基于降解-滲流-壓縮耦合模型的填埋場(chǎng)垃圾固液氣相互作用分析及工程應(yīng)用.pdf

1、國(guó)內(nèi)已建成和正在運(yùn)行的城市生活垃圾填埋場(chǎng)主要存在四大環(huán)境土工問(wèn)題,即填埋氣泄露和爆炸、滲濾液的泄露和擴(kuò)散、垃圾堆體的沉降變形以及失穩(wěn)問(wèn)題。與一般的土工構(gòu)筑物相比,垃圾填埋場(chǎng)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性狀及環(huán)境要復(fù)雜得多,填埋場(chǎng)的滲流、擴(kuò)散、變形及穩(wěn)定更是相互影響或耦合的。導(dǎo)致填埋場(chǎng)垃圾工程特性及變形、穩(wěn)定、滲流與擴(kuò)散機(jī)理復(fù)雜性的根本原因是填埋場(chǎng)垃圾固、液、氣三相之間的相互作用。深入認(rèn)識(shí)垃圾填埋場(chǎng)固液氣相互作用機(jī)理及規(guī)律成為控制與解決目前填埋場(chǎng)環(huán)

2、境土工問(wèn)題的關(guān)鍵。
　　 本文以國(guó)家自然科學(xué)基金-國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目“城市垃圾填埋場(chǎng)水氣產(chǎn)生、運(yùn)移及系統(tǒng)化工程控制”(51010008)、國(guó)家自然科學(xué)基金-面上項(xiàng)目“固體廢棄物力學(xué)中生化相變效應(yīng)及應(yīng)用”(10972195)及國(guó)家自然科學(xué)基金-重點(diǎn)資助項(xiàng)目“城市生活垃圾填埋場(chǎng)固、液、氣相互作用及土力學(xué)機(jī)理”(50538080)為依托,結(jié)合“蘇州七子山垃圾填埋場(chǎng)特殊土工測(cè)試”、“上海老港垃圾填埋場(chǎng)示范工程綜合監(jiān)測(cè)”等工程項(xiàng)目

3、,針對(duì)城市生活垃圾填埋場(chǎng)降解、滲流和變形的耦合問(wèn)題(BHMCoupling),通過(guò)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段開(kāi)展了填埋場(chǎng)垃圾降解-滲流-壓縮耦合模型研究及填埋場(chǎng)垃圾固液氣相互作用分析,主要研究?jī)?nèi)容和研究成果包括:
　　 (1)基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和(C+H)/L比值與總產(chǎn)氣量的線性相關(guān)性,提出以可降解固相的質(zhì)量損失程度作為表征生活垃圾降解程度的簡(jiǎn)化指標(biāo)?；谝浑A動(dòng)力學(xué)水解模型,建立了考慮含水量等因素影響的生化降解模型,該模型

4、能夠計(jì)算固相質(zhì)量損失及降解產(chǎn)氣,并能直接應(yīng)用于生化降解程度的表征.基于所建立的生化降解模型,對(duì)垃圾組分和生化降解速率進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,對(duì)于國(guó)內(nèi)典型組分新鮮垃圾的研究表明:國(guó)內(nèi)垃圾的產(chǎn)氣潛力較大,每噸垃圾(濕基)的理論總產(chǎn)氣量約為西方發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾的1.32倍;國(guó)內(nèi)垃圾易降解組分含量高,提高易降解組分的生化降解速率能夠使得產(chǎn)氣潛力在短時(shí)間內(nèi)得到高效釋放。
　　 (2)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究表明:垃圾的持水特性同時(shí)受到垃圾組分、

5、降解程度和壓實(shí)程度的影響。由于有機(jī)物含有大量國(guó)有水,而國(guó)內(nèi)垃圾的有機(jī)物含量較高,導(dǎo)致國(guó)內(nèi)垃圾的初始含水量相對(duì)國(guó)外要大很多.分析表明van-Genuchten模型能夠很好的模擬國(guó)內(nèi)垃圾的持水曲線。國(guó)內(nèi)垃圾nvG值分布在1.35～1.68之間,新鮮垃圾nvG值并未顯示與壓實(shí)程度相關(guān),但填埋場(chǎng)垃圾nvG值隨著埋深和齡期的增加而有所減小;國(guó)內(nèi)垃圾αvG的值分布范圍較大,在1.3～25.6之間,新鮮垃圾的αvG值與壓實(shí)程度無(wú)明顯相關(guān)性,.而填埋場(chǎng)

6、垃圾αvG值隨著埋深與齡期的增加有增大的趨勢(shì)。
　　 (3)基于Kozeny-Carmen模型對(duì)國(guó)內(nèi)垃圾滲透性能室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究表明:垃圾的飽和滲透性能主要受到顆粒結(jié)構(gòu)特性。(反映在降解程度,即比表面積或顆粒級(jí)配)和孔隙結(jié)構(gòu)特性(反映在壓實(shí)程度,即孔隙比或孔隙率)的影響;隨著填埋場(chǎng)垃圾埋深的增加,初始固有滲透系數(shù)K0逐漸減小,其值同時(shí)受到壓實(shí)程度和降解程度的影響;基于氣相滲透性能試驗(yàn)分析得到的K0值比基于液相飽和滲透性能試驗(yàn)分

