环境土力学研究进展(陈云敏).pdf

Zhejiang UniversityOct. 26., 20071 环境土力学研究进展环境土力学研究进展 Oct. 26., 2007 陈云敏 教育部长江学者特聘教授陈云敏 教育部长江学者特聘教授 Prof. Yun-min Chen 软弱土与环境土工教育部重点实验室 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室 浙江大学 第九界全国岩土力学数值分析与解析方法研讨会，武汉，2007.10.2830 Zhejiang UniversityOct. 26., 20072 研究背景研究背景 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 结论和建议结论和建议 内容（内容（Outline）） Zhejiang UniversityOct. 26., 20073 工程背景工程背景（（Engineering Background））  固体废弃物的产量和处置固体废弃物的产量和处置  中国城市生活垃圾的产量中国城市生活垃圾的产量 －人均日产量－人均日产量1公斤 －年产出总量 公斤 －年产出总量1.5亿吨 －每年以 亿吨 －每年以8～～10的速度增长 － 的速度增长 －1/3的城市面临垃圾包围的城市面临垃圾包围  工业固体废弃物约工业固体废弃物约12.0亿吨亿吨危险固体废弃物产生量达危险固体废弃物产生量达995万吨万吨  城市污水污泥城市污水污泥400多家城市污水处理厂每年产生上千万吨污泥多家城市污水处理厂每年产生上千万吨污泥  疏浚污泥杭州西湖已清淤疏浚污泥杭州西湖已清淤260万万m3，太湖规划清淤，太湖规划清淤2500万万m3  高放射性核废料到高放射性核废料到2020年我国每年将产生年我国每年将产生1000吨核废料吨核废料 Zhejiang UniversityOct. 26., 20074  环境土工环境土工Environmental Geotechnics利用岩土工程的原理 和技术来改善和解决人类活动和自然环境渐变所带来的环境问题。 利用岩土工程的原理 和技术来改善和解决人类活动和自然环境渐变所带来的环境问题。  环境土力学研究固体废弃物的压缩环境土力学研究固体废弃物的压缩,强度和渗透及土体的环境土 工性质，并利用这些性质解决环境土工问题。 强度和渗透及土体的环境土 工性质，并利用这些性质解决环境土工问题。  1987年年 ISSMGE成立环境土工专业委员会成立环境土工专业委员会TC-5  1997年年 Journal of Geotechnical Engineering, ASCE更名为更名为 Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE  国际环境土工大会（国际环境土工大会（International Congress on Environmental Geotechnics）（）（Edmonton, Canada 1994; Osaka, Japan 1996; Lisbon, Portugal 1998; Rio de Janeiro, Brazil 2002; Cardiff, UK 2006 ）） 环境土工的发展环境土工的发展 Zhejiang UniversityOct. 26., 20075 中国垃圾的处置方式（中国垃圾的处置方式（Disposal of MSW in China）） 311019305堆肥堆肥 14208135焚烧焚烧 5570735790填埋填埋 美国法国英国德国中国处理方法美国法国英国德国中国处理方法 填埋是城市固体废弃物处置的主要手段填埋是城市固体废弃物处置的主要手段  填埋地上垃圾地下垃圾（填埋地上垃圾地下垃圾（污染地下水污染地下水））  焚烧地上垃圾天上垃圾（焚烧地上垃圾天上垃圾（污染大气污染大气）） 污染控制污染控制 Zhejiang UniversityOct. 26., 20076 垃圾填埋场的发展历史垃圾填埋场的发展历史 欧美欧美 –1960年代以前简易填埋 –1960年代以后卫生填埋 –最近几年生态型填埋 我国从我国从1988年制定和实施城市生活垃圾卫生填埋技术规范 ，后经多次修改，现执行 年制定和实施城市生活垃圾卫生填埋技术规范 ，后经多次修改，现执行CJJ17-2004 标准标准 我国已建成我国已建成800多个城市生活垃圾填埋场多个城市生活垃圾填埋场 美国现有美国现有1800（（7500）多个城市生活垃圾填埋场）多个城市生活垃圾填埋场 垃圾填埋场是城市化过程中产生的新型土工构筑物，其目的是 消纳城市生活垃圾、保护环境 垃圾填埋场是城市化过程中产生的新型土工构筑物，其目的是 消纳城市生活垃圾、保护环境 分散 小型 简易集中 大型 卫生 生态分散 小型 简易集中 大型 卫生 生态 填埋场的发展填埋场的发展（Development of landfill） Zhejiang UniversityOct. 