降雨作用下填埋场防渗系统水分分布的数值模拟研究*

刘 勇，田 宇，周小军

（1．襄阳市固体废弃物处理公司，湖北 襄阳 441057；2．武汉市环境卫生科学研究院，湖北 武汉 430015；3．中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071）

降雨作用下填埋场防渗系统水分分布的数值模拟研究*

刘 勇1，田 宇2，周小军3

（1．襄阳市固体废弃物处理公司，湖北 襄阳 441057；2．武汉市环境卫生科学研究院，湖北 武汉 430015；3．中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071）

基于填埋场防渗系统的工程特性，分析了填埋场的降雨入渗机理，建立了填埋场防渗系统水分动态数学模型，通过数值分析研究了降雨作用下填埋场防渗系统孔隙水压力和含水率的变化情况。结果表明：降雨入渗使填埋场结构层渗流条件发生变化，在坡顶、坡面、坡脚处均产生渗透力，且随着降雨时间的持续，负孔隙水压力逐渐减小；在水平分布上，孔隙水压力曲线呈较大的波动性，且在坡脚处出现峰值。受降雨持续作用，填埋场各结构层含水率逐渐增加，导致材料的密度逐渐增大；结构层材料因雨水的入渗逐渐达到其储水能力而饱和，土体由非饱和向饱和过程转化。

填埋场；防渗系统；降雨；水分分布；数值模拟

填埋场衬垫系统失稳将引起填埋场渗沥液潜在性泄漏，污染周围水土环境，造成严重的环境地质灾害，已经引起了国际环境岩土工程界的高度关注［1］。填埋场复合衬垫防渗系统是填埋场工程结构中的关键部分，是填埋场底部、边坡或封场覆盖中用于隔离渗沥液、填埋气体等物质的一种重要屏障，同时也是填埋场长期、有效运营的重要保证。CJJ 17—2004生活垃圾卫生填埋技术规范与GB 16889—2008生活垃圾填埋场污染控制标准推荐采用复合衬垫防渗系统。填埋场的衬垫系统应具有良好的防渗功能，其渗透系数必须小于1×10-7cm/s［2］。采用数值模拟分析方法分析衬垫系统的安全稳定特性及其变形趋势预测，可定量分析和评价在不同环境条件下其长期有效性，为合理设计填埋场衬垫系统与正确评价和预测填埋场衬垫防渗系统的长期稳定性提供理论依据。

1 填埋场降雨入渗机理分析

填埋场产生不均匀沉降变形，很大一部分是雨水下渗对垃圾土层产生作用，逐步改变垃圾土层的力学性质，使填埋场产生沉降变形［3］。填埋场降雨入渗经历了饱和-非饱和的渗流过程。

地表水在下渗过程中对垃圾土层的作用机理有2种［4］：①地表水下渗对垃圾土层的软化压缩作用。当地表水渗入到垃圾土层，垃圾土受到水的浸泡，其小颗粒骨架受到破坏，产生一种软化压缩变形作用，在上覆不同重力作用下，其压缩变形大小不一从而使得填埋场出现不均匀沉降变形。②地表水下渗对土层产生机铸化学潜蚀作用。地表水渗入垃圾土层后，将土层内一部分细微土粒及可溶解于水的物质发生混浊作用和化学溶解作用，然后顺渗漏途径流失［5-6］。当这种作用反复多次后，逐步使土层内流失一部分物质，土层势必产生收缩下沉。

2 填埋场防渗系统水分分布的数学模型

2.1 渗流控制方程

Buckingham［7］于1907年在Darcy方程的基础上经过改进提出非饱和多孔介质渗流方程：

式中：ρ0为纯水密度；S为储水系数；为渗透系数张量；ρ*为流体密度；q为多孔介质内部的源流或汇流；t为时间。

由公式（2）可知造成水流流动的原因有：位置水头坡度（▽Z），压力水头坡度（▽ψ），其他流体的影响 （ρ0/ρ）。

若不考虑多孔介质与流体的压缩性与流体密度变化，且渗流场中无任何源流或汇流，则可将公式 （2） 简化成公式 （3）：

2.2 防渗系统几何模型

取垃圾填埋场封场覆盖坡体的典型剖面，有限元计算模型及网格剖分如图1所示，自下而上，分别为填埋层、防渗层、覆盖层、植被层，填埋场边坡坡比约为3∶1，剖分单元918。

图1 填埋场封场覆盖几何模型及网格剖分

模型中假设左边界和右边界分别为第1类边界条件，定义初始水头分别为1、3 m，上边界为第2类边界条件，假设降雨强度为暴雨100 mm/d，下边界为隔水边界。基本参数取值见表1。持续降雨作用下填埋场变形见图2，降雨作用下填埋场总水头变化云图见图3，降雨作用下填埋场在x向和y向的变化云图如图4、5所示。

表1 基本参数值

图2 持续降雨作用下填埋场变形

图3 降雨作用下填埋场总水头变化云图

3 降雨作用下孔隙水压力及含水率的变化规律

图6、7分别为无降雨和持续降雨作用下填埋场表层孔隙水压力随时间和空间的变化。在无降雨入渗时，孔隙水压力随时间增加而增加，在水平距离变化时，孔隙水压力呈波动变化，在坡角和坡顶均呈现最大峰值和最小峰值。在降雨入渗时，雨水通过填埋场边坡的坡顶、坡面及坡脚向各结构层入渗。随降雨时间增加，填埋场表层孔隙水压力呈上升趋势，第1天降雨为负的孔隙水压力，随时间增加，各结构层土体的逐渐饱和而转变成正的孔隙水压力；随水平距离增加，地下水渗流过程对各结构层土颗粒施加压力，孔隙水压力在坡角处形成拐点，达到峰值；孔隙水压力从-5 kPa上升到坡角处的0 kPa，随水平距离的继续增加，峰值后的孔隙水压力呈下降趋势。

