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        不同降雨模式下山谷型垃圾填埋場(chǎng)水分運(yùn)移及其穩(wěn)定性研究

        2012-09-20 06:16:30邱戰(zhàn)洪何春木朱兵見(jiàn)陳合龍
        巖土力學(xué) 2012年10期
        關(guān)鍵詞:填埋場(chǎng)水壓濾液

        邱戰(zhàn)洪,何春木,朱兵見(jiàn),陳合龍

        (臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院,浙江 臺(tái)州 318000)

        1 引 言

        我國(guó)是受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重國(guó)家之一,特別是浙江、福建等東南沿海地區(qū)。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)往往伴隨著強(qiáng)降雨,同時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣往往也會(huì)帶來(lái)暴雨、特大暴雨。山谷型填埋場(chǎng)在我國(guó)南方地區(qū)較為常見(jiàn),降雨后匯水區(qū)域內(nèi)形成地表和地下徑流,向低處的填埋場(chǎng)區(qū)流動(dòng)。因此,強(qiáng)降雨時(shí)大量的雨水可能入滲到垃圾堆體中。

        十多年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明,我國(guó)南方第1批建造的許多山谷型填埋場(chǎng)(如杭州天子嶺、蘇州七子山、重慶長(zhǎng)生橋),由于無(wú)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)或系統(tǒng)失效、缺乏必要的雨污分流措施、截洪溝失效等原因[1]。在降雨入滲作用下,填埋場(chǎng)內(nèi)的水位普遍較高,如杭州市天子嶺第1垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液的水頭高達(dá)40~50 m。Koerner等[2]對(duì)10個(gè)發(fā)生失穩(wěn)的填埋場(chǎng)進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明,填埋體內(nèi)的滲濾液水位過(guò)高是填埋場(chǎng)失穩(wěn)的主要誘因,占70%,并且其中3個(gè)和強(qiáng)降雨有關(guān)。一旦垃圾填埋場(chǎng)發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng),將會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。例如 2000年7月10日,菲律賓首都馬尼拉附近奎松市的一座大型垃圾填埋場(chǎng)失穩(wěn),造成330人被活埋,278余人死亡的慘劇,該場(chǎng)災(zāi)害是由當(dāng)時(shí)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的極端強(qiáng)降雨誘發(fā)[3]。因此,研究強(qiáng)降雨時(shí)垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的雨水入滲規(guī)律及其穩(wěn)定性的變化,對(duì)我國(guó)山谷型垃圾填埋場(chǎng)的安全管理和災(zāi)害防治具有實(shí)際意義。

        2 垃圾土的水力特性

        2.1 垃圾土的土-水特征曲線

        七子山垃圾填埋場(chǎng)位于蘇州市南郊,距蘇州市中心13 km處。填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)容量為470×104m3,設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)年限15 a,于1993年7月開始運(yùn)營(yíng)。目前,填埋場(chǎng)日處理垃圾1 600 t。

        課題組為了考慮垃圾埋深和齡期對(duì)垃圾土持水特性、抗剪強(qiáng)度參數(shù)、孔隙比、含水率及組分等的影響,根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填埋歷史的調(diào)查,按齡期和埋深將填埋場(chǎng)內(nèi)的垃圾土分為淺層、中層和深層垃圾土,對(duì)應(yīng)的填埋齡期分別為 0.0~6.0年,6.0~9.5年和9.5~13.0年,詳見(jiàn)圖1。圖1為填埋場(chǎng)2006年4月份的剖面圖。

        圖1 蘇州市七子山垃圾填埋場(chǎng)的剖面圖Fig.1 Cross-section of Qizhishan landfill in Shuzhou city

        對(duì)于垃圾的持水特性,國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了一定研究[4-6]。結(jié)合工程項(xiàng)目“蘇州市七子山垃圾填埋場(chǎng)擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)土工測(cè)試”,在填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取得不同深度處的垃圾樣,浙江大學(xué)巖土工程研究所利用美國(guó)土壤水分儀器公司的 Cat. No. 1600 壓力板儀對(duì)原狀垃圾土持水特性進(jìn)行了研究,得到垃圾土的土-水特征曲線如圖2[7]。

        2.2 垃圾土的滲透性函數(shù)

        垃圾土的滲透性函數(shù)同時(shí)受到孔隙比和飽和度(或含水率)變化的影響,在非穩(wěn)定滲流過(guò)程中的孔隙比的變化很小,因此,常常將垃圾土的滲透性系數(shù)表達(dá)為飽和度S或體積含水率θw的單一函數(shù)。

