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。     

黄土覆盖层水–气耦合运移土柱试验及数值模拟

基于水分储存与释放机理的土质覆盖层在干旱和半干旱地区垃圾填埋场具有较好的应用前景。前人研究土质覆盖层大多侧重于其雨水存储及防渗性能,忽略了填埋气在覆盖层中的运移及其影响。通过在黄土土柱底部通入甲烷和二氧化碳等比例混合气体模拟填埋气在覆盖层运移,在土柱顶部施加3 cm常水头模拟雨水入渗对黄土覆盖层中气压分布以及各气体组分分布的影响。基于试验结果,利用商业软件Geo-Studio中的Air/W模块对黄土覆盖层水–气耦合运移进行了数值模拟与分析。研究结果表明:模拟雨水入渗降低了上层黄土的导气系数,导致土柱中气压显著增加,呈现出先增加至"突破值"然后回落至"稳定值";气压"突破值"约等于上部土体进气值;数值模拟能较好地模拟水分入渗过程并捕捉到气压变化趋势,但由于其无法模拟多组分填埋气在土柱中的复杂物理过程,导致气压的模拟结果与实测值存在差距。本文为更准确模拟分析土质覆盖层中水与填埋气耦合运移过程提供了一些建议。     

垃圾填埋场沉降变形条件下气-水-固耦合动力学模型研究

基于多孔介质流气–水–固耦合和微生物降解理论,建立描述这一复杂动力学行为的二维气–水–固耦合数学模型,并给出耦合模型的数值格式。通过数值仿真实现垃圾填埋体的变形沉降及气体产生和迁移演化过程的可视化,得到气体压力及产气量随填埋年份的变化规律。数值计算结果表明:填埋体内总应力及孔隙度的改变与垃圾降解变化规律一致;抽气过程使场内气体压力得到释放;由于沉降作用填埋场内水相饱和度有增大的趋势,其中底部变化较顶部明显;此外,气井产量的变化与气体迁移单相模型的计算结果基本吻合,验证耦合模型的可靠性,其研究成果为垃圾填埋场沉降控制与气体资源化利用提供技术支持和理论依据。     

垃圾填埋场中水平导排盲沟渗流模型及间距设计

水平导排盲沟是垃圾填埋场一种重要的堆体内渗沥液导排设施,其水平间距对导排能力和水位控制效果有直接影响。通过建立水平导排盲沟渗流模型,得到了盲沟上水位浸润线的解析解,提出了对应于稳定控制警戒水位要求的水平导排盲沟间距设计方法,并与数值计算结果进行比较。进一步揭示了入流量、垃圾饱和渗透系数、盲沟尺寸、盲沟等效渗透系数和盲沟水平间距对盲沟水位控制能力的影响规律,研究结果表明:当盲沟等效渗透系数小于10~(-4)cm/s时,堆体最大水头及盲沟上水头均明显上升;控制入流量与垃圾饱和渗透系数比值小于0.05时,有利于实现堆体水位控制。基于上述分析,提出了无量纲化的盲沟水平间距设计用图。最后,通过算例分析,验证了文章提出的水平导排盲沟间距设计方法。     

基于渗流-压缩耦合作用的填埋场渗沥液导排量分析

目前,渗滤液的导排量分析通常采取水文分析方法或经验公式获得,不考虑由于填埋体的压缩引起的排出,从而低估渗滤液导排量或难以估计封场后渗沥液的产生情况。采用有限元软件模拟填埋体压缩及饱和-非饱和渗流过程,考虑了填埋体渗透系数由于压缩发生的改变而变化,分析了各堆填阶段的渗沥液导排量。研究了初始含水率、压缩性、降雨强度等对渗滤液导排量的影响,并和现场实测数据进行了对比验证。结果表明：垃圾初始含水率、压缩性、降雨强度是决定渗沥液导排量的主要因素,垃圾初始压缩指数C_c为1.31时的渗沥液导排量比不考虑压缩堆填期间的渗沥液导排量提高了26.0%;分区填埋作业时,渗沥液导排较小,且随时间波动较小。     

