張振營，章凌峰，吳大志，丁正坤，雷珊珊，王櫻峰

(浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018)

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不同配比新鮮生活垃圾滲透特性試驗研究

張振營，章凌峰，吳大志，丁正坤，雷珊珊，王櫻峰

(浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018)

在環(huán)境土工實驗室，采用大型滲透模型槽試驗儀器，對3種配比新鮮生活垃圾進行了室內(nèi)模型槽試驗研究。采用常水頭試驗方法，考慮7種初始密度(0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 g/cm3)，研究了生活垃圾的滲透特性及規(guī)律。試驗結(jié)果表明：新鮮生活垃圾的滲透速率隨飽和度的增大而增大，其關(guān)系可擬合成多項式，擬合系數(shù)大于0.99，建立了多項表達式；滲透速率隨初始密度的增大而減小，其關(guān)系可擬合為直線，擬合系數(shù)大于0.96，建立了直線關(guān)系表達式；滲透系數(shù)與時間的關(guān)系可擬合為指數(shù)模型，擬合系數(shù)為0.8，建立了指數(shù)模型表達式；得到了新鮮生活垃圾滲透系數(shù)的量級范圍，量級范圍在10-3～10-2cm/s之間。研究結(jié)果可為垃圾填埋場的滲流分析提供參考。

土力學(xué)；新鮮生活垃圾；大型滲透模型槽；常水頭試驗方法；滲透特性；指數(shù)模型

0　引　言

垃圾的滲透特性是垃圾填埋場工程性質(zhì)研究的重要基礎(chǔ)[1]。垃圾填埋場中滲濾液的導(dǎo)排、回灌、擴散、穩(wěn)定分析等需要確定垃圾的水力參數(shù)。垃圾的滲透特性可采用現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗進行研究，現(xiàn)場試驗有現(xiàn)場抽水、注水及現(xiàn)場資料推算等方法，室內(nèi)試驗可采用滲透模型槽、滲透柱等試驗方法。Oweis等[2]采用現(xiàn)場注水、抽水試驗方法，得到了垃圾的滲透系數(shù)量級為10-3cm/s。Landva等[3]通過現(xiàn)場注水試驗，得到垃圾滲透系數(shù)為1.0×10-3～3.9×10-2cm/s。Jang等[4]采用常水頭試驗方法對某填埋場的垃圾進行了試驗，得到滲透系數(shù)為2.9×10-4～l.l×10-3cm/s。Shank[5]對美國阿拉楚阿西南填埋場的垃圾，進行常水頭滲透測試，得到垃圾的滲透系數(shù)為9.8×10-4～6.7×10-3cm/s。錢學(xué)德等[6]對降雨量與滲濾液產(chǎn)量關(guān)系進行反算，得出填埋場垃圾滲透系數(shù)為10-3cm/s。由于現(xiàn)場試驗方法存在操作困難、測量差異性大、代價高、耗時長等缺點，因此垃圾滲透特性研究經(jīng)常采用室內(nèi)試驗方法。Korfiatis等[7]采用常水頭滲透試驗裝置，對美國新澤西某填埋場具有半年齡期的垃圾進行了滲透試驗，滲透系數(shù)為3.0×10-3～5.0×10-3cm/s。Powrie等[8]采用常水頭試驗方法研究了50m深度下垃圾的滲透特性，滲透系數(shù)量級為10-5～10-2cm/s。Durmusoglu等[9]采用變水頭試驗方法，得到填埋場垃圾的滲透系數(shù)為4.7×10-4～1.2×10-2cm/s。Reddy等[10]對美國Orchard Hills填埋場垃圾試樣，采用常水頭試驗方法，得到滲透系數(shù)為6.0×10-4～3.0×10-3cm/s。Zhang等[11]對3種不同配比新鮮生活垃圾進行了滲透試驗研究，得到滲透系數(shù)為0.14×10-5～4.82×10-5cm/s。張文杰等[12]通過自制水平滲透模型，采用常水頭試驗方法，得到深層、中層及淺層垃圾滲透系數(shù)分別為3.56×10-4、3.50×10-3和4.81×10-2cm/s。介玉新等[13]對北京某填埋場8個點進行現(xiàn)場采樣，運用自行設(shè)計的滲透裝置進行滲透試驗，得到滲透系數(shù)為2.67×10-7～1.07×10-3cm/s。瞿賢等[14]采用滲透柱進行常水頭試驗，得到垃圾的滲透系數(shù)為1.35×l0-4～1.26×10-3cm/s。劉釗[15]采用改裝三軸儀，對蘇州七子山現(xiàn)場垃圾進行了滲透試驗，得到滲透系數(shù)為1.77×10-6～9.85×10-4cm/s?？洛萚16]采用大直徑三軸滲透試驗裝置，常水頭試驗方法，得到不同降解齡期及不同豎向荷載下垃圾的滲透系數(shù)為8×l0-5～8.5×10-4cm/ s。邱戰(zhàn)洪等[17]采用Campbell公式，推算出蘇州七子山填埋場深層、中層和淺層垃圾的滲透系數(shù)在10-4～10-2cm/s量級。王文芳[18]對不同降解齡期的垃圾進行滲透試驗，得到滲透系數(shù)為8.09×10-6～3.92×10-4cm/s。陳云敏等[19]對蘇州七子山填埋場的垃圾進行了現(xiàn)場抽水試驗，得到滲透系數(shù)為10-4cm/s量級。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，考慮室內(nèi)試驗尺寸效應(yīng)，研制了大型滲透模型槽試驗儀器。在環(huán)境土工實驗室中人工配制生活垃圾，將生活垃圾分為易降解、難降解及不可壓縮固體材料3大類，按國民經(jīng)濟的不發(fā)達、發(fā)展中及發(fā)達3個階段將生活垃圾分類成3種不同配比的試樣，其比例分別為：試樣1的配比成分為50%、15%、35%，試樣2的配比成分為65%、10%、25%，試樣3的配比成分為80%、5%、15%。為了模擬垃圾填埋場的漸近填埋壓縮過程，將垃圾的初始密度控制為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 g/cm3，利用大型滲透模型槽試驗儀器，采用常水頭試驗方法，系統(tǒng)地對城市生活垃圾的滲透特性進行了試驗研究。

