降雨作用下填埋場防滲系統(tǒng)水分分布的數(shù)值模擬研究*

劉 勇，田 宇，周小軍

（1．襄陽市固體廢棄物處理公司，湖北 襄陽 441057；2．武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究院，湖北 武漢 430015；3．中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071）

降雨作用下填埋場防滲系統(tǒng)水分分布的數(shù)值模擬研究*

劉 勇1，田 宇2，周小軍3

（1．襄陽市固體廢棄物處理公司，湖北 襄陽 441057；2．武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究院，湖北 武漢 430015；3．中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071）

基于填埋場防滲系統(tǒng)的工程特性，分析了填埋場的降雨入滲機理，建立了填埋場防滲系統(tǒng)水分動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值分析研究了降雨作用下填埋場防滲系統(tǒng)孔隙水壓力和含水率的變化情況。結(jié)果表明：降雨入滲使填埋場結(jié)構(gòu)層滲流條件發(fā)生變化，在坡頂、坡面、坡腳處均產(chǎn)生滲透力，且隨著降雨時間的持續(xù)，負(fù)孔隙水壓力逐漸減小；在水平分布上，孔隙水壓力曲線呈較大的波動性，且在坡腳處出現(xiàn)峰值。受降雨持續(xù)作用，填埋場各結(jié)構(gòu)層含水率逐漸增加，導(dǎo)致材料的密度逐漸增大；結(jié)構(gòu)層材料因雨水的入滲逐漸達到其儲水能力而飽和，土體由非飽和向飽和過程轉(zhuǎn)化。

填埋場；防滲系統(tǒng)；降雨；水分分布；數(shù)值模擬

填埋場襯墊系統(tǒng)失穩(wěn)將引起填埋場滲瀝液潛在性泄漏，污染周圍水土環(huán)境，造成嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，已經(jīng)引起了國際環(huán)境巖土工程界的高度關(guān)注［1］。填埋場復(fù)合襯墊防滲系統(tǒng)是填埋場工程結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，是填埋場底部、邊坡或封場覆蓋中用于隔離滲瀝液、填埋氣體等物質(zhì)的一種重要屏障，同時也是填埋場長期、有效運營的重要保證。CJJ 17—2004生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范與GB 16889—2008生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)推薦采用復(fù)合襯墊防滲系統(tǒng)。填埋場的襯墊系統(tǒng)應(yīng)具有良好的防滲功能，其滲透系數(shù)必須小于1×10-7cm/s［2］。采用數(shù)值模擬分析方法分析襯墊系統(tǒng)的安全穩(wěn)定特性及其變形趨勢預(yù)測，可定量分析和評價在不同環(huán)境條件下其長期有效性，為合理設(shè)計填埋場襯墊系統(tǒng)與正確評價和預(yù)測填埋場襯墊防滲系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 填埋場降雨入滲機理分析

填埋場產(chǎn)生不均勻沉降變形，很大一部分是雨水下滲對垃圾土層產(chǎn)生作用，逐步改變垃圾土層的力學(xué)性質(zhì)，使填埋場產(chǎn)生沉降變形［3］。填埋場降雨入滲經(jīng)歷了飽和-非飽和的滲流過程。

地表水在下滲過程中對垃圾土層的作用機理有2種［4］：①地表水下滲對垃圾土層的軟化壓縮作用。當(dāng)?shù)乇硭疂B入到垃圾土層，垃圾土受到水的浸泡，其小顆粒骨架受到破壞，產(chǎn)生一種軟化壓縮變形作用，在上覆不同重力作用下，其壓縮變形大小不一從而使得填埋場出現(xiàn)不均勻沉降變形。②地表水下滲對土層產(chǎn)生機鑄化學(xué)潛蝕作用。地表水滲入垃圾土層后，將土層內(nèi)一部分細(xì)微土粒及可溶解于水的物質(zhì)發(fā)生混濁作用和化學(xué)溶解作用，然后順滲漏途徑流失［5-6］。當(dāng)這種作用反復(fù)多次后，逐步使土層內(nèi)流失一部分物質(zhì)，土層勢必產(chǎn)生收縮下沉。

2 填埋場防滲系統(tǒng)水分分布的數(shù)學(xué)模型

2.1 滲流控制方程

Buckingham［7］于1907年在Darcy方程的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進提出非飽和多孔介質(zhì)滲流方程：

