劉 勇，田 宇，周小軍

（1．襄陽(yáng)市固體廢棄物處理公司，湖北 襄陽(yáng) 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(guó)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(chǎng)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(yáng)市固體廢棄物處理公司，湖北 襄陽(yáng) 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(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071）

基于填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的工程特性，分析了填埋場(chǎng)的降雨入滲機(jī)理，建立了填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)水分動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值分析研究了降雨作用下填埋場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(dòng)性，且在坡腳處出現(xiàn)峰值。受降雨持續(xù)作用，填埋場(chǎng)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(dá)到其儲(chǔ)水能力而飽和，土體由非飽和向飽和過(guò)程轉(zhuǎn)化。

填埋場(chǎng)；防滲系統(tǒng)；降雨；水分分布；數(shù)值模擬

填埋場(chǎng)襯墊系統(tǒng)失穩(wěn)將引起填埋場(chǎng)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(guó)際環(huán)境巖土工程界的高度關(guān)注［1］。填埋場(chǎng)復(fù)合襯墊防滲系統(tǒng)是填埋場(chǎng)工程結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，是填埋場(chǎng)底部、邊坡或封場(chǎng)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(shí)也是填埋場(chǎng)長(zhǎng)期、有效運(yùn)營(yíng)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(chǎng)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(chǎng)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(shì)預(yù)測(cè)，可定量分析和評(píng)價(jià)在不同環(huán)境條件下其長(zhǎng)期有效性，為合理設(shè)計(jì)填埋場(chǎng)襯墊系統(tǒng)與正確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)襯墊防滲系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 填埋場(chǎng)降雨入滲機(jī)理分析

填埋場(chǎng)產(chǎn)生不均勻沉降變形，很大一部分是雨水下滲對(duì)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(chǎng)產(chǎn)生沉降變形［3］。填埋場(chǎng)降雨入滲經(jīng)歷了飽和-非飽和的滲流過(guò)程。

地表水在下滲過(guò)程中對(duì)垃圾土層的作用機(jī)理有2種［4］：①地表水下滲對(duì)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(chǎng)出現(xiàn)不均勻沉降變形。②地表水下滲對(duì)土層產(chǎn)生機(jī)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(shì)必產(chǎn)生收縮下沉。

2 填埋場(chǎng)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(guò)改進(jìn)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(chǔ)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(shí)間。

由公式（2）可知造成水流流動(dòng)的原因有：位置水頭坡度（▽Z），壓力水頭坡度（▽?duì)祝?，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(chǎng)中無(wú)任何源流或匯流，則可將公式 （2） 簡(jiǎn)化成公式 （3）：

2.2 防滲系統(tǒng)幾何模型

取垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋坡體的典型剖面，有限元計(jì)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(chǎng)邊坡坡比約為3∶1，剖分單元918。

圖1 填埋場(chǎng)封場(chǎng)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(qiáng)度為暴雨100 mm/d，下邊界為隔水邊界。基本參數(shù)取值見(jiàn)表1。持續(xù)降雨作用下填埋場(chǎng)變形見(jiàn)圖2，降雨作用下填埋場(chǎng)總水頭變化云圖見(jiàn)圖3，降雨作用下填埋場(chǎng)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(chǎng)變形

圖3 降雨作用下填埋場(chǎng)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(wú)降雨和持續(xù)降雨作用下填埋場(chǎng)表層孔隙水壓力隨時(shí)間和空間的變化。在無(wú)降雨入滲時(shí)，孔隙水壓力隨時(shí)間增加而增加，在水平距離變化時(shí)，孔隙水壓力呈波動(dòng)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(shí)，雨水通過(guò)填埋場(chǎng)邊坡的坡頂、坡面及坡腳向各結(jié)構(gòu)層入滲。隨降雨時(shí)間增加，填埋場(chǎng)表層孔隙水壓力呈上升趨勢(shì)，第1天降雨為負(fù)的孔隙水壓力，隨時(shí)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(guò)程對(duì)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(diǎn)，達(dá)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(shì)。

圖4 降雨作用下填埋場(chǎng)x向應(yīng)力云圖

圖5 降雨作用下填埋場(chǎng)y向應(yīng)力云圖

圖6 無(wú)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(shí)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(shí)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(dòng)變化，對(duì)于防滲層表層孔隙水壓力基本均在0 kPa以上，這是因?yàn)榉罎B層滲透率較低，滲透水逐漸進(jìn)入，因膨脹而增大材料中孔隙，結(jié)構(gòu)層材料慢慢達(dá)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)底部，故均為正的孔隙水壓力。圖11顯示了填埋場(chǎng)表層含水率分布，受降雨入滲的影響，隨時(shí)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(guò)程中填埋場(chǎng)表層含水率較之無(wú)降雨過(guò)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(dá)到飽和密度，土體因達(dá)到其儲(chǔ)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(chǎng)植被土層含水率分布

4 結(jié)論

1）降雨入滲使填埋場(chǎng)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)孔隙水壓力逐漸減小；隨水平距離的增加，孔隙水壓力曲線呈較大的波動(dòng)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(qiáng)排水防護(hù)措施。

2）受降雨持續(xù)作用，填埋場(chǎng)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(dá)到其儲(chǔ)水能力而飽和，土體由非飽和向飽和過(guò)程轉(zhuǎn)化。

3）填埋場(chǎng)封場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)有必要考慮滲流作用和地震影響，以提高填埋場(chǎng)穩(wěn)定性和安全性。

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

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

［3］戚國(guó)慶．降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理及其評(píng)價(jià)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(qiáng)，趙穎，劉磊，等．垃圾填埋場(chǎng)災(zāi)變過(guò)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(bào)，2011，30（10）：1971-1988．

［7］薛強(qiáng)，劉磊，梁冰，等．垃圾填埋場(chǎng)沉降變形條件下氣-水-固耦合動(dòng)力學(xué)模型研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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(guó)家自然科學(xué)基金（51079143）；武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目（201060723312）

2012-07-02

劉勇（1972—），高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境治理。

（責(zé)任編輯：鄭雯）