1　試驗儀器及試驗材料

1.1試驗儀器

大型滲透模型槽試驗儀器照片見圖1，該儀器由長為1920 mm、寬為500 mm、高為580 mm的滲透模型槽，直徑450 mm、高為500 mm的蓄水箱及進出水管3部分組成。滲透模型槽由水泥磚砌成，內(nèi)側(cè)壁做防水涂層。槽壁厚150 mm，槽內(nèi)設(shè)置6個水位觀測點，用于對比測壓管水位高度變化，該觀測點分別均等布置在長壁上，每個滲透槽的短側(cè)壁與一根水管連通，進出水口內(nèi)側(cè)布置厚約35 mm透水石，滲透模型槽細部見圖2。蓄水箱是不銹鋼制圓筒，外側(cè)壁設(shè)玻璃測壓管與圓筒連通，水箱內(nèi)有控制球閥，蓄水箱均固定在墻壁上，蓄水箱底端至水平地面高度為3960 mm，可控制水位高度為3980～4340 mm，蓄水箱細部見圖3。蓄水箱的底部與進水管的一端連通。進水管的一端與給水管連通，另一端與滲透槽連通，進水端設(shè)有進水閥門。出水管為金屬水管，頂部設(shè)有出水閥門和玻璃測壓管，測壓管底端至水平地面高度為370 mm。

1.滲透槽；2.蓄水箱；3.進水管；4.出水管圖1　大型滲透模型槽試驗儀器照片

1.垃圾試樣；2.濾水石；3.測壓管；4.出水口；5.進水口圖2　滲透模型槽細部

1.測壓管　2.止水球閥　3.出水口　4.泄水管圖3　蓄水箱細部(單位：mm)

