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。     

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象.为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证.试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好...     

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象。为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证。试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好的观测效果,可观测出水分运移的更多细节;运用FDR法,对AHFO传感器进行原位标定,曲线拟合精度R2均大于0.93,具有较高的体积含水率监测准确度;毛细阻滞层对降雨入渗具有明显的阻滞效应,即存储屏障上部入渗和减少水分向下部水体渗出。相关研究结论为毛细阻滞现象研究以及土壤水分场监测提供了一种新的监测方法。     

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。     

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。     

考虑蒸发影响的非饱和土坡渗流分析

运用分形模型理论预测了粘土、粉土与砂土的土-水特征曲线与导水系数曲线。讨论了大气降雨-蒸发作用对非饱和渗流场的变化规律。在大气蒸发作用下,粘土边坡表层土体的负孔压逐渐增大。随着降雨入渗,粘土边坡坡脚处的土体首先达到饱和状态,并出现正孔隙水压。在降雨过程中,粉土边坡与砂土边坡的坡脚处,难以形成正孔隙水压。粘土边坡的实际降雨入渗量较小,且与土体的初始含水量、降雨类型、土体的导水系数等因素有关。非饱和土的实际蒸发量不等于其饱和状态时的土体蒸发能力。当土体达到饱和状态时,两值相等。实际蒸发量与潜在蒸发量的比值是土体表层基质吸力的函数。     

非饱和导排结构控制降雨入渗的边坡物理模型试验

膨胀土渠坡失稳是影响南水北调中线供水工程安全性的重要因素之一,而对其边坡进行防渗处理是解决膨胀土边坡失稳的有效途径。针对传统边坡防渗处理方法(面板与土工布覆盖等)存在生态功能弱以及使用寿命短等不足,开展了非饱和导排结构的边坡防渗效果的物理模型试验研究。利用土壤剖面负压动态监测数据,采用非饱和渗流理论,在不同降雨强度与不同初始含水量条件下,对比分析了两种非饱和导排结构即细/粗粒二元结构和粗粒单一结构,控制降雨入渗边坡的效果。研究结果表明:在降雨强度为4.18×10-4 cm/s的情况下,二元结构能有效阻止降雨入渗;且细粒层初始含水量越低,其储水能力越强,二元结构控制降雨入渗的效果相对越好。在降雨强度为1.72×10-4,4.18×10-4,4.97×10-4 cm/s的情况下,粗粒层单一结构对降雨入渗边坡均具有一定的控制作用,但有5.6%~10.7%的降雨从模型底部排出,存在入渗风险。总体上,从排水–渗流控制效果与生态功能角度考虑,二元结构明显优于单一结构。研究成果可为解决南水北调膨胀土边坡以及其它工程边坡的渗流控制问题提供技术支撑。     

降雨条件下某铁矿排土场边坡渗流场分布特征研究

在饱和非饱和理论分析的基础上,针对山西某铁矿排土场,利用Geo-studio软件seep模块模拟了排土场降雨入渗过程,并对降雨条件下排土场地下水的渗流特征进行了详尽分析。矿区降雨量较少,沟谷发育,地表排泄通畅,径流快,同时排土料渗透系数大,难以储存地下水,边坡静态水位较低;排土料的渗透系数大于单位降雨量,降雨仅仅提高了...     

路面结构层非饱和渗流参数敏感性分析

根据非饱和土的渗流理论,采用有限元软件对不同降雨强度、不同降雨历时下路面结构进行渗流模拟,结果表明在同样的降雨量前提下,降雨历时长的雨型入渗量大,降雨历时比降雨强度对表面水的渗入量影响更为重要。     

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。     

垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶工作机理及性能分析

毛细阻滞型腾发封顶目前主要用于国外干旱、半干旱地区,在湿润气候区的研究很少。在杭州市露天构筑毛细阻滞型腾发封顶模型,量测18个月中降水、蒸发和植被蒸腾下土柱透水量、地表径流量和土体含水率,得到该封顶在不同季节的响应,分析了毛细阻滞作用机理及其性能,使用水量平衡模型(HELP)和土壤–植被–大气相互作用模型(VADOSE/W)对试验过程中的水量平衡进行模拟,探讨了数值模拟存在的问题。试验过程中,共降水2361 mm,产生地表径流88.4 mm,透水67.4 mm,其他降水均在土层吸持与腾发交替作用下最终返回大气,由于试验地区多雨期与植被腾发旺盛期重合,毛细阻滞型腾发封顶在该地区具有良好性能。由于毛细阻滞作用,使得上部黏土中存储了更多水分用于后期腾发,从而减少了透水量,当毛细阻滞界面附近土体的体积含水率超过临界含水率时毛细阻滞界面被击穿,击穿是连续强降雨作用的结果。HELP和VADOSE/W均高估了地表径流和透水量、低估了腾发量,因为VADOSE/W能考虑毛细阻滞的机理,所以大致上VADOSE/W的模拟结果比HELP更合理和准确。     

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。     

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。     

南江红层地区缓倾角浅层土质滑坡降雨入渗深度与

2011年“9.16”特大暴雨诱发四川省南江县发生数以千计的缓倾角浅层土质滑坡,该类典型滑坡具有滑体厚度集中在1～5 m区域,且总是沿呈“光面”的基覆界面顺层滑动的特殊性。通过设计室内降雨入渗试验、建立G-A入渗模型及考虑大气对土坡的影响计算得大气影响深度,分析滑坡降雨入渗深度,研究滑体厚度分布成因;并根据非饱和土强度理论分析天然状态下及降雨条件下浸润峰分别位于土层中与基覆界面时的斜坡稳定性,研究滑坡沿基覆界面滑动成因。结果表明：南江县红黏土渗透性极低,短时间的强降雨下降雨入渗深度十分有限,一般仅入渗50 cm左右。研究区的大气影响深度为5.37 m,在该深度范围内,雨水易入渗,但随着深度的增加,土体风化程度逐渐减弱,土体孔隙比、渗透性逐渐降低,入渗逐渐困难,直至下覆基岩,降雨过程中雨水入渗深度是导致缓倾角浅层土质滑坡厚度主要集中在1～5 m的原因。在降雨条件下,当浸润峰深度小于土层厚度,潜在滑面位于浸润峰处时,斜坡保持稳定,当浸润峰深度等于土层厚度,潜在滑面位于基覆界面时,界面滞水,水位上升,孔压产生,同时界面岩土体发生软化和润滑作用,界面效应是导致滑坡沿基覆界面这一“光面”顺层滑动的主要原因。     

In Situ Performance Monitoring of an Infiltration Drainage System and Field Testing of Current Design Procedures

Sustainable urban drainage systems offer a sustainable option for the disposal of stormwater runoff - reducing the risks of flooding and pollution of receiving watercourses. However, the adoption of such systems has been slow, with a lack of performance data identified as being one barrier. This paper presents in situ performance data from a perforated concrete ring soakaway which was installed to collect stormwater runoff from a school roof and paved area. Data on rainfall at the site and water depth in the soakaway were collected for a period of twenty months, and a number of rain events were studied in detail. Data from the soakaway were used to test the most recent design procedures for infiltration drainage systems, and it was found that the design equations gave reasonable predictions of system response to rainfall - especially when the observed runoff coefficients were taken into account.     

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。     

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.