26., 20077 垃圾填埋场的组成垃圾填埋场的组成（（Components of a landfill）） 气体收集与控制系统气体收集与控制系统排排 封顶系统封顶系统防防 垃圾堆体垃圾堆体主体主体 衬垫系统衬垫系统堵堵 渗滤液收集与排放系统渗滤液收集与排放系统排排 填埋气体与渗 滤液处理系统 填埋气体与渗 滤液处理系统 治治 垃圾填埋场由四个系统组成，分别起防、堵、排、治的功能垃圾填埋场由四个系统组成，分别起防、堵、排、治的功能 Zhejiang UniversityOct. 26., 20078 杭州天子岭填埋场（杭州天子岭填埋场（Hangzhou Tianziling Landfill）） 即将封顶的第一填埋场 初步建成的第二填埋场 即将封顶的第一填埋场 初步建成的第二填埋场 Zhejiang UniversityOct. 26., 20079 垃圾堆体失稳（垃圾堆体失稳（100多例）多例） 美国美国Kettleman Hills、菲律宾马尼拉、中国重庆等、菲律宾马尼拉、中国重庆等 垃圾堆体的变形和沉降垃圾堆体的变形和沉降 总沉降量为填埋高度的总沉降量为填埋高度的25～～50％，影响容量设计，导致管道变 形失效 ％，影响容量设计，导致管道变 形失效 填埋气体引起爆炸或火灾（国内填埋气体引起爆炸或火灾（国内20多例）多例） 填埋气体填埋气体CH4和和CO2无组织释放温室效应，每年相当于遗弃 了 无组织释放温室效应，每年相当于遗弃 了10亿亿m3以上的天然气资源以上的天然气资源 垃圾渗滤液渗漏与扩散垃圾渗滤液渗漏与扩散 国内国内56个填埋场集中监测结果仅有个填埋场集中监测结果仅有7个符合污控标准（国家环 保局， 个符合污控标准（国家环 保局，2002年）年） 填埋场的主要岩土工程问题填埋场的主要岩土工程问题 Geotechnical problems in landfill Zhejiang UniversityOct. 26., 200710 固体废弃物（固体废弃物（MSW）的工程特点）的工程特点 组成复杂，有机质含量高组成复杂，有机质含量高 有机质发生降解有机质发生降解 垃圾的工程特性随有机质降解而变化垃圾的工程特性随有机质降解而变化 有机质降解产生渗滤液和气体，影响填埋场 的变形、稳定、渗流与扩散 有机质降解产生渗滤液和气体，影响填埋场 的变形、稳定、渗流与扩散 Zhejiang UniversityOct. 26., 200711 固体废弃物（固体废弃物（MSW）的组成）的组成 38 54 42 18 5 19 2.2 0.4 0.9 4.0 9 5 0.7 0.5 0.8 4.0 8 10 2.1 - - 3.0 - - 2.1 0.5 1.2 6.0 - - 3.1 1.6 4.2 20 47 33 3.4 0.4 0.6 17 5 2 49 43 50 28 22 28 广 州 上 海 北 京 香 港 美 国 英 国 煤灰 渣土 陶瓷 玻璃 金属胶革 竹木 纤维纸类塑料厨房 垃圾 地区 广 州 上 海 北 京 香 港 美 国 英 国 煤灰 渣土 陶瓷 玻璃 金属胶革 竹木 纤维纸类塑料厨房 垃圾 地区  我国垃圾组分以厨房垃圾为主；可回收的废品较少； 近几年渣土含量下降较快，而废品含量迅速上升。 我国垃圾组分以厨房垃圾为主；可回收的废品较少； 近几年渣土含量下降较快，而废品含量迅速上升。 Zhejiang UniversityOct. 26., 200712 成 熟产 甲 烷产 酸 F e Z n p H V F A C O D ⅤⅣⅠⅢⅡⅣⅠⅢⅡ N2 O2 C H4 C O2 H2 N2 O2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 气体组成（v/v ） 好 氧水 解 渗滤液特性 阶 段 固体废弃物（固体废弃物（MSW）的降解）的降解 垃圾降解产气 过程分为 垃圾降解产气 过程分为 好氧、水解、产 酸、产甲烷、稳 定化 好氧、水解、产 酸、产甲烷、稳 定化 Zhejiang UniversityOct. 26., 200713 随着填埋龄期的增加，垃圾降解程度增大，垃圾中纤维类随着填埋龄期的增加，垃圾降解程度增大，垃圾中纤维类随着填埋龄期的增加，垃圾降解程度增大，垃圾中纤维类随着填埋龄期的增加，垃圾降解程度增大，垃圾中纤维类 等大颗粒含量逐渐降低，而渣土等细颗粒含量明显增加。等大颗粒含量逐渐降低，而渣土等细颗粒含量明显增加。等大颗粒含量逐渐降低，而渣土等细颗粒含量明显增加。等大颗粒含量逐渐降低，而渣土等细颗粒含量明显增加。 0 20 40 60 80 024681012 填埋龄期（年） 各组分含量（％） 塑料 无机废品 纤维类 腐殖质 渣土 固体废弃物（固体废弃物（MSW）的降解）的降解 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.010.11101001000 粒径（mm） 累计百分比（） 0.7年 1.5年 4.5年 8.3年 10.9年 Zhejiang UniversityOct. 