非饱和土质覆盖层多组分气体运移机理研究

为研究土质覆盖层中各组分气体的运移规律,进行了土柱注气试验,并通过多组分气体运移理论对试验结果进一步分析。分析结果表明:在注入气体总流量不变的情况下,改变注入气体的组分,会显著影响土柱中各组分气体分布;多组分气体运移理论能较好地预测各组分气体的运移;表观气相渗透系数不是一常数,与气压大小相关;体相扩散是影响各组分气体分布规律的主要因素,通过改变有效二元扩散系数,调整各组分气体分布,可以提高土质覆盖层中甲烷氧化效果。     

压实黄土的气体突破压力及渗透性试验研究

生活垃圾中有机物降解会产生大量的垃圾填埋气体,如CO₂、CH₄。填埋气体在不能有效收集和排放的情况下,可能会导致填埋场覆盖层的失效或是发生气爆事故。为探究填埋覆盖层气体的突破压力与排放,采用逐步加压法对不同干密度、饱和度和围压条件下的压实黄土进行气体突破压力试验,通过压汞(MIP)试验对气体突破压力进行预测。结果表明：压实黄土在饱和状态下,气压较低时的气体排出速率很小可以忽略不计,当气压达到阈值时,气体排出速率急剧增加;气体突破压力随干密度和围压的增大而增大,与围压相比干密度对其影响更为显著。另一方面,压实黄土的气体突破压力与固有渗透率在对数坐标下具有较好的线性关系;MIP试验表明,可采用汞饱和度与入汞压力曲线出现拐点时的入汞压力对气体突破压力值进行预测。研究结果为西北黄土地区垃圾填埋场覆盖系统的优化设计提供有益见解。     

垃圾填埋体中非饱和-饱和渗流分析

结合苏州七子山垃圾填埋场的工程项目,通过室内试验量测垃圾饱和渗透系数和土-水特征曲线,推导其渗透性函数,考虑存在中间覆盖层和截洪沟失效的情况,通过对垃圾填埋体中非饱和-饱和渗流分析,研究填埋单元内的水分运移规律以及中间覆盖层上局部滞水的形成规律。计算结果表明：填埋体中非饱和区域的基质吸力大多保持在3～6kPa,对应的垃圾体积含水量为35%～40%,与实测含水量一致,说明推导出的渗透性函数可用于垃圾的非饱和-饱和渗流分析;中间覆盖层的存在可以大大降低雨水入渗量,但当截洪沟失效时,中间覆盖层是造成局部滞水的重要原因,计算得到的水位与现场测试结果相吻合。     

垃圾填埋体中非饱和–饱和渗流分析

结合苏州七子山垃圾填埋场的工程项目，通过室内试验量测垃圾饱和渗透系数和土–水特征曲线，推导其渗透性函数，考虑存在中间覆盖层和截洪沟失效的情况，通过对垃圾填埋体中非饱和–饱和渗流分析，研究填埋单元内的水分运移规律以及中间覆盖层上局部滞水的形成规律。计算结果表明：填埋体中非饱和区域的基质吸力大多保持在3～6 kPa，对应的垃圾体积含水量为35%～40%，与实测含水量一致，说明推导出的渗透性函数可用于垃圾的非饱和–饱和渗流分析；中间覆盖层的存在可以大大降低雨水入渗量，但当截洪沟失效时，中间覆盖层是造成局部滞水的重要原因，计算得到的水位与现场测试结果相吻合。     

