（岩土工程专业论文）垃圾填埋场导排层渗滤液水位研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 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。垃圾填埋场内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 导排系统最大水位高度，设计良好的导排层，预测运行过程中导排层水位变化具 有重要的现实意义。 本文在柯瀚等( 2 0 0 5 ) 提出的计算成层介质中排水系统最大渗滤液水头的计 算方法的基础上，提出在一般条件下分析折线型排水系统的渗滤液水头的方法， 并对该方法的准确性进行了验证。通过参数分析，提出了对这类排水系统设计的 一般性原则。之后在扩展的d u p u i t 假定基础上又推导了单层导排系统瞬态水位 变化关系式，并通过参数分析提出一系列单层导排系统设计建议。最后根据前人 对导排层淤堵的研究推导了导排层渗透系数随运行时间变化的关系，结合前文水 位瞬态变化公式模拟了导排层淤堵状况下的水位变化情况。 本文研究结果表明：复合排水材料对减少最大水位深度有着重要的意义。对 于折线型排水系统，如果在上游布置复合排水材料，可以减少上游的最大水位深 度，但基本上不影响下游的最大水位深度( 除非下游坡很短) 。如果在下游布置 复合排水材料，则可以大大减少下游的最大水位深度，在上、下游坡交界点水位 深度较大的情况下，还能减少上游坡的最大水位深度。对单层排水系统来说，最 大水位高度和最大排水距离成正比；适当增加排水系统的坡度可以非常有效地控 制水位深度；渗透系数减小到一定程度后，即使再发生很少的减小也会导致水位 的大量增加。淤堵对导排层水位增长影响很大，如果不进行封场，可以导致水位 在淤堵一段时间后，远超出导排层水位高度，因此建议应对填埋场进行适时封场， 或对填埋场进行人为降水。 关键词：垃圾填埋场，渗滤液导排系统，导排层坡度，最大水位高度，导排层渗 透系数，导排层淤堵，h e l p 模型 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g 谢t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n du r b a n i z a t i o n ，t h ef e n e r a t i o no f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) i n c r e a s e dd r a s t i c a l l yi nc h i n a a sac o n s e q u e n c e ，l a n d d i s p o s a lo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t eb e c o m e sa l le v e nm o r ec o m m o np r a c t i c e l e a c h a t e w a s t el e v e li nt h el a n d f i l l sa t eg e n e r a l l yh i g h ，g i v i n gr i s et os e r i o u ss l o p es t a b i l i t ya n d c o n t a m i n a t i o np r o b l e m s t h e r e f o r e ，i ti so fp r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et o s t u d yt h es a t u r a t e dd e p t ho v e rl a n d f i l ll i n e r b a s e do nt h er e s u l t so fk e h a ne t a 1 ，( 2 0 0 5 ) ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dac o m p u t a t i o n a l s o l u t i o nt oc a l c u l a t et h em a x i m u ml i q u i dd e p t hf o rt h ed r a i n a g es y s t e m sc o m p r i s i n g t w od i f f e r e n ts l o p e s b yc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t sc a l c u l a t e df r o mo t h e rm e t h o d s ， t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e rw a ss h o w nt ob er a t i o n a la n da c c