1.2試驗材料

模擬國內(nèi)城市經(jīng)濟發(fā)展的不發(fā)達、發(fā)展中及發(fā)達3個階段，將新鮮生活垃圾分為3種不同配比的試樣[20]。新鮮垃圾的組成見表1，新鮮垃圾試樣的成分見圖4。

表1　新鮮垃圾的組成

1.廢紙；2.白菜；3.青菜；4.芹菜；5.蘋果；6.香蕉；7.木；8.紡織品；9.塑料；10.橡膠；11.骨頭12.金屬；13.碎石；14.土；15.陶瓷；16.玻璃圖4　新鮮垃圾試樣的成分

2　試　驗

按CJJ/T 204—2013《生活垃圾土土工試驗技術(shù)規(guī)程》進行試驗。

2.1含水量試驗

對每種配比的新鮮垃圾，取兩組混合后的試樣進行含水量平行實驗，每組質(zhì)量為2 kg，放入65 ℃恒溫烘箱，烘干24 h至恒重，得到3種配比新鮮垃圾試樣，其平均含水量分別為ω1=61.93%、ω2=122.2%、ω3=223.6%。

2.2比重試驗

采用真空抽氣法測定新鮮生活垃圾的比重，取含水量試驗過程中烘干試樣0.5 kg，粉碎試樣尺寸至可通過5 mm篩，按四分法稱取制備后試樣50g左右，放置于500 mL經(jīng)抽氣后的容量瓶中，注入200 mL經(jīng)抽氣后的煤油，使煤油完全浸沒垃圾土。把容量瓶放置于真空干燥器內(nèi)進行真空抽氣，真空度需接近當(dāng)?shù)?個大氣負壓值，保持1h以上，取出容量瓶后進行稱重，得到3種配比生活垃圾的比重分別為GS1=2.10、GS2=2.05、GS3=2.00。

2.3滲透試驗

根據(jù)初始密度0.5 g/cm3及滲透模型槽的尺寸計算出垃圾的質(zhì)量，將混合后的生活垃圾分5層填入模型槽內(nèi)，采用人工壓實的方法，分層堆填并均勻壓實，并保證達到預(yù)設(shè)密度0.5 g/cm3，靜止24 h。試樣準(zhǔn)備完畢后，調(diào)節(jié)蓄水箱水位高度，控制水力梯度i=2.0。試驗每3分鐘控制進、出水口閥門，調(diào)節(jié)進水口流量與出水口流量，測試滲透速率v與飽和度Sr的關(guān)系。滲透速率按式(1)計算，飽和度按式(2)計算：

(1)

其中：Q為滲流出水量；A為試樣的橫截面積；T為滲流的時間。

(2)

其中：ω為試樣的含水量；Gs為垃圾的比重；e為試樣的孔隙比；孔隙比按式(3)計算：

(3)

其中：ρ為試樣的密度；ρw為4 ℃時水的密度。

待試樣完全飽和后，采用常水頭試驗方法，按試驗技術(shù)規(guī)程進行滲透試驗。0.5g/cm3密度試樣試驗結(jié)束后，按上述相同試驗方法，分別對天然密度0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1g/cm3的垃圾試樣進行滲透試驗，對于天然密度ρ=1.1g/cm3的垃圾試樣進行長期的滲透試驗。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1滲透速率與飽和度的關(guān)系

對3種配比、初始密度為0.5g/cm3的生活垃圾試樣，進行了滲透速率v與飽和度Sr關(guān)系滲透試驗，根據(jù)試驗方法設(shè)定，分別取試樣3分鐘前后的飽和度均值與滲透速率均值，對滲透速率與飽和度進行分析，結(jié)果見圖5。從圖5可看出，隨著新鮮生活垃圾飽和度的增加，滲透速率也在逐漸增加，其關(guān)系可以擬合為多項式形式，見式(4)，擬合系數(shù)均超過0.99。從圖5還可看出，雖然試驗點有一定的離散性，滲透速率的總體趨勢向上，試樣1滲透速率大于試樣2大于試樣3。圖5表明，飽和新鮮生活垃圾的滲透速率在10-2cm/s量級左右。