26., 200714 填埋场的固、液、气共同作用填埋场的固、液、气共同作用 Zhejiang UniversityOct. 26., 200715 填埋场的固、液、气共同作用及研究进展填埋场的固、液、气共同作用及研究进展 环境工程界环境工程界 侧重于垃圾中气、液相的产生和运移及其与温度场的耦合作用 尚未考虑垃圾骨架的压缩变形对液、气相运移的影响 尚未考虑液、气相压力变化对变形和稳定的影响 岩土工程界岩土工程界 侧重于研究固相的变形 尚未考虑垃圾降解产气、液、热过程 发展方向发展方向 岩土工程界与环境工程界研究成果融合，建立适合于垃圾填埋 场的固、液、气相互作用模型 Zhejiang UniversityOct. 26., 200716 内容（内容（Outline）） 研究背景研究背景 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 结论和建议结论和建议 Zhejiang UniversityOct. 26., 200717 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 MSW具有很高的压缩性，填埋场在服务期内和封顶后 都将产生很大的沉降，其主要影响如下 MSW具有很高的压缩性，填埋场在服务期内和封顶后 都将产生很大的沉降，其主要影响如下 增加填埋场的垃圾容纳量增加填埋场的垃圾容纳量 不均匀沉降导致填埋场内的管路变形，使渗滤 液收排系统失效 不均匀沉降导致填埋场内的管路变形，使渗滤 液收排系统失效 封顶后的沉降和不均匀沉降不利于填埋场的后 期利 用量 封顶后的沉降和不均匀沉降不利于填埋场的后 期利 用量 Zhejiang UniversityOct. 26., 200718 衬垫系统衬垫系统 沉降后位置沉降后位置 填埋场竖向扩建工程中间衬垫系统设计时需要考虑 – 不均匀沉降引起的张拉应变 – 坡度改变 需要合理估算老填埋场在自重、降解和扩建填埋场荷载作用下 的总沉降 苏州七子山填埋场扩建工程 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 Zhejiang UniversityOct. 26., 200719  由于应力引起的瞬时压缩和固结压缩由于应力引起的瞬时压缩和固结压缩  蠕变压缩和降解压缩蠕变压缩和降解压缩 主压缩次压缩 次压缩 主压缩 较难区分较难区分 短时间 长时间 短时间 长时间 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 Zhejiang UniversityOct. 26., 200720 温度控制 压力控制 气液体收集 渗滤液回灌 气液压控制 温度控制 压力控制 气液体收集 渗滤液回灌 气液压控制 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 Zhejiang UniversityOct. 26., 200721  总变形量总变形量142mm  主压缩量主压缩量65mm  蠕变与降解引起压 缩量 蠕变与降解引起压 缩量77mm MN为新鲜垃圾变形曲线为新鲜垃圾变形曲线 0 20 40 60 80 1 00 1 20 1 40 1 60 02 5507 510 012 51 5017 52 00 J 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 02 55 07 51 0 01 2 51 5 01 7 52 0 0 A B CD EFGH I K M N IA B CD EFGHJ 1atm 压缩量/mm气压/kPa 时间/d 加载压力 试验结果及分析试验结果及分析 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 温度温度是控制降解 速率 主要因素 是控制降解 速率 主要因素 回灌回灌加快降解速率加快降解速率 Zhejiang UniversityOct. 26., 200722    ji tc isipji et    1, 沉降计算模型需要确定三个参数沉降计算模型需要确定三个参数 沉降计算模型 实际填埋过程中某分层垃圾的压缩历史实际填埋过程中某分层垃圾的压缩历史 Zhejiang UniversityOct. 26., 200723 填埋场不均匀沉降下的衬垫受力分析填埋场不均匀沉降下的衬垫受力分析 Stress analysis of liners due to differential settlement of landfill Settlement of old Qizishan landfill 8 m 1 1 80 m 8 m 1-1 section 0 5 10 15 20 25 30 35 40 00.40.81.21.6 Compression indexCC Depth（m） ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5 Zhejiang UniversityOct. 