式中：ρ0為純水密度；S為儲水系數(shù)；為滲透系數(shù)張量；ρ*為流體密度；q為多孔介質(zhì)內(nèi)部的源流或匯流；t為時間。

由公式（2）可知造成水流流動的原因有：位置水頭坡度（▽Z），壓力水頭坡度（▽ψ），其他流體的影響 （ρ0/ρ）。

若不考慮多孔介質(zhì)與流體的壓縮性與流體密度變化，且滲流場中無任何源流或匯流，則可將公式 （2） 簡化成公式 （3）：

2.2 防滲系統(tǒng)幾何模型

取垃圾填埋場封場覆蓋坡體的典型剖面，有限元計算模型及網(wǎng)格剖分如圖1所示，自下而上，分別為填埋層、防滲層、覆蓋層、植被層，填埋場邊坡坡比約為3∶1，剖分單元918。

圖1 填埋場封場覆蓋幾何模型及網(wǎng)格剖分

模型中假設(shè)左邊界和右邊界分別為第1類邊界條件，定義初始水頭分別為1、3 m，上邊界為第2類邊界條件，假設(shè)降雨強度為暴雨100 mm/d，下邊界為隔水邊界?；緟?shù)取值見表1。持續(xù)降雨作用下填埋場變形見圖2，降雨作用下填埋場總水頭變化云圖見圖3，降雨作用下填埋場在x向和y向的變化云圖如圖4、5所示。

表1 基本參數(shù)值

圖2 持續(xù)降雨作用下填埋場變形

圖3 降雨作用下填埋場總水頭變化云圖

3 降雨作用下孔隙水壓力及含水率的變化規(guī)律

圖6、7分別為無降雨和持續(xù)降雨作用下填埋場表層孔隙水壓力隨時間和空間的變化。在無降雨入滲時，孔隙水壓力隨時間增加而增加，在水平距離變化時，孔隙水壓力呈波動變化，在坡角和坡頂均呈現(xiàn)最大峰值和最小峰值。在降雨入滲時，雨水通過填埋場邊坡的坡頂、坡面及坡腳向各結(jié)構(gòu)層入滲。隨降雨時間增加，填埋場表層孔隙水壓力呈上升趨勢，第1天降雨為負(fù)的孔隙水壓力，隨時間增加，各結(jié)構(gòu)層土體的逐漸飽和而轉(zhuǎn)變成正的孔隙水壓力；隨水平距離增加，地下水滲流過程對各結(jié)構(gòu)層土顆粒施加壓力，孔隙水壓力在坡角處形成拐點，達到峰值；孔隙水壓力從-5 kPa上升到坡角處的0 kPa，隨水平距離的繼續(xù)增加，峰值后的孔隙水壓力呈下降趨勢。

圖4 降雨作用下填埋場x向應(yīng)力云圖

圖5 降雨作用下填埋場y向應(yīng)力云圖

圖6 無降雨入滲植被土層的孔隙水壓力

圖7 降雨條件下植被土層的孔隙水壓力

圖8 、9分別顯示的是降雨入滲條件下不同結(jié)構(gòu)層孔隙水壓力隨時間和空間的變化曲線。降雨入滲導(dǎo)致滲流條件的變化，隨著時間的增加孔隙水壓力上升，隨著水平距離的增加孔隙水壓力呈波動變化，對于防滲層表層孔隙水壓力基本均在0 kPa以上，這是因為防滲層滲透率較低，滲透水逐漸進入，因膨脹而增大材料中孔隙，結(jié)構(gòu)層材料慢慢達到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力迅速增大?？紫端畨毫η€的變化也反映了土體結(jié)構(gòu)的非飽和-飽和的轉(zhuǎn)化過程。

圖8 降雨作用覆蓋層的孔隙水壓力曲線

圖9 降雨作用防滲層的孔隙水壓力曲線

圖10 為填埋場底部孔隙水壓力變化曲線。由于防滲系統(tǒng)的作用、填埋深度的影響，垃圾填埋體產(chǎn)生的滲瀝液均聚集在填埋場底部，故均為正的孔隙水壓力。圖11顯示了填埋場表層含水率分布，受降雨入滲的影響，隨時間的增加含水率逐漸增加，含水率的增加而使結(jié)構(gòu)層材料的密度增加，負(fù)孔隙水壓力減小，從曲線看出降雨過程中填埋場表層含水率較之無降雨過程有較大的上升；在降雨持續(xù)6 d作用后，結(jié)構(gòu)層材料的密度增加直至達到飽和密度，土體因達到其儲水能力而飽和，含水率保持定值。