        Brooks和Corey在用各類介質(zhì)做了大量脫濕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了Brooks-Corey公式:

        圖2 垃圾土的土-水特征曲線Fig.2 The soil-water characteristic curves of MSW landfill

        式中:Se為有效飽和度;θ、θs和θr分別為體積含水率、飽和含水率和殘余含水率;ψ為基質(zhì)吸力;ψc為殘余含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力;λ為孔隙大小分布指數(shù),為有效飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線的負(fù)斜率。

        利用式(1)、(2),可由土-水特征曲線得到垃圾土的基質(zhì)吸力與有效飽和度關(guān)系。其中,深層垃圾θr=15%,θs=59.32%;中層垃圾θr=11%,θs= 67.74%;淺層垃圾θr=8%,θs=72.00%。

        式(2)可寫作冪函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式如下:

        對(duì)基質(zhì)吸力與有效飽和度之間的關(guān)系進(jìn)行非線性擬合回歸分析,可得深層垃圾ψc=1.46 kPa,λ=0.44;中層垃圾ψc=0.65 kPa,λ=0.40;淺層垃圾ψc=0.66 kPa,λ=0.47。

        最后,根據(jù)Campbell公式[8]可得垃圾土的滲透性函數(shù)如下:

        式中:ks為飽和滲透系數(shù)。

        分別把淺層、中層和深層垃圾土的λ值代入式(4),可繪圖得到垃圾土的滲透關(guān)系曲線如圖3,圖中深層、中層和淺層垃圾的飽和滲透系數(shù)分別為2.75×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2cm/s。

        從圖3可見(jiàn),垃圾土的滲透系數(shù)隨體積含水率的增長(zhǎng)而增大,兩者成冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)垃圾土體積含水率較低時(shí),滲透系數(shù)變化較緩慢;當(dāng)垃圾土體積含水率達(dá)到一定值時(shí),滲透系數(shù)急劇上升。

        3 雨水入滲數(shù)值模型

        3.1 控制方程

        由于降雨邊界條件和滲流場(chǎng)內(nèi)水頭(或孔隙水壓)隨時(shí)間發(fā)生變化,降雨入滲過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)滲流。滲流過(guò)程中假定無(wú)體積變化(即不考慮變形-滲流的耦合作用),同時(shí)假定孔隙氣壓力保持常數(shù)(1個(gè)大氣壓)和滲透性各向異性,根據(jù)連續(xù)性方程和達(dá)西滲流定律,可得瞬態(tài)流分析的控制方程[9]為

        式中:kw為垃圾土的滲透系數(shù),hw= y +uw/γw為滲濾液水頭,γw=ρwg為滲濾液重度,m2w為垃圾土土-水特征曲線上uw對(duì)應(yīng)的土-水特征曲線的斜率,uw為垃圾土的孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)。

        圖3 垃圾土的滲透性關(guān)系曲線Fig.3 Permeability function curves of MSW landfill

        圖4 七子山填埋場(chǎng)有限元模型Fig.4 The finite element model of Qizhishan landfill

        3.2 有限元模型

        模型用結(jié)構(gòu)4節(jié)點(diǎn)單元離散,共有1 683個(gè)節(jié)點(diǎn),1 592個(gè)單元。七子山填埋場(chǎng)的有限元模型見(jiàn)圖4。

        3.3 邊界條件

        由于七子山填埋場(chǎng)底部無(wú)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng),其滲濾液的導(dǎo)出主要靠垃圾壩內(nèi)的排水棱體。由于填埋場(chǎng)內(nèi)的初始滲濾液水頭較高,可見(jiàn)排水棱體的堵塞情況非常嚴(yán)重,因此,可假設(shè)其滲透系數(shù)為 0。在本文計(jì)算中,填埋場(chǎng)底部及垃圾壩和垃圾截面邊界都處理為不透水邊界,填埋場(chǎng)上表面處理為隨降雨入滲時(shí)間變化的流量邊界條件。

        3.4 初始水位

        在“蘇州市七子山垃圾填埋場(chǎng)擴(kuò)建工程土工測(cè)試項(xiàng)目”中,浙江大學(xué)巖土工程研究所對(duì)七子山垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了系列現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作,包括鉆探試驗(yàn)、垃圾取樣、觸探試驗(yàn)和孔隙水壓監(jiān)測(cè)等[10]。通過(guò)5個(gè)鉆孔得到實(shí)測(cè)滲濾液初始水位,見(jiàn)圖1所示虛線。