26., 200724 土工膜 压实粘土层 土工膜 压实粘土层 不同材料的容许应变 – HDPE 土工膜 10 – 压实粘土层 CCL 1 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 12 d cosdd     s TTT 21 d sindd NN s TT   Zhejiang UniversityOct. 26., 200725 内容（内容（Outline）） 研究背景研究背景 固体废弃物（固体废弃物（MSW）的特性及填埋场的固、液气共同作用）的特性及填埋场的固、液气共同作用 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 结论和建议结论和建议 Zhejiang UniversityOct. 26., 200726 填埋场 稳定 填埋场 稳定 渗滤液 水位 渗滤液 水位 薄弱 界面 薄弱 界面 垃圾 强度 垃圾 强度 薄弱界面的稳定薄弱界面的稳定 垃圾体稳定垃圾体稳定 渗滤液水位渗滤液水位 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定  中国填埋场采用中国填埋场采用 1V3.5H边坡边坡  美国填埋场采用美国填埋场采用 1V1.52H边坡边坡  坡度影响填埋场的稳定 和容量 坡度影响填埋场的稳定 和容量  渗滤液水头对填埋场稳 定影响很大 渗滤液水头对填埋场稳 定影响很大 Zhejiang UniversityOct. 26., 200727 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 渗滤液水位渗滤液水位 Payatas Landfill, Philippines 2001 Kettleman Hills Landfill Zhejiang UniversityOct. 26., 200728  大尺寸三轴剪切试验人工配制垃圾）大尺寸三轴剪切试验人工配制垃圾） MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 InstallationSaturationConsolidationShearing Zhejiang UniversityOct. 26., 200729 Fiber MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 0 20 40 60 80 010203040 Friction angledegree ConhesionkPa Machado et al.2002 Feng et al.2005 Pelkey et al.2001-fresh Pelkey et al.2001-old Landva Clark1990-fresh Landva Clark1990-old Jessberger1994-fresh Jessberger1994-old 5Zhan et al,2007 10Zhan et al,2007 20Zhan et al,2007 Strain increasing Fill age increasing 应变增加 龄期增加 强度参数的总结 – 随应变增加，发挥摩擦角以及发 挥凝聚力都随之增加 – 但随着龄期的增加，凝聚力呈下 降趋势，而摩擦角随其增加 Zhejiang UniversityOct. 26., 200730 土工合成材料界面特性试验土工合成材料界面特性试验 Interface shear strength between geosynthetics 大尺寸直剪试验机（浙江大学）大尺寸直剪试验机（浙江大学）大尺寸直剪试验机（浙江大学）大尺寸直剪试验机（浙江大学） 土 工 膜 土 工 膜 土 工 复 合 膨 润 土 垫 土 工 复 合 膨 润 土 垫 土 工 布 土 工 布 土 工 复 合 排 水 网 土 工 复 合 排 水 网 膜膜/复合排水网剪切特性复合排水网剪切特性 024610 12 14 16 18 0 100 200 300 400 100kPa 200kPa 300kPa 400kPa 8 Deviator Stress kPa Axial strain 3  024610024610 12 14 16 18 0 100 200 300 400 100kPa 200kPa 300kPa 400kPa 8 Deviator Stress kPa Axial strain 3  MSW剪切特性剪切特性 0 30 60 90 010203040506070 剪切位移/mm 剪应力/kPa Normal stress25kPa Normal stress54kPa Normal stress99kPa Normal stress213kPa Normal stress237kPa Zhejiang UniversityOct. 