植被对土质覆盖层水分运移和存储影响试验研究

植被在土质覆盖层水分存储–释放环节中扮有重要的角色,对防渗能力有重要的影响。在填埋场现场建设了大尺寸黄土土质覆盖层试验基地(长×宽:30m×20m),在基地不同测试区种植了植被并进行了土质覆盖层现场降雨试验。实测验证了黄土土质覆盖层最大储水能力;分析了有植被条件下黄土土质覆盖层水分运移和渗透特性;对比了植被条件对覆盖层水分运移和储水能力的影响。结果表明:①有植被条件黄土土质覆盖层可用储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值Sf?ac为259.82 mm,实测值比理论值小18.50 mm(小6.65%);②植被种植增大了根系生长区的渗透系数,无植被条件饱和渗透系数ks为8.27×10-5 cm/s,有植被条件饱和渗透系数ks大于8.27×10-5 cm/s。无植被时水分首先在覆盖层浅部土层存储,随着降雨的继续逐渐下渗至深层土;有植被时水分在土层全断面存储;③须根系、初期植被条件对毛细阻滞覆盖层储水能力影响较小。有植被条件实测可用储水量Sf?ac为259.82 mm,无植被条件为251.95mm,前者仅比后者大7.87 mm(大3.12%)。有植被条件实测总储水量Sf?ac为381.90 mm,无植被条件为374.03 mm,前者比后者大7.87 mm(大2.10%)。有、无植被条件黄土土质覆盖层储水能力接近,一方面是由于须根植被根系深度分布较浅(0～50 cm);另一方面是由于植被生长时间短未能经历一个完整的生长周期对土体结构影响不显著。     

城市生活垃圾填埋场气压分布一维稳态分析模型

掌握填埋场气压分布是填埋气灾害控制和资源化利用的基础。提出了分层垃圾填埋体气压分布一维稳态分析模型及求解方法。该模型可分析含有给定抽气压力或给定抽气流量水平导气层的填埋体气压分布。采用该模型探讨了垃圾分层特征、封顶覆盖层下和填埋体内的高渗透性水平导气层、填埋体底部渗沥液导排系统兼作填埋气导排通道对填埋体气压分布的影响规律。通过参数分析得到以下结论：填埋体垃圾不考虑产气速率和固有渗透系数随垃圾埋深增加而减小（产气速率和固有渗透系数按埋深平均）会高估填埋体内气压;封顶覆盖层下和填埋体内设置水平导气层可有效降低填埋体内气压;填埋体底部填埋气导排通道对填埋气气压较大的深部垃圾降压效果较明显。分析结果表明,该模型可指导填埋气收集系统设计,如水平导气层位置和间距布置及抽气功率选择等。     

降雨入渗对浅埋黄土隧道稳定性的影响

为了研究降雨入渗作用下黄土力学性质劣化对浅埋黄土隧道稳定性的影响,对隧道围岩中的黄土进行了不同含水率和不同围压的剪切、等压三轴试验,结果表明,含水率对黄土力学性质和破坏形态有较大影响。根据试验结果建立了黄土不同含水率的塑性本构关系,对比了计算结果和试验结果,证明了该本构关系能较好地描述黄土的应力应变规律。对不同降雨强度、不同深度的黄土在雨水入渗影响下的含水率分布规律进行分析,并在数值模拟软件中调用建立的不同含水率的黄土塑性本构关系,计算不同降雨强度下隧道结构的受力和变形,结果表明:考虑降雨入渗后隧道结构变形和受力增加明显,其中,拱顶沉降增幅达到46%,隧道初期支护应力增加20%～27%。将浅埋黄土隧道结构变形监测数据与数值模拟结果对比,验证了黄土本构关系的正确性,所模拟的降雨入渗对隧道结构稳定性的影响符合实际工程。     

节点自适应无网格法在非饱和土瞬态渗流分析中的应用

在雨水入渗土体的过程中,由于湿润锋附近水力特性突变,数值模拟往往存在不收敛或数值振荡现象。为了准确地模拟降雨入渗过程,将无网格法应用于非饱和土水分运移分析。基于无网格节点自适应的思想,提出了非饱和渗流分析节点自适应准则。根据水力梯度判断湿润锋位置,再通过等参单元变换对节点进行加密,最后通过MATLAB编程求解雨水入渗过程中的水头分布。通过比较无网格法静态均匀布点、自适应布点和解析解计算结果,验证了节点自适应无网格法的适用性。结果显示,节点自适应无网格法不仅可以有效地避免因节点间距过大造成的数值振荡现象,而且计算结果更接近解析解。静态均匀布点最大水头的绝对误差约为0.5 m,而节点自适应的水头误差在0.2 m以内。因此,节点自适应无网格法是一种有效的解决渗流分析问题的数值方法。     

