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。     

湿润气候区带膨润土垫ET封顶的性能分析

ET(evapotranspiration,腾发)封顶目前主要用于少雨地区的填埋场,本文考虑1500mm的年降雨量,分析一种加膨润土垫(GCL)的新型土工复合ET封顶在湿润地区的工作性能。建立渗流-腾发耦合模型,计算此新型ET封顶和典型单层土ET封顶的地表径流量、地表蒸发量、植被蒸腾量、最终透水量,对比分析两种ET封顶内的水分运移规律及其工作性能。结果表明:新型ET封顶产生的地表径流总量多于典型单层土ET封顶;新型ET封顶通过膨润土垫的低渗透性使上部土层能够储存更多的水分用于后期腾发,其腾发量大于典型单层土ET封顶,尤其是在降雨高峰期更为明显;在该地区,总厚度1.2m的典型单层土ET封顶并不能有效阻止水分渗透到填埋场中,而新型ET封顶能够满足设计要求。     

填埋场腾发封顶系统中的水分运移分析

 从腾发封顶系统工作机制出发,依据Penman公式从能量角度计算潜在腾发量,然后依次分析和求解植被截留量、土面蒸发量、植被蒸腾量和地表径流量,从而求得净入渗量;并将净入渗量作为条件边界,选取典型参数建立腾发封顶的非饱和渗流模型,分析得到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,蒸发蒸腾对该类型封顶中的水分运移起着决定性作用,封顶中浅部土体含水量受降雨和腾发作用影响显著,底部含水量基本不发生变化,起蓄水–释水作用的主要是植被根系发育区。在所考虑的气候条件下,植被良好、根系深度50 cm、总厚度为120 cm的腾发封顶系统的累积透水量很小,完全能满足设计要求,其减小降雨入渗的性能优于传统压实黏土封顶。     

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。     

毛细阻滞覆盖层储水能力和击穿时间试验研究

毛细阻滞覆盖层目前在干旱、半干旱地区应用较成熟,但缺乏在湿润地区服役性能和设计准则的研究。为了明确毛细阻滞覆盖层在连续降雨作用下的服役性能,通过土柱降雨入渗试验,研究毛细阻滞覆盖层储水能力和击穿时间与降雨强度、细粒土层厚度和初始含水率的关系。试验结果表明：(1)降低细粒土层初始含水率、提高细粒土层厚度均有助于提升储水能力;(2)在试验厚度及含水率范围内,击穿时间随细粒土层初始含水率的降低和厚度的提高而线性增加,与降雨强度呈幂函数负相关关系,在饱和渗透系数附近,击穿时间随降雨强度的增长由迅速降低变为缓慢降低;(3)极端连续降雨条件下,毛细阻滞覆盖层的入渗速率首先由降雨强度控制,最终趋于饱和渗透系数,该过程可用等效入渗速率描述,降雨强度、初始含水率对等效入渗速率具有显著影响。基于试验结果,提出了毛细阻滞覆盖层的实用储水能力模型,推导了击穿时间的半经验–半理论计算模型,储水能力和击穿时间模型计算结果均与试验结果吻合,可作为毛细阻滞覆盖层在连续降雨条件下的设计依据。研究结果可为毛细阻滞覆盖层在湿润地区和极端降雨情况下的设计和维护提供参考。     

黄土–碎石毛细阻滞覆盖层储水能力实测与分析

中国西北地区气候较干旱,黄土分布广泛。就地取材采用当地的黄土作垃圾填埋场封场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济性。在西安江村沟垃圾填埋场建造了国内首个20m×30m大尺寸黄土–碎石毛细阻滞覆盖层现场试验基地,在基地开展了极端降雨试验。水量分配测试结果表明:总降雨量214.8 mm;坡面径流1.7 mm,占总降雨量的0.8%;土层存储(含蒸发)199.57 mm,占总降雨量的92.9%;渗漏13.53 mm,占降雨量的6.3%。基质吸力与水份运移规律分析结果表明:持续降雨条件下毛细阻滞覆盖层(900 mm)细粒土中表层土(15 cm深度以上)和底层土(85cm深度以下)的孔压(或体积含水率)均较高;底层土孔压(或体积含水率)较高是由于碎石–黄土界面间毛细阻滞效应对水份下渗的阻滞作用,这是有别于单一土层降雨入渗水份运移的显著特征。储水能力评估结果表明:极端降雨试验实测黄土–碎石毛细阻滞覆盖层有效储水量为251.95 mm。采用室内吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值S_(fac)为218.75 mm,实测值较理论值大15.18%,结果偏于安全。采用现场吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值比理论值小9.47%,偏于危险。防渗设计中建议采用室内吸湿土水特征曲线。     

