不同降雨模式下山谷型垃圾填埋场水分运移及其稳定性研究

第33卷第10期岩土力学Vol.33No.102012年10月RockandSoilMechanicsOct.2012收稿日期：2012-03-07基金项目：国家自然科学基金(No.51108293)；浙江省自然科学基金(No.Y108792)。第一作者简介：邱战洪，男，1977生，博士，副教授，主要从事环境岩土工程方向的研究。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2012)10－3151－06不同降雨模式下山谷型垃圾填埋场水分运移及其稳定性研究邱战洪，何春木，朱兵见，陈合龙（台州学院建筑工程学院，浙江台州318000）摘要：近10年的运营经验表明，国内南方地区第1批建造的山谷型垃圾填埋场中的渗滤液水位一般较高。同时，现有研究表明，降雨入渗引起渗滤液水位过高是垃圾填埋场失稳的主要诱因之一。因此，研究强降雨条件下山谷型垃圾填埋场的水分运移规律及其稳定性，具有重要的现实意义。基于七子山填埋场浅层、中层和深层垃圾土的土-水特征曲线和Brooks-Corey公式，利用非线性拟合技术得到垃圾土的渗透性函数；运用饱和-非饱和渗流理论，对递减型、中心型、增强型和平均型4种降雨模式下七子山填埋场的水分运移进行了数值计算；利用极限平衡理论，对不同降雨模式下七子山填埋场的稳定性进行了分析。结果表明，降雨模式对山谷型垃圾填埋场内的水分运移规律和填埋场的稳定性有显著的影响，递减型降雨模式下填埋场内孔隙水压的变化最大，同时填埋场稳定系数也下降最为明显，为最不利降雨模式；经历7d746mm的极端强降雨后，七子山填埋场具有极大的失稳隐患。关键词：七子山填埋场；降雨模式；降雨入渗；饱和-非饱和渗流；水分运移；稳定性分析中图分类号：TU443文献标识码：AInvestigationsofwatertransportinvalley-typeMSWlandfillsandtheirstabilitiessubjectedtovariousrainfallpatternsQIUZhan-hong，HEChun-mu，ZHUBing-jian，CHENHe-long(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,TaizhouUniversity,Taizhou,Zhejiang318000,China)Abstract:Itisshownthatthewatertablesofleachateinmanyearlyvalley-typeMSWlandfillsinChineseSouthernRegionareveryhighbytheoperatingexperimentsinlasttenyears.ItisshownthatthehighwatertableofleachatebyrainwaterinfiltrationisamainfactorinducedMSWlandfilllandslidebymanyliteratures.So,itisveryimportanttoinvestigatethewatertransportresponsesandthestabilityofvalley-typeMSWlandfillsunderheavyrainfall.Firstly,basedonthesoil-watercharacteristiccurveofshallow,middleanddeeplayerMSWinQizhishanlandfillandBrooks-Coreyequations,thepermeabilityfunctionofMSWlandfillsisgivenbynonlinearcurvefitting.Secondly,numericalanalysesareconductedtoinvestigatewatertransportinQizhishanvalley-typeMSWlandfillsubjectedtorainfallswithfourdifferentpatterns,i.e.delayed,central,advancedanduniformrainstorms.Atlast,thestabilityofQizhishanlandfillhasbeenstudiedbylimitequilibriummethod.Thecomputedresultsshowthatrainfallpatternhasasignificantinfluenceonwatertransportinvalley-typelandfillanditsstability,andthedelayedrainfallisfoundtobethemostcriticalonebecauseitresultsinthehighestpore-waterpressureinthelandfillandthesmallestsafetyfactoroflandfill.Numericalresultsshowthatthesafetyfactoroflandfillreaches1.016after746mmrainfallwithdurationof7days,andthepossibilityoflandsideinQizhishanlandfillisverygreat.Keywords:Qizhishanlandfill;rainfallpatterns;rainfallinfiltration;saturated-unsaturatedseepage;watertransport;stabilityanalysis1引言我国是受台风灾害最严重国家之一，特别是浙江、福建等东南沿海地区。