(4)

其中： a、b為系數(shù)。擬合多項式的系數(shù)及擬合系數(shù)見表2。

表2　不同配比試樣滲透速率與飽和度擬合多項式的系數(shù)及擬合系數(shù)

圖5　新鮮垃圾滲透速率與飽和度的關(guān)系

3.2滲透速率與初始密度的關(guān)系

滲透速率v與初始密度ρ的關(guān)系曲線見圖6。從圖6可看出，隨著初始密度的增加，新鮮垃圾的滲透速率在減小，其關(guān)系可擬合為直線，擬合系數(shù)均大于0.96，見式(5)：

v=cρ+d

(5)

其中：c、d為系數(shù)。多項式系數(shù)及擬合系數(shù)見表3。從圖6還可看出，新鮮垃圾的配合比對滲透速率有一定的影響，但影響范圍有限，原因可能是垃圾的滲透速率主要與滲流通道有關(guān)，即主要與垃圾的孔隙比或初始密度有關(guān)，無論是有機物還是無機物，只要滲流通道的斷面一樣，則滲透速率基本相同，所以對于新鮮垃圾，其配合比影響不大，但隨著時間增加，垃圾中的有機物隨著時間而發(fā)生降解，則其孔隙比會相應(yīng)發(fā)生變化，有可能垃圾的滲透速率也會發(fā)生變化。圖6表明，對于初始密度大于0.9g/cm3的新鮮生活垃圾，滲透速率在10-3cm/s量級，小于0.9g/cm3的新鮮生活垃圾，滲透速率在10-2cm/s。

圖6　新鮮生活垃圾滲透速率與初始密度的關(guān)系

不同配比試樣123系數(shù)c-34.64-29.27-32.55系數(shù)d44.5540.2441.54擬合系數(shù)R20.97530.98190.9640

3.3滲透系數(shù)與相關(guān)試驗結(jié)果比較

假設(shè)上述3種配比滲透試驗符合達西滲透定律[21]，滲透系數(shù)按式(6)計算：

k=v/i

(6)

其中：i為水力梯度。則滲透系數(shù)k與密度ρ的關(guān)系見圖7。從圖7可以看出，3種配比新鮮生活垃圾試樣均有同樣的規(guī)律，即隨著初始密度的增加，其滲透系數(shù)逐漸減小，其關(guān)系可擬合為一條直線，擬合系數(shù)均大于0.96，見式(7)：

k=hρ+n

(7)

其中：h、n為系數(shù)。直線方程的系數(shù)及擬合系數(shù)見表4。

圖7　新鮮生活垃圾滲透系數(shù)與初始密度的關(guān)系

不同配比試樣123系數(shù)h-18.7-15.8-17.5系數(shù)n22.720.521.1擬合系數(shù)R20.97280.98490.9604

為便于比較，本文將張文杰等[12]在蘇州七子山垃圾填埋場取樣得到的滲透系數(shù)描繪到圖7中，本文結(jié)果與文獻[12]結(jié)果的對比見表5。

表5　本文結(jié)果與文獻[12]結(jié)果對比

由圖7、表5結(jié)合式(7)可知：a)密度ρ=0.79g/cm3的垃圾試樣，本文配比1垃圾試樣的滲透系數(shù)與張文杰等[12]得到的滲透系數(shù)差一個量級。b)密度ρ=0.97g/cm3的垃圾試樣，本文3個配比垃圾試樣的滲透系數(shù)與張文杰等[12]得到的滲透系數(shù)量級相同，均為10-3cm/s量級，但本文的試驗結(jié)果偏大約為1.3倍。c)密度ρ=1.25g/cm3的垃圾試樣，本文3個配比垃圾試樣的滲透系數(shù)與張文杰等[12]得到的滲透系數(shù)量級相同，均為10-4cm/s量級，但本文的試驗結(jié)果偏大約2倍左右。通過比較可知，雖然不同地域、不同配比垃圾的滲透系數(shù)的數(shù)值大小有不同，但相同密度垃圾滲透系數(shù)的量級相同，這說明垃圾滲透系數(shù)的大小主要取決于垃圾的密度，也即垃圾的密度是垃圾滲透特性的主要影響因素，這也間接說明了利用式(7)預(yù)測垃圾的滲透系數(shù)具有一定的參考價值。

