垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶模型试验

张文杰，林 午，董林兵

（上海大学 土木工程系，上海 200072）

1 引 言

填埋是我国城市垃圾的主要处理方式，目前我国已有垃圾填埋场上千座，其中很多已接近设计使用年限面临封顶。现规范[1]中的压实黏土封顶或带土工膜的复合封顶都属于被动承载型封顶，依靠压实黏土或土工膜的低渗透性阻止水分下渗，其中的压实黏土层在干燥季节或填埋场发生不均匀沉降时容易开裂，而加入土工膜不仅使成本大幅增加，并且容易造成覆盖土层沿土工膜界面滑移失稳[2]，因此，研究经济适用和性能稳定的填埋场封顶系统十分必要。腾发封顶利用表层土壤蒸发作用和植被蒸腾作用减少大气降水入渗到填埋场内部，是一种替代阻水封顶的新型盖层。毛细阻滞型腾发封顶是腾发封顶的一种，它的组成包括植被层、适合植物生长的较厚的细粒土层（如粉质黏土）和底部的粗粒土层（如粗砂），降雨时细粒土通过毛细作用可存储大量水分用于后期蒸发蒸腾，而粗细土料间非饱和渗透系数的差异可进一步减少水分向下入渗，从而使上层细粒土可以存储更多的水分。腾发封顶对土料要求较低，且土层压实程度低，不易受气候和不均匀沉降影响而开裂，故其成本低、长期性能稳定。

到目前为止，腾发封顶主要用于干旱、半干旱地区，国内外规范中关于ET封顶尚无硬性规定，对于腾发封顶是否适应于湿润地区以及效果如何，尚待深入研究[3]。Benson等[4]、Dwyer[5]在填埋现场进行测渗试验，评价了腾发封顶的性能，但许多学者对该类型试验结果的可靠性提出了质疑[6]。Zornberg[7]、Kavazanjian[8]等通过水分平衡方法评价了单一土层型腾发封顶的性能，但他们的腾发量计算基于当地平均水面蒸发量，不考虑具体气象条件。国内赵慧等[9]在武汉进行了模型试验，主要研究了植被和土层组合对透水量的控制效果，未涉及毛细阻滞型腾发封顶。邓林恒等[10]进行了毛细阻滞型腾发封顶的模型试验，研究了强降雨条件下坡面径流量、各土层的侧向导排量及底部渗透量。上述研究均未对土层含水率的长期变化进行监测，而封顶内部含水率的变化更能准确揭示腾发封顶的工作机制。现普遍认为，当毛细阻滞型腾发封顶的细粒土底部达到或接近饱和时，毛细阻滞作用被突破，水分会大量向下入渗使粗粒土层由干变湿，该封顶将完全失效，因此，该封顶在半湿润、湿润地区的适用性存在争议。通过数值模拟，笔者[11－12]曾分析了毛细阻滞型腾发封顶的工作性能，得出其在年降雨量1000 mm地区适用的结论，但数值分析基于理想化假定，且缺乏试验验证。因此，通过试验研究毛细阻滞型腾发封的工作机制及其在湿润地区的工作性能十分必要。

本文在杭州市一露天场地构筑模型土柱并培育植被，量测场地降雨量、土柱表面径流量、土柱透水量和土体含水率变化，研究了毛细阻滞型腾发封的工作机制和性能。

2 模型构建

2.1 场地和气候

因光照、风速和大气湿度等均影响蒸发蒸腾作用，且涉及降雨，因此，在无遮挡环境下进行试验，场地选择在实验室一处6 m高的屋顶上，满足上述气象因素均为自然条件。该地属亚热带季风季候，年均降雨量为1100～1600 mm。一般春季干燥少雨；6月份由春入夏，当月降雨达高峰期，7～8月太阳辐射量达到最高，同时受副热带高压控制降水量减少，进入高温伏旱季节；9月份进入夏秋转换，光热水同步下降，但在台风影响下仍可能有较多降雨；冬季阴冷，降水较频繁。

所选细粒土层塑限 wP=18.06%，液限 wL=28.97%，Ip=10.91，为低塑性粉质黏土，其颗粒级配如图1所示，该土料干密度为1.47～1.59 g/cm3时，对应的饱和渗透系数为 7.99×10-6～2.44×10-6cm/s，此范围内干密度与渗透系数大致呈线性关系。使用非饱和土气动固结仪，基于轴平移技术测得粉质黏土的土-水特征曲线如图 2所示。粗粒土采用砾砂（>2 mm的颗粒占28.27%）。