圖10 降雨作用填埋層的孔隙水壓力曲線

圖11 填埋場植被土層含水率分布

4 結(jié)論

1）降雨入滲使填埋場結(jié)構(gòu)層滲流條件發(fā)生變化，坡頂、坡面、坡角均產(chǎn)生滲透力。隨降雨的持續(xù)，負(fù)孔隙水壓力逐漸減??；隨水平距離的增加，孔隙水壓力曲線呈較大的波動性，這是由于坡角處滲透量的聚集，導(dǎo)致孔隙水壓力的驟增而使坡角處出現(xiàn)峰值，因此坡角處要加強排水防護措施。

2）受降雨持續(xù)作用，填埋場各結(jié)構(gòu)層含水率逐漸增加，導(dǎo)致材料的密度逐漸增大；結(jié)構(gòu)層材料因雨水的入滲逐漸達到其儲水能力而飽和，土體由非飽和向飽和過程轉(zhuǎn)化。

3）填埋場封場覆蓋防滲系統(tǒng)變形規(guī)律的研究表明，隨著水頭的降低，流體壓力逐漸降低，垃圾層、黏土層和土壤層的孔隙壓力下降，固體骨架有效應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致了填埋場防滲系統(tǒng)位移的增加。

因此，防滲系統(tǒng)防滲層必須適應(yīng)不均勻沉降，同時，在填埋場設(shè)計時有必要考慮滲流作用和地震影響，以提高填埋場穩(wěn)定性和安全性。

［1］胡敏云，陳云敏．城市生活垃圾填埋場沉降分析與計算［J］．土木工程學(xué)報，2001，34（6）：89-92．

［2］張振營，陳云敏．城市垃圾填埋場沉降模型的研究［J］．浙江大學(xué)學(xué)報，2004，38（9）：1162-1165．

［3］戚國慶．降雨誘發(fā)滑坡機理及其評價方法研究［D］．成都：成都理工大學(xué)，2004．

［4］李廣信．高等土力學(xué)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［5］ Xue Q，F(xiàn)eng X T，Liang B．Slippage Solution of Gas Pressure Distribution in the Process of Landfill Gas Seepage［J］．Appl Math Mech，2005，26（12）：1623-1633．

［6］薛強，趙穎，劉磊，等．垃圾填埋場災(zāi)變過程的溫度-滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合效應(yīng)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（10）：1971-1988．

［7］薛強，劉磊，梁冰，等．垃圾填埋場沉降變形條件下氣-水-固耦合動力學(xué)模型研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（S1）：3473-3476．

［8］ Van Genuchten M Th．A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils［J］．Soil Sci Soc Am J，1980，44 （5）：892-898．

Numerical Simulation of Moisture Distribution for Anti-seepage System of Waste Landfill Site by Rainfall

Liu Yong1，Tian Yu2，Zhou Xiaojun3
（1．Xiangyang Solid Waste Treatment Company，Xiangyang Hubei441057；2．Wuhan Environmental Sanitation Science Research Institute，Wuhan Hubei430015；3．Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan Hubei430071）

Based on the engineering characteristics of anti-seepage system in waste landfill sites，the rainfall infiltration mechanism of the landfill site was analyzed，and the water dynamic mathematical model of the anti-seepage system was set up．Through the numerical analysis，the changes of pore water pressure and moisture content of the anti-seepage system were researched under the condition of rainfall．The results showed that the rainfall infiltration could change the seepage condition of the structure layer，and there is the seepage force on the top，the slope surface and the slope toe．The negative pore water pressure gradually decreased with the rainfall continuing．The pore water pressure curve waved largely in the horizontal distribution，and appeared the peak in the slope toe．The moisture content in each structure layer gradually increased with the rainfall continuing，and it could increase the density of the material．The material of the structure layer gradually reached its storage capacity to the saturation because of the rainfall infiltration，and the soil changed from unsaturation to saturation．

landfill site；anti-seepage system；rainfall；moisture distribution；numerical simulation

X703；TU993．3

A

1005-8206（2012）04-0021-04

國家自然科學(xué)基金（51079143）；武漢市科技攻關(guān)項目（201060723312）

2012-07-02

劉勇（1972—），高級工程師，主要從事環(huán)境治理。

（責(zé)任編輯：鄭雯）