        3.5 降雨模式

        現(xiàn)有文獻(xiàn)表明,誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的降雨,不但與降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)有關(guān),還明顯受到降雨模式的影響[11-12]。本文擬考慮遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型4種降雨模式對(duì)山谷型垃圾填埋場(chǎng)水分運(yùn)移與填埋場(chǎng)穩(wěn)定的影響。4種典型7 d降雨模式如圖5所示,圖中dj、zx、zq和pj分別表示遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型4種降雨模式。為了便于得到實(shí)際的雨量分布圖,圖中對(duì)4種降雨模式的雨量分布進(jìn)行了無(wú)量綱化,即總降雨量乘以降雨系數(shù)就得到實(shí)際的降雨量分布。

        圖5 四種典型7 d降雨模式Fig.5 Four rainfall patterns of 7 days rainfall

        根據(jù)蘇州市氣象資料,本文選用7 d總降雨量746 mm,重現(xiàn)期為100 a一遇。

        4 填埋場(chǎng)內(nèi)水分遷移規(guī)律

        4.1 孔隙水壓頭(孔隙水壓)變化

        在有限元網(wǎng)格中,516節(jié)點(diǎn)處于填埋場(chǎng)的初始水位線上。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,該節(jié)點(diǎn)處的孔隙水壓(孔隙水壓頭)的變化規(guī)律最為明顯。因此,本文選取516節(jié)點(diǎn)為代表來(lái)反映不同降雨模式下填埋場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓頭或孔隙水壓變化規(guī)律。516節(jié)點(diǎn)處孔隙水壓和孔隙水壓頭的變化規(guī)律詳見(jiàn)圖 6(a)和圖6(b)所示。

        從圖中可見(jiàn),不同降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)中的孔隙水壓頭(孔隙水壓)變化規(guī)律影響顯著。其中,遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型降雨模式的最終孔隙水壓頭分別為 4.90、4.32、3.22 m和3.32 m,最大差值為1.68 m。遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型降雨模式的最終孔隙水壓力分別為 48.1、42.4、31.6、32.5 kPa,最大差值為16.5 kPa。

        圖6 516節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線Fig.6 Curves of water pressure at No.516 node

        4.2 滲濾液水位的變化

        圖7給出了7 d強(qiáng)降雨后,4種降雨模式下七子山填埋場(chǎng)的滲濾液水位線。從圖中可見(jiàn),降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液水位有明顯影響,遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位最高,增強(qiáng)型降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位最低,平均型和增強(qiáng)型降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位較為接近。需要指出的是,與山谷型填埋場(chǎng)的輪廓尺度相比,不同降雨模式下填埋場(chǎng)的最終滲濾液水位線之間的差距不大,但可能會(huì)對(duì)填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

        圖7 4種降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位線Fig.7 Water table of leachate in landfill subjected to four rainfall patterns

        5 填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析

        本文利用極限平衡法分析了4種降雨模式下七子山填埋場(chǎng)穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律,分析結(jié)果見(jiàn)圖 8。其中,本文采用的垃圾抗剪強(qiáng)度參數(shù)[10]如表1。

        圖8 安全系數(shù)Fs的變化曲線Fig.8 Curves of safety factor Fs

        表1 七子山填埋場(chǎng)穩(wěn)定分析的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值Table 1 Shear strength parameters of Qizhishan landfill

        從圖8可見(jiàn),填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間的增加不斷減低,降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律有顯著的影響。其中,遞減型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第1~2 d下降最為顯著;中心型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第4 d下降最為明顯;平均型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第1~3 d變化較快,在第4~7 d變化較為平緩;增強(qiáng)型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第6~7 d下降最為快速;并且遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)的最終穩(wěn)定系數(shù)最小,為1.016。

        在初始水位作用下,填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)為1.314,具有一定的穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備,而經(jīng)歷7 d強(qiáng)降雨后,4種降雨模式下填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)都下降明顯,填埋場(chǎng)具有嚴(yán)重的失穩(wěn)隱患。

        6 結(jié) 論

        (1)降雨模式對(duì)山谷型垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的水分運(yùn)移規(guī)律有顯著的影響,遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓(孔隙水壓頭)變化最大,為最不利降雨模式。

        (2)填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性隨降雨入滲時(shí)間的增加不斷減低,降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律有顯著的影響,遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)下降最明顯。

        (3)經(jīng)歷7 d的極端強(qiáng)降雨后,七子山填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)水滲濾液水位的上升下降明顯,具有嚴(yán)重的失穩(wěn)隱患,需要采取必要的工程措施。

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