u r a t e t h e nb a s e d o ne x t e n d e dd u p u i ta s s u m p t i o n ，t h i sp a p e r p r e s e n t e dam o r ed e t a i ld e s c r i p t i o no ft h e t i m ev a r i a t i o no ft h el i q u i dd e p t ho v e rl a n d f i l ll i n e r f i n a l l y , af o r m u l aw a sp r e s e n t e d t od e s c r i b et h et i m ev a r i a t i o no ft h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y b yc o m p a r i s o nw i t ht h e r e s u l t st e s t e db yr o w ee t a 1 ( 2 0 0 4 ) ，t h ef o r m u l ap r e s e n t e di nt h i sp a p e rw a ss h o w nt o b er a t i o n a l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s b ym e a n so fp a r a m e t r i ca n a l y s i s ，i ti s f o u n dt h a ti nm o s tc a s e st h em a x i m u m d e p t ho ft h ed o w n s t r e a ms e c t i o ni sd e t e r m i n e d b yt h et o t a lh o r i z o n t a ll e n g t ho ft h et w os e c t i o n s ，s l o p eo ft h ed o w n s t r e a ma n dt h e i n f l o wr a t e t h el i q u i dd e p t ha tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h et w os e c t i o n ss h o u l db e t a k e ni n t oa c c o u n tw h e nc a l c u l a t i n gt h em a x i m u md e p t ho ft h eu p s t r e a m t h e a p p l i c a t i o no ft h eg e o c o m p o s i t ec a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h em a x i m u ml i q u i dd e p t ho f t h ed r a i n a g es y s t e m s t oas i n g l el a y e rd r a i n a g es y s t e m ，t h em a x i m u ml i q u i dd e p t hi s p r o p o r t i o n a lt ot h em a x i m u md i s t a n c eo ff l o w , t h ei n c r e a s eo f t h ed i m e n s i o n l e s ss l o p e o ft h ed r a i n a g el a y e rc o u l dd e c r e a s et h em a x i m u ml i q u i dd e p t he f f e c t i v e l y , a n da h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yl a r g e rt h a n0 0 1 c m ss h o u l db es p e c i f i e dt op r e v e n tt h e s a t u r a t i o no ft h er u b b i s h t h ed e c r e a s eo fh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yg o i n gw i t hc l o g g i n g h a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h el i q u i dd e p t ho ft h ed r a i n a g es y s t e m s i t si m p o r t a n tt o p u m pt h el i q u i da n dc o l s et h