分层填埋垃圾体中气体一维稳态运移规律

针对垃圾填埋场分层填埋特点,提出了填埋垃圾产气率和导气系数分层计算方法,建立了分层填埋垃圾体中气体一维稳态运移分析模型,分析了垃圾的产气率、导气系数和封顶覆盖层的气密性对气压力大小及分布的影响,并探讨了垃圾填埋龄期对气压力分布的影响规律。分析结果表明:对于均质垃圾体,产气率与导气系数的比值越大,则填埋气压力越大;对于含封顶覆盖层的垃圾体,产气率主要控制气压力大小,导气系数控制气压力沿填埋深度分布梯度。封顶覆盖层厚度的增加或其导气系数的降低将使填埋气释放量减少,则气压力整体提高。垃圾填埋龄期越大,则垃圾体中气压力越小。     

黄土中灌溉水入渗过程的现场试验研究

黄土台塬地带频发的滑坡灾害与农业灌溉活动密切相关.为研究水分在原位黄土中的入渗规律,在陕西泾阳南塬开展了场地直径为20 m的灌溉入渗试验,分析了浸水过程中入渗水量,土体体积含水率、基质吸力和孔隙气压的变化规律,揭示了灌溉水在原位黄土中的入渗过程.监测结果表明:①持续灌溉条件下,湿润锋下移深度大于11.0 m,初始入渗率...     

考虑任意初始条件的均质土质覆盖层降雨入渗解析解

均质土质覆盖层作为填埋场与大气环境的隔离结构其主要功能是控制雨水入渗,近些年该类覆盖层在北美一些干旱和半干旱地区被证明是有效的。基于二维非饱和土渗流控制方程,采用可考虑土体进气值的指数函数描述土体的土水特征曲线和渗透系数曲线,使用单位梯度边界作为土质覆盖层的底部边界条件,推导出可考虑任意初始条件的降雨入渗移解析解。通过与前人试验结果比较与分析,证明了该解析解的有效性。对比分析了均质土质覆盖层底部分别取单位梯度边界、渗流审查边界和固定孔压边界对降雨入渗及渗漏量的影响,分析结果表明:与渗流审查边界和固定孔压边界相比,单位梯度边界更适合土质覆盖层的渗漏量计算。利用该解析解分析不同初始条件对累计渗漏量的影响,结果表明覆盖层累计渗漏量随其底部初始体积含水率的增加而增大。为土质覆盖层防渗漏性能评价提供了一种简单实用的计算方法。     

湿润气候区固废堆场封场土质覆盖层性状研究

固废堆场封场土质覆盖层由天然非胀缩土料组成,其造价及后期维护费用明显低于传统覆盖层,是填埋场封场覆盖的理想型式。采用基于非等温多孔介质中水热耦合运移控制方程的软件,考虑外界气候条件、地表蒸发作用、植被蒸腾作用,建立土质覆盖层–植被–大气相互作用数值模型,针对中国湿润气候区典型城市长期实测气象条件,系统分析了不同结构型式土质覆盖层的性状。分析结果表明,毛细阻滞型覆盖层可把水分阻滞在根系生长层,便于植被蒸腾作用的提取,其性能优于单一土层型覆盖层。土质覆盖层内水分的排出主要依靠植被蒸腾和地表蒸发,二者与植被特征相关,植被条件越好则腾发总量越大;根系生长区内的含水率变化幅度大于其它区域。在本文气候条件下,选择厚度为1.4 m的毛细阻滞型覆盖层并结合一定植被条件可防止产生深层渗漏。     

长三角地区填埋场ET封顶系统的性能评价

从ET(evapotranspiration,腾发)封顶系统工作机理出发,根据苏州市气象资料,首先用Penman公式计算ET封顶的潜在腾发量,然后依次求解植被截留量、土面蒸发量、植被蒸腾量和地表径流量,从而求得净入渗量;将净入渗量作为边界条件,选取典型参数分别建立单一土层型ET封顶和毛细阻滞型ET封顶的非饱和渗流模型,分析得到这两种封顶内的水分运移规律,并对其性能进行评价。分析结果表明,蒸发蒸腾对ET封顶中的水分运移起决定性作用,封顶中浅部土体含水率受降雨和腾发作用影响显著,而底部含水率不变化或变化很小,蓄水–释水循环主要发生在植被根系发育区。植被良好、根系深度50 cm的ET封顶系统累积透水量很小,在长三角地区气象条件下能满足设计要求,其中毛细阻滞型ET封顶的累积透水量小于单一土层型,这两种ET封顶减小降雨入渗的性能均优于传统压实黏土封顶。     