26., 200731 苏州扩建填埋场沿薄弱界面的稳定分析 1.585干燥GM /GCL 1.126水化GM/GCL 1.724峰值水化GM/GCL 2.141干燥GM/CCL 1.247干燥GM/GT Safety factor State Interface 土工膜土工膜/土工复合膨润土垫在填埋场边坡的使用要慎重土工复合膨润土垫在填埋场边坡的使用要慎重 薄弱界面薄弱界面 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 Zhejiang UniversityOct. 26., 200732 研究背景研究背景 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 结论和建议结论和建议 内容（内容（Outline）） Zhejiang UniversityOct. 26., 200733 填埋场水管理不善填埋场水头和渗滤液产量过高 – 导致滑坡事故，引发灾难 – 环境污染风险高 – 不利于填埋气收集和利用 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200734 填埋气管理不当会导致 1 to 3 其它气体其它气体 1 to 5 水蒸汽水蒸汽 H2O 1 to 5 氢气氢气 H2 1 to 5 氧气氧气 O2 1 to 20 氮气氮气 N2 35 to 45 二氧化碳二氧化碳 CO2 45 to 58 甲烷甲烷 CH4 百分比组分 – 爆炸 – 破坏臭氧层 – 影响堆体稳定 然而然而 填埋气本身是一种很有利 用价值的 填埋气本身是一种很有利 用价值的能源气体能源气体 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200735 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 垃圾中水气形态垃圾中水气形态垃圾中水气形态垃圾中水气形态 a 垃圾颗粒内部水垃圾颗粒内部水 （组织内部水）（组织内部水） b 垃圾颗粒间水垃圾颗粒间水 （吸力引起）（吸力引起） 现场垃圾中的水可分成现场垃圾中的水可分成现场垃圾中的水可分成现场垃圾中的水可分成 颗粒内部水、颗粒间的颗粒内部水、颗粒间的颗粒内部水、颗粒间的颗粒内部水、颗粒间的 毛细水和粒间的自由水。毛细水和粒间的自由水。毛细水和粒间的自由水。毛细水和粒间的自由水。 垃圾颗粒内部水与垃圾垃圾颗粒内部水与垃圾垃圾颗粒内部水与垃圾垃圾颗粒内部水与垃圾 组分密切相关，厨余果组分密切相关，厨余果组分密切相关，厨余果组分密切相关，厨余果 皮中的水是主要来源。皮中的水是主要来源。皮中的水是主要来源。皮中的水是主要来源。 垃圾颗粒间水与垃圾的垃圾颗粒间水与垃圾的垃圾颗粒间水与垃圾的垃圾颗粒间水与垃圾的 三相组成有关，与垃圾三相组成有关，与垃圾三相组成有关，与垃圾三相组成有关，与垃圾 中的水、气相互作用有中的水、气相互作用有中的水、气相互作用有中的水、气相互作用有 关。关。关。关。 Zhejiang UniversityOct. 26., 200736 生活垃圾持水能力 – 田间持水率 – 与垃圾组分，压实程度，上覆压力，降解程度有关系 0 20 40 60 80 0.1110100100010000 Matric suction kPa Volumetric water content Chinese MSW Generated at 1992 Chinese MSW Generated at 2000 Korea MSW,DOC80 Jang,et al,2002 Korea MSW,DOC100 Jang,et al,2002 Korea MSW,DOC120 Jang,et al,2002 UK MSW Kazimoglu et al,2006 Fine sand ElzeftawyCartwright,1981 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 垃圾的水力特征曲 线表示垃圾中水分的 能量和数量的关系， 其中吸力由垃圾对水 分的吸持作用引起， 以自由水为参考标 准，包括吸附水作用 和毛细管作用。 Zhejiang UniversityOct. 