el a n d f i l lt i m e l y k e yw o r d s ：l a n d f i l l ，d r a i n a g es y s t e m ，s l o p e ，m a x i m u ml i q u i dd e p t h ， h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo ft h ed r a i n a g el a y e r , c l o g g i n go fd r a i n a g es y s t e m ， h e l pm o d e l i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解进姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期： 年月日 浙江大学硕士学位论文 致谢 六年的求是园求学生涯匆匆过去，蓦然回首，倍觉难忘。 导师柯瀚副教授敏锐的洞察力和开阔的想象力，使我在他身边收获良多。柯 瀚副教授既平易近人又对学生要求严格，即使是身在国外，也经常通过电话邮件 的方式检查学生的研究进展，帮助解答疑难问题，并对进一步的工作给予明确的 指导。作为导师，他不仅关心我学业上的进步，更在每次的闲暇交谈中给我人生 规划的点拨和指导，让我受益匪浅。硕士研究生学习期间，有幸得到老师的谆谆 教诲，学生将铭记于心，在即将毕业之际，向老师表示最真诚的感谢和最崇高的 敬意。 感谢导师陈云敏教授，感谢他在百忙中抽出时间对我的学习和工作进行指 导，同时亦对陈老师严谨踏实的治学作风、开阔敏锐的思维观察力以及渊博的学 识、丰富的实践经验表示崇高的敬意。 此外要特别感谢陈仁朋教授。硕士研究生学习期间，有幸得到小陈老师的指 导参与工程实践，得到大量锻炼和提高的机会。小陈老师严谨细致的作风、对工 程高度负责的责任感深深感染了我。借此机会向小陈老师表示衷心的感谢。 课题组的唐晓武教授、凌道盛教授、詹良通教授、黄博副教授、边学成副教 授、朱斌副教授、孔令刚博士、周燕国博士在我的学习和生活中给予了大量的帮 助，在此向他们表示感谢。 感谢李振择师兄、魏海云师兄、林伟岸师兄、贾官伟师兄在计算分析和论文 写作中给予的指导和帮助。感谢应丰师兄、米君楠师姐、张钧师兄、赵宇师兄、 陈若曦师兄、王进学师兄、童军师兄、胡琦师兄、刘骏龙师弟、王耀商师弟、沈 磊师弟、顾高莉师弟、高杨师妹给予的支持和帮助。感谢课题组其他同学给予的 关心和照顾。同时还要感谢我的室友何佳、董诗忆、李莉、孔德娟给予生活上的 照顾。 送一份特别的感谢给我的父母和弟弟。论文写作期间，他们经常打电话来鼓 励我，让我非常感动。在此向他们表示深深的感谢。 最后，我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位教授、老师，感谢你们 在百忙之中给予的指导! 万晓丽 2 0 0 8 年1 0 月于浙大求是园 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，简称m s w ) 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垃圾。其主要成分包括厨余物、 废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃片、砖瓦渣土，粪便、废家具及庭院废 物等。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，已成为社会一大公害。目前，普遍认为垃圾处理的三种常用方式中( 焚 烧、堆肥、填埋) ，卫生填埋处置法是最为经济、方便和适合我国国情的处置方 法，它也将是我国今后处置城市垃圾的主要方法。 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。其中有一点就是要阻断渗滤液的无序外 泄，通过适当的方式将渗滤液控制在一定范围，并有序的收集处理。 图1 1 表示渗滤液在填埋场的形成和运移过程。影响渗滤液的因素错综复杂， 归纳起来主要有以下几个方面：水分供给状况( 降水、地表入渗、地下水、垃圾 水) 、填埋场表面状况( 蒸发量、地表径流) 、垃圾性质( 物理特性、化学特性) 、 填埋场底部情况( 导排系统、衬垫设置情况) 、填埋场操作运行方式( 垃圾层分 层、压实程度、渗滤液回灌方式) 等。以上各种因素是通过对填埋场中水份运移 的影响来实现对填埋场渗滤液量的影响。天然降水( 雨、雪) 是渗滤液的主要来 源，降雨量的大小直接影响着渗滤液量的多少。降水的一部分形成地表径流，另 一部分则下渗。下渗的部分液体会通过封顶系统的侧向导排层流出，另一部分会 透过阻隔层进入垃圾层。地下水也可能侵入垃圾层，与入渗的地表水、垃圾自身 降解压缩产生的水一起形成渗滤液。渗滤液下渗到填埋场底部的导排系统，会沿 排水层汇集到渗滤液收集管，然后流入渗滤液收集池。除以上渗滤液的来源以外， 土壤和垃圾的蒸发以及植物的蒸腾作用会造成填埋场的水份损失，减少渗滤液的 产量。 