Numerical analysis of moisture and gas transport in earthen final covers considering effects of vapor and temperature gradient

Biochemical decomposition of high kitchen wastes in landfills in China results in (i) a high content of vapor in landfill gas (LFG) and (ii) a noticeable temperature gradient across the earthen final cover (EFC). Yet, it is unclear how vapor and temperature gradients affect moisture and gas transport through EFC and microbial aerobic methane oxidation (MAMO). A theoretical model of moisture-gas-heat reactive transport considering MAMO and effects of vapor flow and temperature gradients was developed, and a series of parametric studies were included. The model was verified by published test results. The parametric simulation results show that vapor from landfill wastes can replenish water to EFCs in dry seasons, which results in (i) the relief of water shortage of vegetation and MAMO and (ii) LFG emission reduction. Effects of vapor inflow become more significant under larger temperature gradient. In cold seasons, temperature gradients can promote MAMO to reduce methane emissions, and enhance evaporation to reduce percolation. When evaporation rate at the surface exceeds 30 times vapor influx, vapor inflow has negligible effects on moisture and gas transport in EFCs. Neglecting effects of vapor and temperature gradient can lead to misjudgments on anti-seepage performance and methane emission reduction performance of EFCs.     

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。     

垃圾填埋场腾发覆盖系统控制渗滤效果的研究

腾发覆盖垃圾填埋系统(ET Landfill)利用覆盖层土壤的储水能力及植被的腾发作用对进入覆盖层的降水进行调节,达到控制渗滤的目的.通过对不同覆盖层结构和植被组合的腾发覆盖系统的水均衡动态进行试验研究,探讨了不同组合条件下的土壤水分动态过程和渗滤控制效果.结果表明,相对于无植物覆盖系统,腾发覆盖系统能够有效地调节覆盖土层的储水量,减少垃圾填埋场的渗滤液.在有植物覆盖的各组试验中,种植灌木为主60 cm覆盖土层的渗滤控制效果最好,而完全种植草本植物40 cm覆盖层的控制效果最差.     

Geoenvironmental assessment of climate impacts from landfill gas emissions

An extensive field investigation was conducted to determine emissions of 80 individual landfill gas species from 3 cover categories (daily, intermediate, and final) at 5 California (USA) landfills over 2 main seasons (wet and dry). The gases included 15 principal anthropogenic greenhouse gases (methane, nitrous oxide, and 13 F-gas species) and 65 non-methane volatile organic compounds (NMVOCs). Emissions were measured using the static flux chamber method. In addition, field and laboratory tests were conducted to determine geotechnical index properties of the covers. Results are presented for flux and baseline emissions as well as for direct and indirect climate forcing emissions (CO₂-eq.) of the chemicals. Positive flux of a given chemical at a given landfill varied by up to 8 orders of magnitude and similarly, between landfills by up to 8 orders of magnitude. Direct emissions varied from 480 to 38,000 Mg CO₂-eq./yr, where emissions per m³ waste in place ranged from 0.0004 to 0.013 Mg CO₂-eq./m³-yr and per ha of landfill area ranged from 4.8 to 1320 Mg CO₂-eq./ha-yr. Flux and emissions decreased as the cover soils varied from coarser to finer materials, clay content of cover soils increased, and with increasing composite parameters representing combined void ratio and cover thickness, total cover solids, and combined gas-phase tortuosity and thickness. These parameters and the associated numerical thresholds identified in this paper can be used to inform improved engineering design, construction, and operations of landfill covers to mitigate gas emissions and limit climate change effects from landfills.     

CERCLA landfill closures: Construction considerations

A properly functioning cover over an uncontrolled landfill which is regulated under the Comprehensive Environmental Response Compensation and Liability Act (CERCLA) depends on both a well-engineered cover design and prudent construction practices.

This paper focuses on several geosynthetic construction issues which ultimately impact the performance of the final constructed cover. Preparation and placement issues related to subgrade preparation, geosynthetic placement, cover soil placement and test sections are presented. Storage and seaming of the geosynthetics are discussed. Construction quality control and quality assurance programs are emphasized. In addition, relevant design issues pertaining to settlements, interface friction, and rigid-nonrigid connections are discussed.

Although these issues apply to all landfills, this paper is based on experience gained from design, review and construction oversight of CERCLA landfill covers by the US Army Corps of Engineers.