26., 200737 填埋场水分平衡 – 主要影响因素有场区地形、气侯条件、渗透系数、 场区周边水文地质条件以及覆盖情况 平原型填埋场 山谷型填埋场 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200738 生活垃圾渗透系数 – 典型范围 1.010-6to 1.010-4m/s – 随孔隙率减少而明显降低 – 与饱和度高度相关 – 各向异性 中国生活垃圾ks随上 覆压力变化规律 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200739 气压控制箱气压控制箱 压力板仪压力板仪 排出的水排出的水 Tempe仪仪 垃圾持水性研究采用压力板仪垃圾持水性研究采用压力板仪垃圾持水性研究采用压力板仪垃圾持水性研究采用压力板仪（（（（ 5bar5bar））））和和和和TempeTempe仪仪仪仪（（（（1bar1bar高流量）测试高流量）测试高流量）测试高流量）测试 干燥过程中垃圾样的持水曲线。为了缩干燥过程中垃圾样的持水曲线。为了缩干燥过程中垃圾样的持水曲线。为了缩干燥过程中垃圾样的持水曲线。为了缩 短试验周期，部分试验使用短试验周期，部分试验使用短试验周期，部分试验使用短试验周期，部分试验使用TempeTempeTempeTempe仪。仪。仪。仪。 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 020406080100 0 10 20 30 40 50 60 70 r  体积含水量θθw 基质吸力ua-uw kPa 90粉土和10 Ottawa砂Fredlund Lakeland细砂Elzeftawy et al 城市生活垃圾Sd-1 s  a  r  城市生活垃圾的持水曲线城市生活垃圾的持水曲线 Zhejiang UniversityOct. 26., 200740 导排盲沟淤堵 导致堆体液位偏高 中间覆盖层滞水 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200741 垃圾填埋场中气体运移可以分为垃圾填埋场中气体运移可以分为垃圾填埋场中气体运移可以分为垃圾填埋场中气体运移可以分为一维运移和轴对称运移一维运移和轴对称运移一维运移和轴对称运移一维运移和轴对称运移。。。。 类型类型类型类型1 1 1 1 类型类型类型类型2 2 2 2类型类型类型类型4 4 4 4类型类型类型类型3 3 3 3 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200742 生活垃圾气体渗透系数 –两种机理两种机理 传导和扩散传导和扩散 –气体渗透系数气体渗透系数关键设计参数关键设计参数 –生活垃圾固有气体渗透系数生活垃圾固有气体渗透系数 10-13～～ 10-10m2 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 垃圾体中垃圾体中垃圾体中垃圾体中的气体运移可以用的气体运移可以用的气体运移可以用的气体运移可以用DarcyDarcy定律来描述，即气体的流速定律来描述，即气体的流速定律来描述，即气体的流速定律来描述，即气体的流速 与气体压力梯度成正比与气体压力梯度成正比与气体压力梯度成正比与气体压力梯度成正比 z u g k v g g g g     － z u kv g gg   － g k k g g g   g k K g gg    或或或或 式中，式中，式中，式中，为为为为一般渗透系数一般渗透系数一般渗透系数一般渗透系数（（（（m sm s - -1 1 ））））；；；；为为为为气体的常用渗透系气体的常用渗透系气体的常用渗透系气体的常用渗透系 数数数数（（（（mm 2 2 PaPa - -1 1 s s - -1 1 ）；）；）；）；为为为为固有渗透系数固有渗透系数固有渗透系数固有渗透系数（（（（mm 2 2 ））））；；；；为气体粘滞系数为气体粘滞系数为气体粘滞系数为气体粘滞系数 （（（（Pa sPa s）。）。）。）。 g k K g  g k Zhejiang UniversityOct. 26., 200743 试验筒 U型测压管 气压表 流量计 调压阀出气口 试验方法试验方法试验方法试验方法是垃圾样是垃圾样是垃圾样是垃圾样 装好后，连接气体管装好后，连接气体管装好后，连接气体管装好后，连接气体管 道，调节调压阀对垃道，调节调压阀对垃道，调节调压阀对垃道，调节调压阀对垃 圾样施加一定气压，圾样施加一定气压，圾样施加一定气压，圾样施加一定气压， 读取气体流量和读取气体流量和读取气体流量和读取气体流量和U U型管型管型管型管 中水头，再由中水头，再由中水头，再由中水头，再由DarcyDarcyDarcyDarcy定定定定 律算出垃圾样的气体律算出垃圾样的气体律算出垃圾样的气体律算出垃圾样的气体 渗透系数。渗透系数。渗透系数。渗透系数。 