浙江大学硕士学位论文 1 l广植被 径流 羔烹l 业上 j | l 二：鳖 竖向渗入层 顶层土 i 入渗i i 磊五百= 竺! 兰查竺 砂土 一，l j i u j * h ：i - ：- i x - = - = _ 百再 插白2 阻隔层 粘土 渗入 牟 地k ； t 垃圾 侧向排液层 侧向渗流网络 砂土 t 十 垃 圾 层 上渗排 i 滤放 液系 收统 j l 集 a 渗 漏系 检统 上测 图1 1水力学分析填埋场断面 可以看出填埋场的每一个组成部分都会影响渗滤液的形成及运移，而渗滤液 的产量和运移也会影响填埋场的安全，是填埋场设计和运行中备受关注的问题。 当渗填埋场内滤液水位过高，可能引发一系列的环境和稳定问题。 与渗滤液有关的环境问题主要是渗滤液渗漏及污染物扩散对填埋场周边地 表水和地l i 水的沔染，这是补琬上作者十夯关- u 的l 、口j 题。疹滤坡十台自机污染物 ( 氨氮、挥发酚等) 和无机污染物( 汞、铅、铬等重金属) ，如果填埋场底部及周边 衬垫系统存在缺陷，上述污染物很容易渗漏到填埋场周边的水体和土体中，即使 是完好的衬垫系统，上述污染物( 特别是有机污染物) 也可能缓慢扩散出去( e d i e t a 1 ，2 0 0 3o 渗滤液水位过高会加剧污染物的渗漏和扩散。研究表明，如水位过高 使很大一部分垃圾处于饱和状态，将抑制垃圾降解，减缓填埋场稳定化进程( b a e t z a n db y e r ，1 9 8 9 ；m c e n r o e 1 9 9 3 ；t o w n s e n de ta 1 ，1 9 9 6 ) ，而衬垫系统( 指含土工 膜的衬垫) 的使用寿命有限，若其老化后填埋场仍未达到稳定化，则对周边环境 的污染将加剧。另外，b a r o n e ( 2 0 0 0 ) 在进行了大量调查后发现，填埋场内渗滤液 差 第一章 绪论 水位过高还导致衬垫处温度升高，如图1 2 所示。而对膜使用寿命的研究表明， 在温度低于1 5 c 时土工膜的使用寿命约为2 0 0 年，当温度为3 3 。c 时其寿命即缩 短至约7 0 年，因此过高的渗滤液水位将大大减少土工膜的使用寿命。若填埋场 底部衬垫层上的渗滤液水头过高，则衬垫击穿时间( 污染物透过衬垫达到一定浓 度的临界时间) 将大大缩短，从而使透过衬垫的渗漏量大大增加。 p 、 蜊 赡 赣 谴 赛 剿 垮 填埋场底鄢水头高度ii l l l 图1 2 填埋场底部温度随水头增大而升高( 据b a r o n ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 当填埋场底部渗滤液水位过高时，一部分渗滤液将不再通过导排系统排出填 埋场，而是沿垃圾堆体侧面覆盖层薄弱处发生侧向渗漏。侧向渗漏除严重污染周 边环境外，还常常造成库区泥泞、恶臭，使场区卫生条件恶化，给填埋作业带来 不便。据美国环保局的统计，美国己有的7 5 0 0 个垃圾填埋场，7 5 对周边土体 或水体造成了明显的污染( 张澄博，1 9 9 9 ) 。国内填埋场渗滤液污染地下水或地表 水的情况更为严重。 稳定问题主要是填埋场内水压力过高会引发的各种形式的填埋边坡失稳，这 是环境岩土工程研究的重要课题。填埋堆体是一个体积庞大的土工构筑物，国内 填埋场的最大填埋高度已达1 0 0 多米，填埋边坡失稳会引起垃圾和渗滤液大量泄 漏，严重污染周围环境，甚至引起人员死亡，因此其后果是灾难性的。如1 9 9 7 年美国一填埋场因渗滤液回灌导致水位过高而失稳，1 2 0 x 1 0 4 m 3 垃圾携带渗滤液 在短短2 0 分钟之内冲出1 5 k m ( k o e r n e ra n ds o o n g ，2 0 0 0 ) ，造成严重的环境问题； 2 0 0 0 年7 月1 0 日，菲律宾首都马尼拉附近的一座大型垃圾填埋场发生堆体失稳， 造成至少2 1 8 人被活埋、1 0 0 余人失踪的惨剧。2 0 0 2 年6 月1 4 日，重庆沙坪坝 凉枫垃圾填埋场也因暴雨而滑坡，4 0 万立方米的垃圾呼啸而下，将山坳碎石厂 的三层宿舍楼吞没，死亡1 0 人。若在城市近郊区发生类似的填埋场失稳事故， 其污染程度和治理难度更是难以想象。保证填埋边坡的稳定性非常重要。 填埋场内的渗滤液水位对于填埋边坡的稳定性至关重要，随着填埋体内渗滤 浙江大学硕士学位论文 液水位升高，孔隙水压力增大导致垃圾( 或场底土体、或衬垫界面) 的抗剪强度降 低，因此，若填埋体内水位过高，则可能导致边坡失稳。k o e m e r 和s o o n 9 2 0 0 0 年对欧洲和北美洲1 0 个发生失稳的填埋场进行了分析，发现其失稳破坏原因都 与填埋场内的渗滤液有关，如表1 1 所示。 表1 1k o e m e r 和s o o n g 调查的1 0 个失稳填埋场及其失稳原因 注：表中“l ”表示底部有衬垫系统的填埋场；“u ”表示底部无衬垫系统的填埋场。“旋转 破坏”指从填埋场内部以近似圆弧方式滑动破坏；“滑移破坏”指沿填埋场底部衬垫层间的界 面或软弱层平移滑动破坏。 由于填埋场内渗滤液水位过高会引发一系列环境和稳定问题，因此，设计良 好的渗滤液导排系统，做好渗滤液的有序排导，对渗滤液水头进行定期的估测和 监测，采取一些手段将其控制在一定范围有非常重要的意义。 