台风登陆时往往伴随着强降雨，同时强对流天气往往也会带来暴雨、特大暴雨。山谷型填埋场在我国南方地区较为常见，降岩土力学2012年雨后汇水区域内形成地表和地下径流，向低处的填埋场区流动。因此，强降雨时大量的雨水可能入渗到垃圾堆体中。十多年的运营经验表明，我国南方第1批建造的许多山谷型填埋场(如杭州天子岭、苏州七子山、重庆长生桥)，由于无渗滤液导排系统或系统失效、缺乏必要的雨污分流措施、截洪沟失效等原因[1]。在降雨入渗作用下，填埋场内的水位普遍较高，如杭州市天子岭第1垃圾填埋场内渗滤液的水头高达40～50m。Koerner等[2]对10个发生失稳的填埋场进行了分析，分析结果表明，填埋体内的渗滤液水位过高是填埋场失稳的主要诱因，占70%，并且其中3个和强降雨有关。一旦垃圾填埋场发生失稳滑动，将会带来非常严重的灾难性后果。例如2000年7月10日，菲律宾首都马尼拉附近奎松市的一座大型垃圾填埋场失稳，造成330人被活埋，278余人死亡的惨剧，该场灾害是由当时两个台风带来的极端强降雨诱发[3]。因此，研究强降雨时垃圾填埋场内的雨水入渗规律及其稳定性的变化，对我国山谷型垃圾填埋场的安全管理和灾害防治具有实际意义。2垃圾土的水力特性2.1垃圾土的土-水特征曲线七子山垃圾填埋场位于苏州市南郊，距苏州市中心13km处。填埋场设计容量为470×104m3，设计运营年限15a，于1993年7月开始运营。目前，填埋场日处理垃圾1600t。课题组为了考虑垃圾埋深和龄期对垃圾土持水特性、抗剪强度参数、孔隙比、含水率及组分等的影响，根据对现场填埋历史的调查，按龄期和埋深将填埋场内的垃圾土分为浅层、中层和深层垃圾土，对应的填埋龄期分别为0.0～6.0年，6.0～9.5年和9.5～13.0年，详见图1。图1为填埋场2006年4月份的剖面图。图1苏州市七子山垃圾填埋场的剖面图Fig.1Cross-sectionofQizhishanlandfillinShuzhoucity对于垃圾的持水特性，国内外已进行了一定研究[4－6]。结合工程项目“苏州市七子山垃圾填埋场扩建工程现场土工测试”，在填埋场现场钻孔取得不同深度处的垃圾样，浙江大学岩土工程研究所利用美国土壤水分仪器公司的Cat.No.1600压力板仪对原状垃圾土持水特性进行了研究，得到垃圾土的土-水特征曲线如图2[7]。2.2垃圾土的渗透性函数垃圾土的渗透性函数同时受到孔隙比和饱和度（或含水率）变化的影响，在非稳定渗流过程中的孔隙比的变化很小，因此，常常将垃圾土的渗透性系数表达为饱和度S或体积含水率w的单一函数。Brooks和Corey在用各类介质做了大量脱湿试验的基础上提出了Brooks-Corey公式：图2垃圾土的土-水特征曲线Fig.2Thesoil-watercharacteristiccurvesofMSWlandfillresrS（1）45506530深层垃圾中层垃圾浅层垃圾初始水位65503520高程/m050100150200250300350400450距离/m3152第10期邱战洪等：不同降雨模式下山谷型垃圾填埋场水分运移及其稳定性研究3153ecS（2）式中：Se为有效饱和度；、s和r分别为体积含水率、饱和含水率和残余含水率；为基质吸力；c为残余含水率对应的基质吸力；为孔隙大小分布指数，为有效饱和度与基质吸力关系曲线的负斜率。利用式（1）、（2），可由土-水特征曲线得到垃圾土的基质吸力与有效饱和度关系。其中，深层垃圾r=15%，s=59.32%；中层垃圾θr=11%，s=67.74%；浅层垃圾r=8%，s=72.00%。式（2）可写作幂函数的标准形式如下：ecc1bSa（3）式中：c1,ab。对基质吸力与有效饱和度之间的关系进行非线性拟合回归分析，可得深层垃圾c=1.46kPa，=0.44；中层垃圾c=0.65kPa，=0.40；浅层垃圾c=0.66kPa，=0.47。最后，根据Campbell公式[8]可得垃圾土的渗透性函数如下：32/32/rwsessrkkSk（4）式中：sk为饱和渗透系数。分别把浅层、中层和深层垃圾土的值代入式(4)，可绘图得到垃圾土的渗透关系曲线如图3，图中深层、中层和浅层垃圾的饱和渗透系数分别为2.75×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2cm/s。从图3可见，垃圾土的渗透系数随体积含水率的增长而增大，两者成幂函数关系。当垃圾土体积含水率较低时，渗透系数变化较缓慢；当垃圾土体积含水率达到一定值时，渗透系数急剧上升。3雨水入渗数值模型3.1控制方程由于降雨边界条件和渗流场内水头（或孔隙水压）随时间发生变化，降雨入渗过程为非稳态渗流。渗流过程中假定无体积变化（即不考虑变形-渗流的耦合作用），同时假定孔隙气压力保持常数（1个大气压）和渗透性各向异性，根据连续性方程和达西渗流定律，可得瞬态流分析的控制方程[9]为（5）式中：wk为垃圾土的渗透系数，wh=y+wu/w为渗滤液水头，w=wg为渗滤液重度，w2m为垃圾土土-水特征曲线上wu对应的土-水特征曲线的斜率，wu为垃圾土的孔隙水压力（基质吸力）。图3垃圾土的渗透性关系曲线Fig.3PermeabilityfunctioncurvesofMSWlandfill距离/m050100150200250300350400450高程/m152535455565图4七子山填埋场有限元模型Fig.4ThefiniteelementmodelofQizhishanlandfill3.2有限元模型模型用结构4节点单元离散，共有1683个节点，1592个单元。七子山填埋场的有限元模型见图4。3.3边界条件由于七子山填埋场底部无渗滤液导排系统，其渗滤液的导出主要靠垃圾坝内的排水棱体。由于填埋场内的初始渗滤液水头较高，可见排水棱体的堵塞情况非常严重，因此，可假设其渗透系数为0。在本