重有较多较大的节理与裂缝的岩石， 总的来说， 外来雨水在垃圾体中的 入渗方向开始是竖直方向的。 m ama ) 图2 .6 浸润线自由 面曲线图2 .7 简化浸润线自由 面计算模型 城市固体垃圾卫生填埋场内渗滤液收集系统以及渗滤液自由面曲线可以简 化成如图2 . 6 所示的简化模型形式。 当 填埋场底部的渗滤液收集系统工作正常时， 填埋场内的浸润线自由面曲 线就如图2 . 6 中曲线所示， 浸润线曲 线是由 若干段 的近似相同的曲线段所组成; 当填埋场底部的渗滤液收集系统失效时， 其填埋场 内的 浸润线自由 面曲 线就呈曲 线形式。 为了建立计算填埋场渗滤液浸润线自由 面计算模型， 为方便求解起见可作如 id 沂尝 大 学 不 叮士 翅 比位 士 仑文 下假定: 1 、填埋场垃圾体体为渗透系