半湿润地区毛细阻滞覆盖层长期防渗性能评价与渗漏气象机制分析

为评价毛细阻滞覆盖层在我国西北半湿润地区的长期防渗性能，揭示该地易渗气候段及其渗漏引发气象机制；收集分析西北半湿润地区(西安)50年的气候特征，基于数值模拟耦合地区气候条件开展土质覆盖层长期防渗性能分析。结果表明：(1)西北半湿润地区(西安)4～11月降雨多气温高，12月～次年4月降雨少气温低；雨热同期有利于土质覆盖层水分腾发释放。(2)降雨量在7、9月达峰值，蒸散量在6月达峰值。7～11月降雨量大、气温逐渐降低，植被逐渐凋零腾发作用减弱，水分释放强度缓慢，导致覆盖层含水量增加易引发渗漏。11月～次年3月降水稀少，防渗效果好。(3)在该地土质覆盖层防渗设计中，11月～次年3月为非控制性气候段。7～11月为易渗气候段，建议在防渗设计和既有填埋场运-管-维期水位控制、边坡稳定监测工作中作重点校核与管控。     

隧道降水施工地表沉降的渗流-应力耦合分析

根据有效应力分析方法,建立了弹塑性渗流–应力耦合分析理论模型;采用流体体积方法方法来跟踪非稳定渗流场的动态自由水面,开发相应的数值模拟分析程序;并对某地铁隧道工程的动态降水过程和开挖过程进行仿真模拟,对降水和开挖过程中的地表沉降进行重点分析,得出动态变化的地表沉降曲线,通过将地表沉降计算值与现场量测值比较分析,两者数据吻合较好。研究结果表明,降水的影响半径约为30m,降水所引起的地表最大沉降值约为23mm,左右隧道施工完时地表最大沉降值约为43mm,施工期间周围建筑物和地下管线均无安全隐患。而通常采用30mm的控制标准,说明城市地铁工程的沉降控制基准要视具体的工程环境条件而定,这为该工程和类似工程施工提供了依据和参考作用。     

袖阀管劈裂注浆加固粉土路基实验研究

通过室内大型模拟实验,对粉土路基强度、刚度在毛细水作用下的衰减规律和袖阀管劈裂注浆加固路基的效果进行研究。实验模拟新建路基、潜水位20 cm/50 cm的毛细水作用路基、袖阀管注浆劈裂土体加固路基等4个工况,得到粉土路基土体含水率的分布规律和物理力学指标;在分级循环加卸荷载的作用下,得到路基模型总体刚度、受力和变形的特性;挖除路基模型,观察袖阀微桩及浆液扩散的形态。结果表明：毛细水作用可使粉土路基模型总体刚度降低70%,土体抗剪强度下降,路基竖向塑性变形随荷载增大快速增加;水平分层劈裂土体凝固的浆液不仅阻断了毛细水的上升通道,而且与底端扩大的微桩形成空间骨架与土体共同作用,骨架与土体各承担荷载大约50%,袖阀管加固粉土路基效果显著。     

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。     

Improved facility management at landfills and waste disposal sites by cover system design analysis

The cover system is a key factor in the management of waste disposal sites. Traditional methods of cover design based on empirical and semi-quantitative analysis have been improved upon by the effective use of models to assess the evapotranspiration, runoff, and infiltration volumes associated with different cover configurations. The Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) model developed for the United States Environmental Protection Agency allows cover performance prediction with a sound technical basis. The HELP model was used to assess four alternative cover designs ranging from simple, two-layer systems to more complex systems incorporating multiple drainage layers and synthetic membrane barriers. A sensitivity study was performed to determine the relative imcorporating cover design parameters such as clay barrier thickness and hydraulic conductivity, synthetic membrane leakage factor, and the length and slope of drainage layers. The results of the study can be used to identify cover designs that reduce infiltration, increase evapotranspiration, and provide manageable volumes of surface runoff within the site vicinity. The modelling indicated that more complex cover systems are not necessarily superior to simpler ones. Efficient cover systems can be achieved by concentrating the engineering design effort on several critical parameters such as the hydraulic conductivity of clay barriers and the leakage factor of synthetic membranes. Other factors, commonly considered important, such as clay barrier thickness and drainage layer design, appear to be less significant.     