圜外堂翌l 的晦些沛黾曲 么赫；4 ；+ 拥圜12 醑景烙t - - i i 、p p 名矧管罾千碾石 h l 、工一v 夕 - 一 一 ， 卵石等粗颗粒收集层中；粗颗粒外包裹的土工布，称为“分离层”；在土工布外 设置细颗粒排水过滤层( g i r o u de ta 1 ，2 0 0 0 ) 。导排系统可以分为锯齿型导排系统 和折线型导排系统( 如图1 4 所示) ，一般情况，在地面较平坦的地方主要使用 锯齿型导排系统，在填埋场边缘或地势变化较剧烈的地方会使用折线型导排系 统。在实际的填埋场设计中，许多情况下存在着折线型导排系统，在封顶系统和 底部渗滤液收集系统中都是存在的。 实际工程中发现导排系统被一些沉淀物充填，造成孔隙体积减小甚至堵塞， 从而无法实现预期的导排功能。导排系统淤堵将直接导致填埋场内渗滤液水位升 第一章绪论 图1 3 填埋场渗滤波导排系统示意图 ( a ) 锯齿型排水系统 一蝴i , i , 1 1 1 i , i - 蝴 ( b ) 折线型排水系统 图1 , 4 锯齿型和折线型排水系统 高，使底部衬垫层上的水头远远大于设计值3 0 c m 。我国上世纪8 0 年代末9 0 年 代初建设的第一批填埋场由于设计相对落后、施工不规范，导致运行过程中填埋 场内普遍出现了较高的渗滤液水头，因此，针对导排系统淤堵机理，研究渗滤液 导排系统淤堵规律及淤堵对水位的影响，对填埋场的运行管理具有重要的现实意 义。 1 2 填埋场导排层水位计算研究现状 1 2 1单层稳态水位计算方法 通常，在填埋场设计中，从上游界面至渗滤液收集管的渗滤液流经距离、衬 惭m 三) 一毯 擎jii|- 趣鼍 浙江大学硕士学位论文 垫的坡度是容易确定的，排水层的初始渗透系数是可以人为控制的，对于一个特 定的填埋工程来说，它们是常数。但是，排水层的入流量是变化的，渗滤液排水 层的水流条件处于一种不稳定状态，导致底部衬垫上的渗滤液水头计算非常复 杂。为了简化计算，又能获得可靠的结果，排水层的渗滤液可以假定处于稳定的 流动状态。这样，入流量为常数，并假定与最大流量相等，衬垫上的最大饱和深 度可以根据最大入流量求得。如果在以上最不利条件下衬垫上的最大饱和深度仍 然满足要求，则在其他条件下衬垫上的水头也应该满足要求。 基于以上原则，到目前为止，对于填埋场单一渗透介质的导排系统内渗滤液 水位计算的研究已有很多。m o o r e l 9 8 0 年和1 9 8 3 年在美国e p a 的文件中给出了 计算衬垫层上渗滤液水头最大值的计算公式。m c e n r o e ( 1 9 8 9 ，1 9 9 3 ) 和g i r 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。m c e n r o e ( 1 9 8 9 ) 1 拘计算 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 ) 9 2 0 是在扩展d u p u i t 假定的基础上推导的解析解。其中m c e n r o e ( 1 9 9 3 ) 提出的方法被认为是目前渗滤 液最大饱和深度计算的最好方法。 m o o r e 8 0 法 估算倾斜衬垫上最大饱和深度的一个明确公式是在美国联邦环保局 ( u s e p a ，1 9 8 0 ；u s e p a ，1 9 8 9 ) 的几份技术指南中发现的。公式如下： y m x = 三( r k ) “2 ( j | s 2 r ) + 1 - ( k s r ) ( s 2 + r k ) 2 】 ( 1 1 ) 式中：填埋场衬垫上的最大饱和深度； 三最大水平排水距离； ，单位面积上竖直流入排水层的入流量； 七渗滤液排水层的饱和渗透系数； s 填埋场衬垫的坡度。 该公式由m o o r e 于1 9 8 0 年提出，但没有提及任何推导过程或公式来源的解 释及限制条件。 m o o r e 8 3 法 m o o r e 于1 9 8 3 年提出了另外一个估算倾斜坡度衬垫上最大饱和深度的公式 ( u s e p a ，1 9 8 3 ) 。该公式表达如下： = 三 ( r l k + t a n 2 口) “2 - t a n a 】 ( 1 2 ) 第一章绪论 式中：填埋场衬垫上的最大饱和深度； 上最大水平排水距离； ，单位面积上竖直流入排水层的入流量； 后渗滤液排水层的饱和渗透系数； a 坡角； 该公式比m o o r e 8 0 简单。但在1 9 8 3 年的文章中也没有提及推导过程及其来 源的解释和限制条件。 s s 模型 d e m e t r a c o p o u l o s 和k o r f i a t i s ( 1 9 8 4 ) 以进出导排层的液体体积平衡对有坡度 的导排层建立了稳态的水位计算模型( s t e a d ys t a t em o d e l ，s s 模型) 。