7、析得到的K0值約大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在固液氣相互作用分析中建議取根據(jù)氣相滲透系數(shù)分析得到的K0值來(lái)代表垃圾的初始固有滲透系數(shù)。
　　 (4)基于van-Genuchten模型、Kozeny-Carmen模型和van-Genuchten-Mualem模型對(duì)國(guó)內(nèi)垃圾滲透性能室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究表明:van-Genuchten-Mualem模型能夠較好的模擬國(guó)內(nèi)垃圾的水氣非飽和滲透性能,模型參數(shù)γvG取值受滲流路徑曲折性的影響,θe反映的是飽

8、和度對(duì)水氣非飽和滲透性能的影響,孔隙率對(duì)水氣非飽和滲透性能的影響由飽和滲透系數(shù)κs來(lái)反映?；谝陨侠畾膺\(yùn)移特性的分析,結(jié)合多孔介質(zhì)流體力學(xué),建立了填埋場(chǎng)垃圾水氣耦合運(yùn)移模型。
　　 (5)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究表明,國(guó)內(nèi)垃圾的主壓縮性和降解次壓縮性相對(duì)西方發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾的均要高,國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)的沉降變形潛力較大。基于國(guó)外室內(nèi)降解壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了次壓縮與降解產(chǎn)氣的相關(guān)性,研究發(fā)現(xiàn)次壓縮完成程度與降解產(chǎn)氣程度的關(guān)系可以通過(guò)冪函數(shù)

9、關(guān)系式描述。對(duì)應(yīng)力-齡期耦合壓縮進(jìn)行了完善,對(duì)壓縮模型參數(shù)的取值方法進(jìn)行了研究分析?；诖螇嚎s與降解產(chǎn)氣相關(guān)性的研究,提出次壓縮速率系數(shù)的取值方法;在固液氣相互作用分析中可以采用可降解固相質(zhì)量損失程度表征次壓縮完成程度,以反映生化降解對(duì)次壓縮的影響。提出根據(jù)新鮮垃圾的主壓縮曲線確定初始應(yīng)力水平,對(duì)壓縮模型的其余參數(shù)取值給出了建議值。最終基于國(guó)外室內(nèi)降解壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)力.齡期耦合壓縮模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析,結(jié)果表明應(yīng)力-齡期耦合壓縮模型能夠

10、較好的模擬分級(jí)加載條件下垃圾的壓縮變形。
　　 (6)基于所提出的生化降解模型、水氣耦合運(yùn)移模型及壓縮模型,建立了降解-滲流-壓縮耦合模型,對(duì)耦合模型所描述的填埋場(chǎng)垃圾固液氣相互作用框架進(jìn)行了分析,指出耦合模型的關(guān)鍵耦合變量包括固相質(zhì)量損失量、水氣源項(xiàng)、孔壓、飽和度及孔隙率。采用有限差分法和Gauss-Newton法對(duì)耦合模型進(jìn)行了數(shù)值求解。開(kāi)展了室內(nèi)降解壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)示范工程監(jiān)測(cè),利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)降解-滲流-壓縮耦合模型進(jìn)行了驗(yàn)

11、證。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及模擬分析表明:滲濾液導(dǎo)排會(huì)造成產(chǎn)氣潛力的流失;有利垃圾生化降解的環(huán)境條件是逐步建立的,它會(huì)推遲垃圾降解產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn);滲濾液水位以下垃圾體的氣壓受到滲濾液水位高度的影響,氣壓隨著滲濾液水位的升高而增大。
　　 (7)基于降解-滲流-壓縮耦合模型,對(duì)新鮮垃圾的組分、含水量、壓實(shí)程度及飽和度進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,結(jié)果表明垃圾組分和含水量是影響填埋場(chǎng)垃圾固液氣相互作用的最重要因素。有機(jī)質(zhì)含量的提高和含水量的提高都會(huì)增大垃

12、圾體的產(chǎn)氣速率和沉降速率;含水量Ww(濕基)增加至37.5％(對(duì)應(yīng)干基基礎(chǔ)上的含水量Wd為60％)的區(qū)間,產(chǎn)氣速率和沉降速率提升最為明顯。分析表明,液相飽和度的增加會(huì)使垃圾的氣相滲透系數(shù)降低,使得垃圾體中的氣壓逐漸增加,在接近飽和時(shí)這種影響更為明顯;如果垃圾降解產(chǎn)生的填埋氣一直滯留在垃圾體中,氣壓可高達(dá)2.2×104kPa,以上。而次壓縮除了受生化降解影響外,還受到應(yīng)力水平的影響,上覆應(yīng)力的增加會(huì)增大次壓縮的速率。此外,垃圾體孔隙率的變