Parametric analyses of evapotranspiration landfill covers in humid regions

Natural soils are more durable than almost all man-made materials. Evapotranspiration （ET） covers use vegetated soil layers to store water until it is either evaporated from the soil surface or transpired through vegetation. ETcovers rely on the water storage capacity of soil layer, rather than low permeability materials, to minimize percolation. While the use of ET covers in landfills increased over the last decade, they were mainly used in arid or semi-arid regions. At present, the use of ET covers has not been thoroughly investigated in humid areas. The purpose of this paper is to investigate the use of ETcovers in humid areas where there is an annual precipitation of more than 800 mm. Numerical analyses were carried out to investigate the influences of cover thickness, soil type, vegetation level and distribution of precipitation on performance of ET covers. Performance and applicability of capillary barriers and a new-type cover were analyzed. The results show that percolation decreases with an increasing cover thickness and an increasing vegetation level, but the increasing trend becomes unclear when certain thickness or LAI （leaf area index） is reached. Cover soil with a large capability of water storage is recommended to minimize percolation. ET covers are significantly influenced by distribution of precipitation and are more effective in areas where rainy season coincides with hot season. Capillary barriers are more efficient than monolithic covers. The new cover is better than the monolithic cover in performance and the final percolation is only 0.5% of the annual precipitation.     

垃圾填埋场封顶系统的设计与水分平衡

为了解决传统压实黏土封顶系统在干旱及半干旱地区存在干燥开裂的问题,三种新型的ET(Evapotranspiration)封顶系统的设计方案被提出了。其中,一种ET封顶系统设计方案的结构由上下各1m厚的植物生长土层和阻隔土层构成,另外两种ET封顶系统分别在中间与底部增设了一层生物阻隔层。在考虑降水与蒸发蒸腾循环补给的条件下,建立了水汽在多层非饱和土壤中迁移的一维数学模型。以1976年大连市全年的降水与蒸发蒸腾强度为边界条件,模拟了水汽在四种封顶系统中的迁移规律。计算结果表明,在传统压实黏土封顶系统中,由于压实黏土层具有极低的渗透性,致使整层土壤不能得到有效的水分补给;ET封顶系统中整个土层可以在降水的过程中有效地从边界得到补给,同时在蒸发蒸腾的条件下,把土层中的储水释放;ET封顶系统设计方案2中设置的生物阻隔层,不仅可以防止生物对阻隔土壤层的破坏,而且起到了排水作用。     

含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能 模型试验研究

通过自制试验装置研究了强降雨条件下含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能,试验装置包括 2 m×1 m×1.2 m 的模型槽、降雨模拟器与测量系统等。毛细阻滞型覆盖层模型中细粒土、非饱和导排层和粗粒土分别采用粉土、砂和碎石,模型坡度为 1<>V ∶ 3<>H ,共进行 3 组试验。所模拟的强降雨强度为 65 ～ 76 mm/h ,利用摄像和张力计监测了降雨入渗及侧向导排过程,并分别监测了坡面径流量、各土层的侧向导排量及底部渗漏量随时间变化。在强降雨条件下,试验 Ⅰ 中坡面径流量占降雨量的 69.4% ,入渗的水量中大部分存储在上层粉土中,砂层的侧向导排量为降雨量的 3.5% ,碎石层底部的渗漏量只有降雨量的 2.9% 。试验 Ⅱ 和试验 Ⅲ 中通过添加膨润土降低粉土层渗透性有效减少了降雨入渗量,与试验 Ⅰ 相比,试验 Ⅱ 和试验 Ⅲ 中非饱和砂层侧向排水出现时间延后,试验 Ⅱ 中通过下卧碎石层渗漏量进一步减少至 0.8% ,试验 Ⅲ 中无渗漏。试验结果表明：通过控制上层土 降雨 入渗量及发挥毛细阻滞及侧向导排综合作用,可有效控制该覆盖层在强降雨条件下渗漏量,使毛细阻滞型覆盖层在湿润气候区应用成为可能。     

垃圾填埋场终场腾发覆盖系统的研究进展

垃圾填埋场的传统覆盖形式为压实黏土、土工合成材料、土工膜或由这些材料组合而成的屏障型覆盖系统,由于垃圾降解和固结沉陷等原因,几乎所有屏障型覆盖系统在长期使用过程中都可能破坏失效。近年来,腾发覆盖作为一种替代覆盖技术在美国的垃圾填埋场得到广泛应用。腾发覆盖由一层植被土构成,它利用非压实土层储蓄渗入的降水、依靠植物的蒸腾和土壤蒸发消耗土壤水,从而实现渗沥污染控制。腾发覆盖的植被宜采用灌木和草皮混合形式,覆盖土层宜采用壤土或黏壤土,土体密度宜为1.1～1.5g/cm3,土层厚度取决于植被和当地气候。腾发覆盖是一种经济、实用、易于建造和维护的生态覆盖技术,但不宜用于蒸发量∶降水量〈1.2的沿海地区。