该模型控 制方程表达如下： k d ，、- h d ，h h s i n a ) + r ：o ( i 3 ) d s 、d s 边界条件为： j ：0 时塑：s i n 口 ( 1 4 a ) 出 j=时h= ( 1 4 b ) 图1 5s s 模型参数示意图 式中：厅填埋场衬垫上的最大饱和深度； s 以最上游为端点沿衬垫方向的长度； 浙江大学硕士学位论文 尺竖直流入排水层的入流量； 七渗滤液排水层的饱和渗透系数； a 坡角； 排水管处水位； _ 讨垫长度； m c e n r o e 8 9 法 如图1 6 表示一典型的渗滤液排水系统。如果排水系统正常工作，集水槽中 的液面将低于衬垫顶面，且对衬垫上的饱和深度自由面没有影响。这是自由排水 条件。在稳定渗流及自由排水条件下，下游边界的水力梯度假定等于一l ( h a r r ， 1 9 6 2 ) 。 图1 6m c e n r o e 法假定的水力状况简图 在上述假定基础上，可推导出一个不同的公式以计算衬垫上任何部位的渗滤 液水头，公式如下： k y ( a y 出一s ) + ，x = 0( 1 5 ) 其中：k 为排水层渗透系数；s 为排水系统底部衬垫坡度；r 为水平单位面 积上竖直流入排水层的入流量；y 为衬垫上饱和深度，竖直量测；x 为至上游边 界的水平距离。 将变量定义为无量纲量，即令：五= x l ，弘= y l ，尼= r k ，根据这些 无量纲量，上述公式可以变为： 第一章绪论 弘( 咖毗一s ) + 兄五= 0 ( 1 6 ) 无量纲的公式表明最大渗滤液水头是两个参数的函数，这两个参数是底部衬 垫的坡度s ，以及无量纲的流量。同时，m c e n r o e ( 1 9 8 9 ) 证明将下游边界水力 梯度加倍或减半，只引起渗滤液最大水头不到1 o 的变化。 m c e n r o e 9 3 法 m c e n r o e 于1 9 9 3 年提出用于计算倾斜坡底衬垫上最大饱和深度的另一组公 式，这些公式的推导建立在d u p u i t 排出公式的扩展形式基础上。而m c e n r o e1 9 8 9 法是建立在标准d u p u i t 假定基础上的。自由地下水流的标准d u p u i t 公式假定流 线是水平的、等势线是垂直的，即意味着水力梯度等于地下水位的坡度，且不随 深度变化。标准的d u p u i t 假定通常可满足坡度小于大约1 0 的情况。对于更陡 的坡，使用扩展的d u p u i t 假定可能更加符合实际。扩展的d u p u i t 假定认为流线 平行于衬垫，等势线则垂直于衬垫。由此m c e n r o e ( 1 9 9 3 ) 提出的渗滤液最大饱和 水头的控制方程： 七少( 譬一t a n a ) c o s 2 a + r x = 0 ( 1 7 ) 其中：k 为排水层渗透系数；y 是任意位置的水位深度( 竖直方向) ；0 【为排水 系统底部倾角；r 为水平单位面积上竖直流入排水层的入流量；x 为至上游边界 的水平距离。 该方程是一维稳态的b o u s s i n e s q 公式。 该方程的解析解为： 如果r 1 4 ： d 腓= l s ( r 一船+ r 2 s 2 ) “2 唧【扣1 ( 等) 一扣1 ( 字) 】 m 8 c ) 其中： 浙江大学硕士学位论文 r = r ( k s i n 2 a ) f 1 9 a 1 彳= ( 1 4 r ) 1 佗 ( 1 9 b ) b = ( 4 r 一1 ) 1 他 ( 1 9 c ) 以上几种方法相比，当r 1 时m o o r e 8 0 法明显高估最大饱和深度，但r 在 1 到1 0 之间时，对于坡度为2 的衬垫，m o o r e 8 0 法和m c e n r o e 9 3 法结果非常 接近。相反，m o o r e 8 3 法比m c e n r o e 9 3 法低估了最大饱和深度，这两种方法结 果的差异随r 值的减小而增大。s s 模型与m c e n r o e 8 9 法、m c e n r o e 9 3 法一样都 是建立在进出水量平衡的基础上，控制方程基本相同，区别在于下游出水条件不 同。s s 模型认为下游出流处水位高度恒定的假定显然没有m c e n r o e 8 9 法和 m c e n r o e 9 3 法使用定水力梯度的假定合理。由于m c e n r o e 8 9 法建立在标准的 d u p u i t 假定基础上，对于衬垫坡度大于1 0 的情况，将低估最大饱和深度 ( m c e n r o e ，1 9 9 3 ) 。从理论上讲，m c e n r o e 9 3 法是估算填埋场衬垫上最大饱和 深度的最好方法。 1 2 2 单层非稳态水位计算方法 q s s 模型 为了弥补稳态模型不能模拟随时间变化的水位高度，不能量化渗滤液收集系 统功效的状况，d e m e t r a c o p o u l s 等人( 19 8 4 ) 建立了q s s ( q u a s i s t e a d ys t a t em o d e l ) 模型。该模型建立在w o n g ( 1 9 7 7 ) 的稳态分析基础上。该稳态分析假设渗滤液 在排水层中流动时呈平板状，同时会从饱和的垫层底部渗漏( 如图1 7 ) 。 图1 7q q s 模型假定的水力状况简图 在假定浸润线始终与衬垫平行，且衬垫上的饱和的部分瞬时就可以形成的基 第一章绪论 础上，w o n g ( 1 9 7 7 ) 推导了以下公式来计算衬垫上水头h 和饱和部分的长度s 。 