图4 降雨作用下填埋场x向应力云图

图5 降雨作用下填埋场y向应力云图

图6 无降雨入渗植被土层的孔隙水压力

图7 降雨条件下植被土层的孔隙水压力

图8 、9分别显示的是降雨入渗条件下不同结构层孔隙水压力随时间和空间的变化曲线。降雨入渗导致渗流条件的变化，随着时间的增加孔隙水压力上升，随着水平距离的增加孔隙水压力呈波动变化，对于防渗层表层孔隙水压力基本均在0 kPa以上，这是因为防渗层渗透率较低，渗透水逐渐进入，因膨胀而增大材料中孔隙，结构层材料慢慢达到饱和状态，孔隙水压力迅速增大。孔隙水压力曲线的变化也反映了土体结构的非饱和-饱和的转化过程。

图8 降雨作用覆盖层的孔隙水压力曲线

图9 降雨作用防渗层的孔隙水压力曲线

图10 为填埋场底部孔隙水压力变化曲线。由于防渗系统的作用、填埋深度的影响，垃圾填埋体产生的渗沥液均聚集在填埋场底部，故均为正的孔隙水压力。图11显示了填埋场表层含水率分布，受降雨入渗的影响，随时间的增加含水率逐渐增加，含水率的增加而使结构层材料的密度增加，负孔隙水压力减小，从曲线看出降雨过程中填埋场表层含水率较之无降雨过程有较大的上升；在降雨持续6 d作用后，结构层材料的密度增加直至达到饱和密度，土体因达到其储水能力而饱和，含水率保持定值。

图10 降雨作用填埋层的孔隙水压力曲线

图11 填埋场植被土层含水率分布

4 结论

1）降雨入渗使填埋场结构层渗流条件发生变化，坡顶、坡面、坡角均产生渗透力。随降雨的持续，负孔隙水压力逐渐减小；随水平距离的增加，孔隙水压力曲线呈较大的波动性，这是由于坡角处渗透量的聚集，导致孔隙水压力的骤增而使坡角处出现峰值，因此坡角处要加强排水防护措施。

2）受降雨持续作用，填埋场各结构层含水率逐渐增加，导致材料的密度逐渐增大；结构层材料因雨水的入渗逐渐达到其储水能力而饱和，土体由非饱和向饱和过程转化。

3）填埋场封场覆盖防渗系统变形规律的研究表明，随着水头的降低，流体压力逐渐降低，垃圾层、黏土层和土壤层的孔隙压力下降，固体骨架有效应力增大，从而导致了填埋场防渗系统位移的增加。

因此，防渗系统防渗层必须适应不均匀沉降，同时，在填埋场设计时有必要考虑渗流作用和地震影响，以提高填埋场稳定性和安全性。

［1］胡敏云，陈云敏．城市生活垃圾填埋场沉降分析与计算［J］．土木工程学报，2001，34（6）：89-92．

［2］张振营，陈云敏．城市垃圾填埋场沉降模型的研究［J］．浙江大学学报，2004，38（9）：1162-1165．

［3］戚国庆．降雨诱发滑坡机理及其评价方法研究［D］．成都：成都理工大学，2004．

［4］李广信．高等土力学［M］．北京：清华大学出版社，2004．

［5］ Xue Q，Feng X T，Liang B．Slippage Solution of Gas Pressure Distribution in the Process of Landfill Gas Seepage［J］．Appl Math Mech，2005，26（12）：1623-1633．

［6］薛强，赵颖，刘磊，等．垃圾填埋场灾变过程的温度-渗流-应力-化学耦合效应研究［J］．岩石力学与工程学报，2011，30（10）：1971-1988．

［7］薛强，刘磊，梁冰，等．垃圾填埋场沉降变形条件下气-水-固耦合动力学模型研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（S1）：3473-3476．

［8］ Van Genuchten M Th．A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils［J］．Soil Sci Soc Am J，1980，44 （5）：892-898．

Numerical Simulation of Moisture Distribution for Anti-seepage System of Waste Landfill Site by Rainfall

Liu Yong1，Tian Yu2，Zhou Xiaojun3
（1．Xiangyang Solid Waste Treatment Company，Xiangyang Hubei441057；2．Wuhan Environmental Sanitation Science Research Institute，Wuhan Hubei430015；3．Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan Hubei430071）

Based on the engineering characteristics of anti-seepage system in waste landfill sites，the rainfall infiltration mechanism of the landfill site was analyzed，and the water dynamic mathematical model of the anti-seepage system was set up．Through the numerical analysis，the changes of pore water pressure and moisture content of the anti-seepage system were researched under the condition of rainfall．The results showed that the rainfall infiltration could change the seepage condition of the structure layer，and there is the seepage force on the top，the slope surface and the slope toe．The negative pore water pressure gradually decreased with the rainfall continuing．The pore water pressure curve waved largely in the horizontal distribution，and appeared the peak in the slope toe．The moisture content in each structure layer gradually increased with the rainfall continuing，and it could increase the density of the material．The material of the structure layer gradually reached its storage capacity to the saturation because of the rainfall infiltration，and the soil changed from unsaturation to saturation．

landfill site；anti-seepage system；rainfall；moisture distribution；numerical simulation

X703；TU993．3

A

1005-8206（2012）04-0021-04

国家自然科学基金（51079143）；武汉市科技攻关项目（201060723312）

2012-07-02

刘勇（1972—），高级工程师，主要从事环境治理。

（责任编辑：郑雯）