為了進一步說明式(7)的適用范圍和適用性，本文選取已發(fā)表文獻中部分填埋場現(xiàn)場垃圾滲透試驗結(jié)果進行比較，結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，填埋場現(xiàn)場垃圾滲透系數(shù)的量級范圍在10-4～10-2cm/s之間，其大小主要與垃圾的填埋深度及埋齡有關(guān)，填埋深度越大，埋齡越長，其滲透系數(shù)越小。通過圖8所列文獻可知，填埋場淺層垃圾的滲透系數(shù)較大，量級一般為10-3cm/s；填埋場深層垃圾的滲透系數(shù)較小，一般在10-4cm/s量級，如陳云敏等[19]、詹良通等[22]對蘇州七子山填埋場15.5～17.6m深層垃圾進行了抽水試驗，得到的滲透系數(shù)為2.4×10-4～5.5×10-4cm/s，這比本文初始密度大于0.9g/cm3新鮮生活垃圾的滲透系數(shù)(10-3cm/s)小一個量級，這從另一個側(cè)面說明了式(7)不適用于預(yù)測填埋場深層垃圾的滲透系數(shù)，但對于預(yù)測填埋場淺層垃圾的滲透系數(shù)具有一定的參考價值。

圖8　不同文獻填埋場現(xiàn)場垃圾滲透系數(shù)與本文試驗結(jié)果

3.4垃圾滲透系數(shù)與時間的關(guān)系

對3種配比、初始密度ρ=1.1g/cm3的垃圾試樣，進行了垃圾的長期滲透試驗。試驗過程中同時進行了長期的沉降觀測，垃圾試樣的沉降量s與時間t的關(guān)系見圖9。從圖9可以看出，隨著時間的延長，垃圾試樣的高度逐漸減小，減小的趨勢逐漸變緩；垃圾試樣的沉降量隨時間逐漸增大，增大的趨勢逐漸變緩，130d的沉降量大約為1cm。從圖9來看，垃圾的高度減小，這說明垃圾的密度有所增大，其原因可能是，隨著時間的延長，垃圾中的可降解有機物發(fā)生了降解，產(chǎn)生了新的孔隙，在垃圾本身自重作用下孔隙被壓縮，垃圾的體積隨之減小，密度增大。假定試驗符合達西滲透定律，滲透系數(shù)k與時間t的關(guān)系見圖10。從圖10可以看出，垃圾試樣在初始7d內(nèi)的滲透系數(shù)變化較大，減小趨勢比較明顯；7d后，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。其主要原因可能是垃圾中的有機物如紡織品等的浸水濕陷作用及有機物的降解作用，導(dǎo)致垃圾的密度增大，滲透系數(shù)減小。隨著時間的延長，垃圾的浸水濕陷及降解作用減弱，垃圾的密度增長緩慢，垃圾的滲透系數(shù)減小緩慢。98d后，試樣1滲透系數(shù)出現(xiàn)微弱上揚趨勢，試樣3滲透系數(shù)則出現(xiàn)比較明顯的下降趨勢。

圖9　垃圾試樣的高度(沉降量)與時間的關(guān)系

對圖10中3種配比生活垃圾試樣試驗結(jié)果進行擬合，滲透系數(shù)與時間的關(guān)系符合指數(shù)模型，見式(8)，擬合系數(shù)均為0.8。

k=k0(α+eβ(1+t))

(8)

其中：k為t時間垃圾的滲透系數(shù)，k0為垃圾的初始飽和滲透系數(shù)，α、β為模型參數(shù)，t為時間。模型參數(shù)及擬合系數(shù)見表6。