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。     

不同降雨模式条件下填埋场封顶系统最大饱和深度

根据水量平衡原理,以扩展的 Dupuit 假定为基础,建立了填埋场封顶系统饱和深度的计算模型,应用该模型研究了均布型、前峰型、中峰型和后峰型 4 种降雨模式对填埋场封顶系统饱和深度的影响,并分析了不同降雨模式条件下降雨强度、排水层渗透系数、水平排水距离和斜坡坡度对封顶系统最大饱和深度的影响规律。计算结果表明,前峰型降雨模式条件下封顶系统饱和深度的增长速率最快,后峰型增长速率最慢,均布型和中峰型对应的饱和深度增长速率介于上述两者之间;封顶系统最大饱和深度随排水层渗透系数的变化有一敏感范围,处于该范围内最大饱和深度随排水层渗透系数的增加显著减小;水平排水距离的增加会引起封顶系统最大饱和深度明显的增大。     

城市生活垃圾填埋场可生物降解物降解产物量化分析

我国是世界上生活垃圾产生量和堆存量最大的国家,垃圾污染问题十分严重.目前,城市垃圾处理手段主要有填埋、焚烧与堆肥.在生活垃圾的资源化研究中,最为突出的就是有机垃圾的厌氧消化技术.厌氧消化与好氧堆肥相比,它具有过程可控制、降解快、能量再利用等优点.欧洲近十年来积极开发这一新的垃圾处理技术,并已取得生产试验成功,每年大约有106t的垃圾通过厌氧消化得到处理.生活垃圾厌氧消化存在两大问题:①填埋气;②渗滤液.填埋气热值很高,20000kJ/m3,是很好的气态燃料,可用于发电.本课题中主要研究填埋气产量和产气速率,影响产沼气因素,如何提高填埋气产气速率.我国近些年在城市有机垃圾厌氧消化产沼气方面也做了一些初步研究,如垃圾填埋场有机污染物的生物降解机理,垃圾填埋场气体产生和模型研究,高温厌氧消化处理城市有机垃圾的正交试验研究,城市有机垃圾厌氧消化痕量激活剂的促进作用及产能研究等等.     

垃圾填埋场地利用中的气体阻隔和承载力强化

以重庆某已封场非规范垃圾填埋场为例,分析了在该填埋场地上进行防渗和稳定化处理的工程措施效果。通过分析不同深度填埋垃圾中的生物可降解物质(BDM)含量及填埋气中的CH4含量,评判垃圾填埋场的稳定化程度,据此采用帷幕灌浆技术对该场地进行处理,以达到气体防渗和地基稳定性条件。结果表明:该填埋场表层13 m深度以内的垃圾体稳定化程度较低,而填埋深度超过13 m的垃圾体基本稳定。实施帷幕灌浆后,可切断垃圾填埋场与周边建筑工程间填埋气的横向通道,填埋气中的CH4含量1%,可满足《生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求》(GB/T 25179—2010)中高度利用的要求;另外,地基承载力为240~320 kPa,可满足工程设计要求。由此说明,帷幕灌浆技术可以实现对已封场非规范垃圾填埋场地进行安全利用。     

垃圾填埋场孔压监测及边坡稳定性分析

通过现场监测确定垃圾填埋场内的孔压,基于对监测结果的分析得到填埋场内渗滤液水位分布;取不同深度的垃圾土样进行三轴试验测定其抗剪强度参数,利用极限平衡方法定量分析孔隙水压力和孔隙气压力对填埋边坡稳定性的影响.研究结果表明:该填埋场内的渗滤液水位较高,由于中间覆盖层的存在,使填埋场内存在上层滞水;不同埋深垃圾土的抗剪强度不同,随着埋深增加,垃圾土的有效黏聚力减小,有效内摩擦角增加;渗滤液水位高低对填埋边坡安全系数影响很大,上层滞水对边坡稳定性影响较大,气压力对其稳定性影响不大.     

垃圾填埋场渗沥液水位壅高及工程控制

 我国垃圾填埋场渗沥液水位普遍壅高,严重影响安全运行。测试和总结垃圾的持水特性、饱和渗透系数以及渗沥液导排层渗透和淤堵特性。通过数值分析,揭示垃圾初始含水率、持水特性以及垃圾和导排层渗透系数对填埋场水位的影响规律。结果表明,垃圾饱和渗透系数随深度和龄期减小、导排层淤堵、垃圾初始含水率高导致水位明显壅高;而垃圾饱和渗透系数较小时,堆体内易形成局部滞水。结合实际工程,验证数值模拟结果,提出并实施水位壅高控制的工程措施,效果十分显著。     