曼：l 一三 ( 1 1 0 ) & 老= ( 1 + 志) e x p ( - k _ t ) 丽d 当o t t l 到- ( 1 1 1 ) 其中s 为t 时刻饱和部分的长度，s o 和1 1 0 分别为初始饱和部分的长度和厚 度，饱和部分全部排出所需的时间f ，= s o n e k d s i n # ，后= ( s o d ) ( k , k 。) e o t # ，n e 为有 效排水孔隙比，t 为衬垫的渗透系数，b 为导排层的渗透系数，d 为衬垫厚度。 在此基础上w o n g 给出了单位宽度t 时刻的排水量v d 和渗漏量v i 如下： = 昙 e x p ( 一等 一 ( + 丢 + 罢詈) c 1 1 2 ， 巧= 去 e x p ( 一等 一+ 七 ( t + 丢 c t 3 ， 其中= & 为初始衬垫上渗滤液量。 式( 1 1 2 ) 和( 1 1 3 ) w 以用来计算任意小于t l 和t 2 时刻时候的排水量，其中t 2 时刻表示渗滤液水头降低到为零的时刻( ：互l n ( 1 + 且旦业) ) 。 式( 1 1 2 ) 和( 1 1 3 ) 是在导排层坡度较小c o s ( p 近似等于1 的情况下的结果。k i t l e r 等( 1 9 8 1 ) 通过对式( 1 1 0 ) 和( 1 1 1 ) g o 求解，导出了渗漏量的完整表达式如下： 巧= k ( + 丢 妻 e x p ( 一等 ( 一七+ 等+ t + t 七一， c ，4 ， 在已知每个微小时间单位内渗入导排层的量的情况下，在每个时间单元初 q s s 模型使用该时刻的参数结合式( 1 1 2 ) 和( 1 1 4 ) 计算该时间单元的渗滤液排出 量和渗漏量。然后在把衬垫上剩余的渗滤液量和该时间单元内从上面下渗的渗滤 液量相加，作为下个时间单元初的总渗滤液量。之后结合式( 1 1 1 ) 计算出新的渗 滤液水头，再次使用式( 1 1 2 ) 和( 1 1 4 ) 计算出新的时间单元的渗滤液排出量和渗漏 量。如此反复，就可以求出每个时刻衬垫上水头高度和渗滤液的排量、渗漏量。 t s 模型 k o r f i a t i s 和d e m e t r a c o p o u l s ( 1 9 8 6 ) 通过建立进出水量平衡关系式提出了一 种更好的渗滤液水位计算方法。该方法是一种瞬态计算方法，可以计算出每个时 刻的渗滤液水位高度、排水量和渗漏量，其水力模型示意图如前文图1 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 计算控制方程为： 初始条件为： 边界条件为： s = 0 时， s = s o 时， 屯孙芸嘲叫) + ，一向一百o h 0 h _ 2s i n 妒 岱 a h ， _ = ) 出 o s ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 a ) ( 1 1 7 b ) 其中，七，为衬垫的渗透系数，l 为导排层的渗透系数，h 为水头高度，h o 为 初始水位高度，妒为导排层坡度，s 为导排层长度，d 为衬垫厚度，m 为上部下 渗的渗滤液量， e 为排水层有效空隙率，厶为排水端水力梯度。排水端水力梯 度是根据上游水力梯度和上一步计算的水力梯度差分出来的。 k o r f i a t i se t a 1 ，( 1 9 8 6 ) 对衬垫上水头变化及渗漏情况进行了室内试验模拟，实 验结果和q s s 模型、t s 模型模拟结果相比，t s 模型可以更好的和实验室试验 结果吻合( 如图1 8 所示) 。但是t s 模型建立在标准的d u p u i t 假定基础上，对 于坡度较大的情况可能会估算不准确。而且t s 模型的排水端边界条件需要逐步 迭代，给计算带来麻烦。 排水量 ( m l m ir 1 ) 1 0 01 5 02 0 0 时间( m i n ) 图1 8q q s 模型、t s 模型模拟结果与实验结果对比图 与稳态计算模型相比，非稳态计算模型不仅可以计算出最大饱和水位，还可 历 加 坫 加 5 o 第一章绪论 以计算出不同时刻的水位高度和排水量。与此同时，非稳态模型因为可以计算不 同时刻水头，能够给计算渗漏带来依据，因此可以计算不同时刻渗漏量。相比于 稳态计算模型非稳态计算模型更有利于研究填埋场运行过程中水位变化规律。 1 2 3 多层稳态水位计算方法 在排水良好的情况下，渗滤液一般能够较好的通过排水层排出，不会进入垃 圾层，若排水层采用单一的排水介质，此时渗滤液的最大饱和深度一般可以通过 公认的m c e n r o e9 3 法计算。但是，在现实中，经常会出现渗滤液饱和深度超出 排水层厚度的情况，而且，目前复合排水材料在填埋场工程中得到越来越广泛的 运用，如何计算成层介质中渗滤液最大饱和深度的问题开始被很多学者关注。 g i r o u d ( 2 0 0 0 ) $ j 用叠加原理分析折线型排水系统的最大排水深度。该方法 只能分析各段均为单一介质的情况( 各段之间的排水材料可以不同) 。