表6　不同配比試樣滲透系數(shù)與時間指數(shù)模型的系數(shù)及擬合系數(shù)

圖10　生活垃圾滲透系數(shù)與時間的關(guān)系

4　結(jié)　論

采用大型滲透模型槽試驗儀器，對不同配比、不同初始密度的新鮮垃圾試樣進行了滲透試驗，結(jié)論如下：

a)新鮮生活垃圾的滲透速率隨飽和度的增大逐漸增大，滲透速率與飽和度的關(guān)系可擬合為多項式，擬合系數(shù)大于0.99，建立了多項式表達式。

b)新鮮生活垃圾的滲透速率隨初始密度的增大而逐漸減小，其規(guī)律可擬合為一條直線，擬合系數(shù)大于0.96，建立了滲透速率與初始密度的直線關(guān)系表達式。

c)建立了生活垃圾滲透系數(shù)與初始密度的直線關(guān)系表達式，利用該公式，可以大致預(yù)測新近填埋生活垃圾的滲透系數(shù)。

d)對3種配比、初始密度ρ=1.1g/cm3的新鮮生活垃圾試樣，進行了長期滲透試驗，其滲透系數(shù)與時間的關(guān)系可擬合為指數(shù)模型，擬合系數(shù)為0.8，建立了指數(shù)模型表達式。

e)得到了3種配比、7種初始密度新鮮生活垃圾滲透系數(shù)的變化范圍，滲透系數(shù)的量級范圍在10-3～10-2cm/s之間。

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(責(zé)任編輯： 康鋒)

ExperimentalStudyonPermeabilityofFreshMunicipalSolidWastewithDifferentMixedProportion

ZHANG Zhenying, ZHANG Lingfeng, WU Dazhi, DING Zhengkun, LEI Shanshan,WANG Yingfeng

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China)

Indoormodelslottestwasdoneforfreshmunicipalsolidwaste(MSW)with3kindsofproportionsbyusingalarge-scalepermeabilitymodelslottestapparatusinthegeo-environmentallaboratory.Sevendifferentinitialdensities(0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1g/cm3)wereselectedtostudypermeabilitycharacteristicsandrulesoffreshmunicipalsolidwastebyconstantheadtest.Thetestresultsshowthat:permeationrateoffreshmunicipalsolidwasteincreaseswiththeincreaseinthesaturationdegreeofthefreshMSW,andtherelationshipcanbeformulatedtobeapolynomialfunction,withthefitttingcoefficientsgreaterthan0.99.Multitermexpressionwasestablished.PermeationratedecreasesgraduallywiththeincreaseintheinitialdensityofthefreshMSW,andtherelationshipcanbeformulatedasalinearline,withthefittingcoefficientsgreaterthan0.96.Linerelationshipexpressionwasestablished.RelationshipbetweenpermeabilitycoefficientofMSWandtimecanbeformulatedtobeanexponentialmodel,andthefittingcoefficientisabout0.80.Exponentialmodelexpressionwassetup.TherangeofthepermeabilitycoefficientofthefreshMSWisobtained,whichrangesfrom10-3cm/sto10-2cm/s.Theconclusionscanprovideareferencefortheseepageanalysisofalandfill.

soilmechanics;freshmunicipalsolidwaste;large-scalepermeabilitymodelslot;constantheadtestmethod;permeabilitycharacteristics;exponentialmodel

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.09.027

2015-11-06

國家自然科學(xué)基金項目(51178432，51478436)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY14E080021)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(201410338014)；浙江理工大學(xué)研究生創(chuàng)新研究項目(YCX2014033)；軟土與環(huán)境土工教育部重點實驗室(浙江大學(xué))開放基金資助項目

張振營(1963-)，男，山東濟南人，教授，主要從事環(huán)境巖土工程、地基處理等方面的研究。

TU443

A

1673- 3851 (2016) 05- 0796- 07 引用頁碼： 091102