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

1、國內(nèi)已建成和正在運(yùn)行的城市生活垃圾填埋場主要存在四大環(huán)境土工問題,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)問題。與一般的土工構(gòu)筑物相比,垃圾填埋場的物質(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垃圾固、液、氣三相之間的相互作用。深入認(rèn)識垃圾填埋場固液氣相互作用機(jī)理及規(guī)律成為控制與解決目前填埋場環(huán)

2、境土工問題的關(guān)鍵。
　　 本文以國家自然科學(xué)基金-國際(地區(qū))合作與交流項目“城市垃圾填埋場水氣產(chǎn)生、運(yùn)移及系統(tǒng)化工程控制”(51010008)、國家自然科學(xué)基金-面上項目“固體廢棄物力學(xué)中生化相變效應(yīng)及應(yīng)用”(10972195)及國家自然科學(xué)基金-重點(diǎn)資助項目“城市生活垃圾填埋場固、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特殊土工測試”、“上海老港垃圾填埋場示范工程綜合監(jiān)測”等工程項目

3、,針對城市生活垃圾填埋場降解、滲流和變形的耦合問題(BHMCoupling),通過模型試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬等手段開展了填埋場垃圾降解-滲流-壓縮耦合模型研究及填埋場垃圾固液氣相互作用分析,主要研究內(nèi)容和研究成果包括:
　　 (1)基于室內(nèi)試驗數(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化指標(biāo)?；谝浑A動力學(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,對垃圾組分和生化降解速率進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,對于國內(nèi)典型組分新鮮垃圾的研究表明:國內(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)國家垃圾的1.32倍;國內(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)氣潛力在短時間內(nèi)得到高效釋放。
　　 (2)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的研究表明:垃圾的持水特性同時受到垃圾組分、

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

6、垃圾αvG值隨著埋深與齡期的增加有增大的趨勢。
　　 (3)基于Kozeny-Carmen模型對國內(nèi)垃圾滲透性能室內(nèi)試驗數(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配)和孔隙結(jié)構(gòu)特性(反映在壓實程度,即孔隙比或孔隙率)的影響;隨著填埋場垃圾埋深的增加,初始固有滲透系數(shù)K0逐漸減小,其值同時受到壓實程度和降解程度的影響;基于氣相滲透性能試驗分析得到的K0值比基于液相飽和滲透性能試驗分

7、析得到的K0值約大一個數(shù)量級。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模型對國內(nèi)垃圾滲透性能室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的研究表明:van-Genuchten-Mualem模型能夠較好的模擬國內(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、和度對水氣非飽和滲透性能的影響,孔隙率對水氣非飽和滲透性能的影響由飽和滲透系數(shù)κs來反映?；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),建立了填埋場垃圾水氣耦合運(yùn)移模型。
　　 (5)國內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)的研究表明,國內(nèi)垃圾的主壓縮性和降解次壓縮性相對西方發(fā)達(dá)國家垃圾的均要高,國內(nèi)垃圾填埋場的沉降變形潛力較大?；趪馐覂?nèi)降解壓縮試驗數(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)系可以通過冪函數(shù)

9、關(guān)系式描述。對應(yīng)力-齡期耦合壓縮進(jìn)行了完善,對壓縮模型參數(shù)的取值方法進(jìn)行了研究分析。基于次壓縮與降解產(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,對壓縮模型的其余參數(shù)取值給出了建議值。最終基于國外室內(nèi)降解壓縮試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)力.齡期耦合壓縮模型進(jìn)行了驗證分析,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,對耦合模型所描述的填埋場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、孔壓、飽和度及孔隙率。采用有限差分法和Gauss-Newton法對耦合模型進(jìn)行了數(shù)值求解。開展了室內(nèi)降解壓縮試驗和現(xiàn)場示范工程監(jiān)測,利用測試數(shù)據(jù)對降解-滲流-壓縮耦合模型進(jìn)行了驗

11、證。實測數(shù)據(jù)及模擬分析表明:滲濾液導(dǎo)排會造成產(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,對新鮮垃圾的組分、含水量、壓實程度及飽和度進(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)力的增加會增大次壓縮的速率。此外,垃圾體孔隙率的變