溫差梯度下衛(wèi)生填埋場粘土襯墊層的開裂性質(zhì)研究.pdf

1、衛(wèi)生填埋場的粘土襯墊層在填埋場結(jié)構(gòu)各組分中起著核心的作用。它主要用來阻止垃圾體內(nèi)的滲濾液往下滲漏或向四周擴(kuò)散，使地下水和周圍環(huán)境免受污染。在填埋場運(yùn)營過程和封場后，由于填埋的垃圾在微生物分解作用下發(fā)酵放熱，對底部的HDPE膜持續(xù)加熱，使得粘土層頂部和地下水位之間產(chǎn)生溫度差。如果把HDPE下的粘土層和下伏土層看成一封閉系統(tǒng)的話，那么在溫差梯度的作用下，粘土層和下伏土層中的水分、空氣和熱量將會產(chǎn)生滲流并隨時(shí)間發(fā)展最終將達(dá)到動態(tài)的平衡。本文不

2、考慮空氣的運(yùn)移，著重研究其中液態(tài)水、氣態(tài)水和熱量的滲流。 本研究通過對廣州興豐垃圾填埋場現(xiàn)場采取粘土樣品，采用X射線衍射分析其礦物成分與用掃描電鏡分析它的微觀結(jié)構(gòu)特征，并對其進(jìn)行了各種土工實(shí)驗(yàn)，獲得一系列土工參數(shù)。之后，建立物理模型進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測量粘土襯墊層在石英細(xì)砂層上、一定的溫差梯度下內(nèi)部基質(zhì)勢、含水量、溫度和滲透系數(shù)沿深度的分布和隨時(shí)間的變化，并對粘土層表面裂縫產(chǎn)生、發(fā)展的情況進(jìn)行觀察。 采用SUMMIT軟件對實(shí)

3、驗(yàn)條件進(jìn)行模擬，并對比分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)以及它們揭示出的規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，非等溫滲流下基質(zhì)勢和溫度為主要驅(qū)動力，重力勢能的影響微乎其微。按運(yùn)動機(jī)理來分，液態(tài)水流可分為由重力作用的向下的滲流和由基質(zhì)勢作用的向上的滲流；氣態(tài)水可分為由基質(zhì)勢作用的向上的擴(kuò)散和由溫差梯度作用的向下的擴(kuò)散：熱量可分為由土顆粒熱傳導(dǎo)作用進(jìn)行的傳導(dǎo)和由液態(tài)水、氣態(tài)水作為傳輸介質(zhì)的傳遞。三相之間是互相影響，密不可分的。一方面，熱量的運(yùn)移造成溫差梯度的增大加

4、劇了土中基質(zhì)勢的發(fā)展，而基質(zhì)勢的變化又影響了液態(tài)水和氣體水的滲流；另一方面，熱量決定液態(tài)水和氣態(tài)水的轉(zhuǎn)化，而液態(tài)水和氣態(tài)水的滲流進(jìn)一步影響了熱量的傳導(dǎo)。因此土體中的熱量、液態(tài)水、氣態(tài)水三者之間是耦合作用的。本文進(jìn)而分析了基質(zhì)勢、含水量、溫度和滲透系數(shù)變化的機(jī)理以及它們之間的相互關(guān)系。 本文認(rèn)為非飽和土的土壓力系數(shù)往往是變量，在普遍情況下，對開裂的預(yù)測可采用基于Bishop的非飽和土有效應(yīng)力公式，根據(jù)非飽和土的塑性與極限平衡理論取

5、側(cè)壓力系數(shù)，并應(yīng)用格里菲斯破壞準(zhǔn)則推導(dǎo)出以基質(zhì)吸力p為變量的方程來判斷粘土層是否開裂。本文還探討了粘土層中的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)和滲濾液化學(xué)成分對土中各流體滲流的影響。粘土的礦物成分主要通過影響土體中的熱流運(yùn)動和土體的膨脹收縮這兩方面來影響粘土層的物理力學(xué)性能變化。粘土的微觀結(jié)構(gòu)主要是影響粘土體的滲透性能和膨脹收縮性能。滲濾液主要通過改變粘土層的化學(xué)成分來影響它的滲透性能。這些因素都間接影響了粘土層中水、汽、熱的運(yùn)移。 最后，本文

6、對興豐填埋場防滲層分別用SUMMIT和VADOSE軟件作了長期模擬，并針對模擬結(jié)果進(jìn)一步分析了粘土層中水、汽、熱的運(yùn)移規(guī)律以及粘土開裂的情況。SUMMIT和VADOSE對實(shí)際問題的模擬表明，SUMMIT的模擬考慮了上覆垃圾的影響，可以通過計(jì)算高吸力范圍的基質(zhì)勢來估計(jì)上覆多重的垃圾時(shí)粘土層不會開裂。VADOSE的模擬能夠在低吸力范圍內(nèi)計(jì)算基質(zhì)勢變化并且考慮了土體開裂后的情況，但它不能估計(jì)在上覆很重的垃圾時(shí)粘土層中是否會產(chǎn)生裂縫。在實(shí)際應(yīng)用