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 1.E-13 1.E-12 1.E-11 1.E-10 1.E-09 00.20.40.60.8 含气率 ng 气体渗透系数 K（m（m2 2）） Sr＝ ＝0 Sr＝ ＝40 e2 趋势线趋势线 趋势线趋势线 趋势线趋势线 I F H P G K Sr40Sr50 Sr60 Sr87 Sr0 Sr20 Sr80 e3 e1.6 e2 垃圾气体渗透系数预测公式垃圾气体渗透系数预测公式垃圾气体渗透系数预测公式垃圾气体渗透系数预测公式 e Se eeK r    1 1 81. 0675. 053.1271. 0lg e Se eK r    1 1 296. 1 13lg （（（（1.61.6≤≤≤≤e e≤≤≤≤3 3，，，， SrSr5050％）％）％）％） （（（（1.61.6≤≤≤≤e e≤≤≤≤3 3，，，， SrSr≥≥≥≥5050％）％）％）％） Zhejiang UniversityOct. 26., 200744 填埋气体控制 – 管理不善的填埋气 缺乏封场覆盖系统, 未设置填埋气 利用系统 – 管理较好的填埋场 封场规范，填埋气泄漏较少，主 动收集，填埋气利用 – 抽气井设计方法及关键设计参数我课题组经研究发 现抽气井深度应不小于垃圾堆体厚度的70，井间距 应为井深的1.5～2.5倍 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 Zhejiang UniversityOct. 26., 200745 研究背景研究背景 MSW的压缩性及填埋场的沉降的压缩性及填埋场的沉降 MSW的抗剪强度及填埋场的稳定的抗剪强度及填埋场的稳定 MSW的渗流特性及填埋场中的渗流场的渗流特性及填埋场中的渗流场 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 结论和建议结论和建议 内容（内容（Outline）） Zhejiang UniversityOct. 26., 200746 天然粘土 地下水位 渗滤液收集层 衬里系统 覆盖层 填埋体 填埋场结构示意图 污染液污染液 渗流水头差引起的作用造成的污染物 迁移 扩散包括孔隙大小不一导致的机械弥 散，及布朗运动引起的分子扩散 吸附粘土对污染物的吸持作用 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 Zhejiang UniversityOct. 26., 200747 垃圾渗滤液垃圾渗滤液 成分成分复杂复杂，且随填埋时间变化 幅度较大 ，且随填埋时间变化 幅度较大 含多种含多种有机污染物有机污染物（甲苯、芳 香族化合物、苯胺类化合物等 ）以及重金属离子（汞、镉、 铅、铬等） （甲苯、芳 香族化合物、苯胺类化合物等 ）以及重金属离子（汞、镉、 铅、铬等） 0.1 -1205mg/lZinc 20 –2,100780mg/lIron 50 –1,150470mg/lMagnesium 10 –2,5001,200mg/lCalcium 70 –1,750500mg/lSO4 -0.58[-]BOD5/COD 6,000 –60,00022,000mg/lCOD 4,000 –40,00013,000mg/lBOD5 4.5 –7.56.1[-]pH RangeAverageUnit Parameter 0.1 -1205mg/lZinc 20 –2,100780mg/lIron 50 –1,150470mg/lMagnesium 10 –2,5001,200mg/lCalcium 70 –1,750500mg/lSO4 -0.58[-]BOD5/COD 6,000 –60,00022,000mg/lCOD 4,000 –40,00013,000mg/lBOD5 4.5 –7.56.1[-]pH RangeAverageUnit Parameter 土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散土的环境土工特性及填埋场渗滤液扩散 Follow Rowe2005 稳定化需稳定化需20年年 渗滤液中渗滤液中Ca2和和Cl-1含量随填埋龄期的变化含量随填埋龄期的变化 Zhejiang UniversityOct. 26., 200748 衬垫系统控制污染标准衬垫系统控制污染标准 Contaminant control standard of liner system 填埋场渗滤液 污染物浓度 填埋场渗滤液 污染物浓度C0 渗滤液水位渗滤液水位 衬垫系统衬垫系统 击穿浓度击穿浓度Cb （地下水污染控制标准）（地下水污染控制标准） 击穿时间击穿时间污染物通过衬垫系统到达土体污染控制标准所需时间污染物通过衬垫系统到达土体污染控制标准所需时间 ≥填埋场运行时间＋垃圾稳定化时间（共约≥填埋场运行时间＋垃圾稳定化时间（共约35年）年） z C n v z C D t C R 2 2 d         孔隙率孔隙率n 渗透系数渗透系数k 阻滞因子阻滞因子Rd 扩散系数扩散系数D Zhejiang UniversityOct. 26., 200749 污染物的