如果是复 合排水系统，最大饱和深度不能超过底部土工排水网的厚度。如果下游采用复合 排水系统，则下游最大水位深度可按照下式计算( g i r o u d 等，2 0 0 0 ) ： 个，( + k ) 加s i n f l , 加 ( 1 18 ) 其中：乙棚为下游渗滤液最大水位深度；尼。一为下游排水层渗透系数；， 为上游单宽渗滤液下渗量；l i l p 和l d o w n 分别为上、下游坡面水平长度；k 。为下 游坡面倾角。 此外，g i r o u d ( 2 0 0 4 ) 提出使用平均渗透系数的方法来计算有两层排水材料的 排水系统中渗滤液最大饱和深度。其平均渗透系数表达式如下： ：啦掣 1 m 戤 ( 1 1 9 ) 其中：k 为平均渗透系数；毛为第一层( 靠近衬垫层的排水层) 渗透系数；哎 为第二层( 第一层上层的排水层) 渗透系数；互为第一层厚度；乙为渗滤液最大 饱和深度。 由于乙是未知的，需要将计算结果进行反复迭代才能求出最终值。 基于g i r i n s k i i 原理( g i r i n s k i i19 4 6 ；b e a r19 7 2 ) 钱学德等人( 2 0 0 4 ) 提出了采用等 代渗透系数的方法计算成层条件下的渗滤液最高水头。其平均渗透系数表达式如 浙江大学硕士学位论文 卜： = 2 毛石( z 懿一石2 ) + + t z ( z 旧。一( 石+ 互+ + z 2 ) 】+ + 吒( 乙一) ( 乙一( 石+ 互+ + + 生争】 k 2 。 j f 1 2 0 ) 对于两层介质，可以简化为： k ：乞+ ( k l 一乞) 掣 1 一 ( 1 2 1 ) 同样，由于。m “未知，需要迭代。 本课题组在这方面也进行了一些研究。柯瀚- 等( 2 0 0 5 ) 依据标准d u p u i t 假设提 出了稳定状态下成层衬垫上渗滤液最大饱和水头的计算方法。该方法没有采用平 均渗透系数的解法，而是直接使用积分和数值计算的方法求出渗滤液的最大水 头。通过和多种计算方法的对比，证明该方法是合理的。而且，由于该方法受计 算步长影响很小，不需要对最大饱和水头和平均渗透系数进行假设，与其他方法 相比更为准确。 1 2 4 模拟软件 在软件模拟方面，s c h r o e d e - 等( 1 9 8 4 ) 建立的h e l p ( h y d r a u l i ce v a l u a t i o no f l a n d f i l lp e r f o r m a n c e ) 模型是最常用的，发展到现在的版本3 ，可以综合考虑水量 平衡及水分在填埋场中的运动，估算不同气候和场地组合条件下渗滤液产量及衬 垫层上渗滤液水头高度。 该模型为准二维准稳定流模型，准二维是指对于垃圾层和中间覆盖层，模型 只考虑水分的竖向运动，面对排水层则只考虑静水压力下的侧向渗流；准稳定是 指模型用非稳定状态的水流路径公式计算水分的竖向运动，而采用稳定状态的 b o u s s i n e s q 公式计算和d u p u i t - f o r c h h e i m e r ( f o r c h h e i m e r ，1 9 3 0 ) 假定来计算侧向排 水层中的水流。在计算衬垫上水头时考虑了渗滤液向衬垫侵入的状况，首先预估 排水量和渗漏量来计算水头和储水量，然后通过水头、排水量、渗漏量来比较开 始时的预估值是否准确，相差较大时通过再次预估来校正，直到计算出的结果比 较准确。其结果中输出的水头高度实际上是某一入渗量对应的整个排水距离上的 平均水头。 在计算成层介质排水系统中渗滤液水位时其渗透系数的算法也采用了平均 的方法，即： 第一章绪论 t ( ) = e 一 ( 1 2 2 ) 为平均渗透系数；颤( ，) 为第j 层饱和渗透系数；乙为渗滤液总深度； o u j 为第j 层渗滤液深度。 综上所述，目前为止单层排水系统最高水位的研究已经比较成熟， m c e n r o e 9 3 法和h e l p 模型被公认为最好方法。对于多层排水系统最高水位，很 多学者采用了不同方式来估算平均渗透系数以求最高水位，但是由于需要多次迭 代，而且都存在一定的不准确，还有待改进。非稳态模型目前多用于对渗滤液产 量的计算中，对于运用到填埋场中实时计算水位变化鲜有提到。非稳态计算模型 中t s 模型模拟较准确但是对控制方程的求解比较麻烦，q s s 模型计算较简便， 但是模拟效果不是很好。因此，有必要探索一种更简便的模型来模拟水位随时间 的变化情况。另外，以上各种方法基本都是针对锯齿型导排系统的研究，对于折 线型导排系统的研究较少。 1 3 问题的提出及主要研究内容 针对以上研究现状可以进行以下两个方面的研究以便更好的为填埋场导排 层设计和运行监测提供依据。一、研究锯齿型复合排水系统的最高水位估测办法； 二、研究导排层中瞬态水位变化过程，估测到达最高水位时刻。本文将针对以上 两点进行研究。以下是本文的主要内容： ( 1 ) 在总结前人对填埋场内水分运移研究的基础上，寻求导排层上部单位 面积渗滤液产量随降雨量时间空间变化的合适的计算方法，为下文研究填埋场导 排层水位变化提供合理的渗滤液源计算参数； ( 2 ) 在柯瀚等( 2 0 0 5 )