研究降雨对填埋场防渗模拟

本文作者：刘 勇 田 宇 周小军 单位：襄阳市固体废弃物处理公司 武汉市环境卫生科学研究院

填埋场衬垫系统失稳将引起填埋场渗沥液潜在性泄漏，污染周围水土环境，造成严重的环境地质灾害，已经引起了国际环境岩土工程界的高度关注［1］。填埋场复合衬垫防渗系统是填埋场工程结构中的关键部分，是填埋场底部、边坡或封场覆盖中用于隔离渗沥液、填埋气体等物质的一种重要屏障，同时也是填埋场长期、有效运营的重要保证。CJJ17—2004生活垃圾卫生填埋技术规范与GB16889—2008生活垃圾填埋场污染控制标准推荐采用复合衬垫防渗系统。填埋场的衬垫系统应具有良好的防渗功能，其渗透系数必须小于1×10-7cm/s［2］。采用数值模拟分析方法分析衬垫系统的安全稳定特性及其变形趋势预测，可定量分析和评价在不同环境条件下其长期有效性，为合理设计填埋场衬垫系统与正确评价和预测填埋场衬垫防渗系统的长期稳定性提供理论依据。

1填埋场降雨入渗机理分析

填埋场产生不均匀沉降变形，很大一部分是雨水下渗对垃圾土层产生作用，逐步改变垃圾土层的力学性质，使填埋场产生沉降变形［3］。填埋场降雨入渗经历了饱和-非饱和的渗流过程。地表水在下渗过程中对垃圾土层的作用机理有2种［4］：①地表水下渗对垃圾土层的软化压缩作用。当地表水渗入到垃圾土层，垃圾土受到水的浸泡，其小颗粒骨架受到破坏，产生一种软化压缩变形作用，在上覆不同重力作用下，其压缩变形大小不一从而使得填埋场出现不均匀沉降变形。②地表水下渗对土层产生机铸化学潜蚀作用。地表水渗入垃圾土层后，将土层内一部分细微土粒及可溶解于水的物质发生混浊作用和化学溶解作用，然后顺渗漏途径流失［5-6］。当这种作用反复多次后，逐步使土层内流失一部分物质，土层势必产生收缩下沉。

2填埋场防渗系统水分分布的数学模型

2.1渗流控制方程

2.2防渗系统几何模型取垃圾填埋场封场覆盖坡体的典型剖面，有限元计算模型及网格剖分如图1所示，自下而上，分别为填埋层、防渗层、覆盖层、植被层，填埋场边坡坡比约为3∶1，剖分单元918。模型中假设左边界和右边界分别为第1类边界条件，定义初始水头分别为1、3m，上边界为第2类边界条件，假设降雨强度为暴雨100mm/d，下边界为隔水边界。基本参数取值见表1。持续降雨作用下填埋场变形见图2，降雨作用下填埋场总水头变化云图见图3，降雨作用下填埋场在x向和y向的变化云图如图4、5所示。

3降雨作用下孔隙水压力及含水率的变化规律

图6、7分别为无降雨和持续降雨作用下填埋场表层孔隙水压力随时间和空间的变化。在无降雨入渗时，孔隙水压力随时间增加而增加，在水平距离变化时，孔隙水压力呈波动变化，在坡角和坡顶均呈现最大峰值和最小峰值。在降雨入渗时，雨水通过填埋场边坡的坡顶、坡面及坡脚向各结构层入渗。随降雨时间增加，填埋场表层孔隙水压力呈上升趋势，第1天降雨为负的孔隙水压力，随时间增加，各结构层土体的逐渐饱和而转变成正的孔隙水压力；随水平距离增加，地下水渗流过程对各结构层土颗粒施加压力，孔隙水压力在坡角处形成拐点，达到峰值；孔隙水压力从-5kPa上升到坡角处的0kPa，随水平距离的继续增加，峰值后的孔隙水压力呈下降趋势。图8、9分别显示的是降雨入渗条件下不同结构层孔隙水压力随时间和空间的变化曲线。降雨入渗导致渗流条件的变化，随着时间的增加孔隙水压力上升，随着水平距离的增加孔隙水压力呈波动变化，对于防渗层表层孔隙水压力基本均在0kPa以上，这是因为防渗层渗透率较低，渗透水逐渐进入，因膨胀而增大材料中孔隙，结构层材料慢慢达到饱和状态，孔隙水压力迅速增大。孔隙水压力曲线的变化也反映了土体结构的非饱和－饱和的转化过程。图10为填埋场底部孔隙水压力变化曲线。由于防渗系统的作用、填埋深度的影响，垃圾填埋体产生的渗沥液均聚集在填埋场底部，故均为正的孔隙水压力。图11显示了填埋场表层含水率分布，受降雨入渗的影响，随时间的增加含水率逐渐增加，含水率的增加而使结构层材料的密度增加，负孔隙水压力减小，从曲线看出降雨过程中填埋场表层含水率较之无降雨过程有较大的上升；在降雨持续6d作用后，结构层材料的密度增加直至达到饱和密度，土体因达到其储水能力而饱和，含水率保持定值。

4结论

1）降雨入渗使填埋场结构层渗流条件发生变化，坡顶、坡面、坡角均产生渗透力。随降雨的持续，负孔隙水压力逐渐减小；随水平距离的增加，孔隙水压力曲线呈较大的波动性，这是由于坡角处渗透量的聚集，导致孔隙水压力的骤增而使坡角处出现峰值，因此坡角处要加强排水防护措施。2）受降雨持续作用，填埋场各结构层含水率逐渐增加，导致材料的密度逐渐增大；结构层材料因雨水的入渗逐渐达到其储水能力而饱和，土体由非饱和向饱和过程转化。3）填埋场封场覆盖防渗系统变形规律的研究表明，随着水头的降低，流体压力逐渐降低，垃圾层、黏土层和土壤层的孔隙压力下降，固体骨架有效应力增大，从而导致了填埋场防渗系统位移的增加。因此，防渗系统防渗层必须适应不均匀沉降，同时，在填埋场设计时有必要考虑渗流作用和地震影响，以提高填埋场稳定性和安全性。