成层介质中填埋场渗滤液的最大饱和深度

为合理设计填埋场排水层或覆盖层,设计者必须能够估算出各种条件下衬垫上渗滤液的最大水头。本文依据标准Dupuit假设,提出了稳定状态下成层衬垫上最大水头的计算方法。通过与McEnroe(1993)和Qian(2004)的计算结果比较,本文提出的方法是合理的。本文通过参数分析总结了成层介质中不同因素对最大渗滤液水头的影响规律。     

填埋场复合排水系统中最高水位深度的计算

现代填埋场排水层或覆盖层设计时,对复合排水系统最大水位深度的准确估算一直都没有获得很好的解决。依据扩展的Dupuit假设形式,导出复合排水系统在自由出流边界条件下的浸润线求解方法。通过与HELP模型,Giroud等以及Qian的计算结果比较,说明本文提出的方法是合理和准确的,在此基础上,进行了算例及多参数分析。对复合排水系统(两层)而言,如果入渗率、排水距离、土工网排水率、上覆砂层渗透系数不是很小,最大水位深度受这些因素的影响非常明显。和单一介质相比,复合排水系统的最大水位深度受坡度的影响很大,在实际的设计中,增加复合排水系统的坡度可以非常有效地减少最大水位深度。     

考虑垃圾体成层性的渗滤液回灌运移规律

渗滤液回灌不仅能处理渗滤液、节约费用和保护环境,而且加速了填埋场稳定化,增加了产气率。以上海某填埋场四期工程为计算模型,本文考虑垃圾土沉降导致的成层性,运用SEEP/W有限元软件模拟渗滤液喷洒回灌。垃圾土在自重作用下会产生较大的沉降变形,导致垃圾土的孔隙率随深度变化,残余含水量、饱和含水量及饱和渗透系数也随之变化。在数值模拟中,以VGM(van-Genuchten-Mualem)函数描述垃圾土渗透系数与基质吸力关系,以流量边界模拟填埋场顶部、底部的渗滤液回灌和导排,分析了回灌过程中渗滤液的饱和-非饱和渗流情况,进而探讨了垃圾土成层性、回灌强度和排水流量对渗滤液运移规律的影响。     

折线形填埋场排水系统最大浸润线水位深度的计算

在实际的填埋场设计中,存在着排水系统由两段或多段不同坡度的折线段组成的情况,目前对折线形排水系统最大水位深度的准确估算只适用于非常有限的几种情况。依据扩展的Dupuit假设,导出折线形排水系统在自由出流边界条件下的浸润线求解方法。通过案例分析及与Giroud等的计算结果比较,证明所提出的方法是合理和准确的。在此基础上,进行多参数分析。在一般情况下,下坡的最大液面高度取决于总长度、下游坡度及入渗强度。在计算上坡最大水头高度的时候,应该考虑由于下坡积水引起的上下坡交界处的水位。复合排水材料对减少最大水位深度有着重要的意义。     

气压和温度变化共同作用下垃圾填埋场边坡稳定性研究

城市生活垃圾填埋场在高渗沥液水位情况下发生边坡失稳滑坡的工程事故已多次发生,初步分析认为滑坡由渗沥液水位、垃圾降解产气和温度升高等因素共同引起。目前尚未见考虑渗沥液水位、气压和温度共同影响填埋场边坡稳定性研究的报道。通过简化垃圾填埋场气压和温度分布的计算,利用瑞典条分法进行考虑渗沥液水位、气压和温度共同影响的填埋场边坡稳定性分析。计算结果表明:考虑气压和温度的影响使得填埋场边坡稳定安全系数降低24.7%～43.0%;建议在同时考虑渗沥液水位、气压和温度的影响进行填埋场边坡稳定分析时,控制最小安全系数大于1.0可保证填埋场安全运行。本研究可为垃圾填埋场的设计、施工和运行管理提供理论支撑。     

垃圾填埋场封顶系统最大饱和深度的计算

封顶系统饱和深度的最大值直接关系到封顶系统坡体稳定性和排水层的设计。根据水量平衡原理,以扩展的Dupuit假定为基础,建立填埋场封顶系统最大饱和深度的计算模型,应用该模型研究封顶系统饱和深度随时间的变化过程,分析不同因素对封顶系统最大饱和深度的影响规律。研究结果表明:在强降雨和高排水率情况下,饱和深度在较短的时间内达到了稳定,采用渗透系数较大的排水材料铺设排水层、减小水平排水距离、增大斜坡坡度等措施都能在一定程度上减小封顶系统最大饱和深度,在最大饱和深度较大的情况下,水平排水距离是比排水坡度更为显著的影响因素。