2.2 土层填筑

图1 封顶土料的颗粒级配曲线Fig.1 Grain size distribution curves of cover soils

图2 细粒土的土-水特征曲线Fig.2 Soil-water characteristic curve of finer-grained soil

所构建的土柱模型如图 3所示。黏土厚度为1.00 m，分层填筑，实际干密度接近1.35 g/cm3。砾砂厚度为0.20 m，其下铺设针刺土工布（反滤）和0.15 m厚、直径为1～2 cm的碎石作为导排层。

2.3 植被培育

2011年细粒土层填好后在表层培育草本植被，选择生命力强、腾发量大的品种，采用混合植被方案，种植黑麦草，移栽麦冬草、狗牙根和百根草。初始时黑麦草生长迅速，后高温少雨时期全部干枯，但其他植被长势良好，第2年以百根草（根发和种子繁殖）最为茂盛。为接近工程实际，整个试验过程中未对植被进行施肥和灌溉。图 4(a)、4(b)分别为2012年6月植被长成和12月植被枯死后的照片。

图3 土柱模型示意图Fig.3 Schematic diagram of soil column

图4 2012年6月和12月植被照片Fig.4 Photograph of vegetation on June and December,2012

2.4 量测仪器及安装

含水率探头采用SM100土壤水分传感器，体积含水率精度为 0.1%（本文含水率均为体积含水率）。2012年春，钻孔并埋设4个传感器探头，测试相应位置处土壤含水率。自动记录雨量计分辨率为0.25 mm。含水率探头和雨量计接数据采集器，设置采样间隔均为1 h。如图3所示，模型桶在黏土层顶部以及碎石底部接出水管，分别量测地表径流和土柱透水量。黏土中0.2 m处埋设含水率测试探头，量测浅部黏土含水率，该处受蒸发作用影响较大；0.5 m处埋设探头量测黏土中部含水率，该深度是植被蒸腾作用主要影响深度；1.1 m处埋设探头量测深部黏土，即毛细阻滞界面以上黏土的含水率；砾砂中1.1 m深度处，埋设探头量测毛细阻滞界面以下含水率。

3 试验结果

3.1 黏土含水率变化

2012年3月9日开始记录数据，至2013年5月16日，历时435 d，期间经历了少雨期、强降雨期、高温少雨期、台风期、干燥期和低温期，较充分地获得了该封顶在不同时期的响应，检验了其性能。试验过程中各深度处的土体含水率变化如图 5所示。

（1）少雨期：4、5月份降雨较少，天气回暖，植被长成，各深度处土体含水率均逐渐下降，土柱渐干。对应小强度降雨，0.2 m处土体含水率有较大起伏，而0.5 m和0.8 m处含水率变化幅度较小，说明降雨时水分仅入渗到较浅位置，随后通过蒸发蒸腾作用返回到了大气中。由图可以看出，中部0.5 m处含水率逐渐低于浅部0.2 m处，这反映出植被逐渐长成，开始发挥显著的蒸腾作用。

（2）强降雨期：从5月中下旬到6月份，开始出现强降雨。5月份强降雨次数较少，此时降雨使各深度处的含水率大幅上升，但随后在蒸发蒸腾作用下土中水分又逐渐减少。6月份进入降雨高峰期，仅 2012年 6月 17～18日 24 h之内降雨就达157.4 mm，各深度土体含水率急剧升高，在后面10 d的几次降雨中，各深度含水率均相应出现多个峰值，底部0.8 m处已接近饱和，说明水分已入渗到粗、细粒土界面。

（3）高温少雨期：7、8月份为副热带高压控制期，晴热少雨，植被茂盛，腾发作用明显，各深度处含水率大幅下降，其中2012年夏0.5 m处降低至8.0%，说明植被蒸腾作用使土变得很干。浅层0.2 m处对应小强度降雨出现了小峰值（7月14日、8月2日、8月5日），中部和深部土体含水率仍以降低为主。

（4）台风期：台风一般发生在8月份晴热时期，此时土柱较干，保持着较大储水能力。2012年8月8日台风带来的降雨达130 mm，各深度含水率急剧上升，但未达到饱和，台风过后又较快回落。

（5）干燥期：9～11月份降雨较少，这段时间仍有植被存活，存在蒸腾作用，使得中部土体含水率低于浅部。浅部土体含水率随降雨稍有起伏，其他深度处土体含水率均保持在较低水平。

（6）低温期：大致为12月至次年3月底，这一时期通常有较多次数的小强度降水。12月份植被干枯，蒸腾作用基本消失，使得中部0.5 m处含水率与顶部0.2 m处接近，整个土柱基本保持上干、下湿的状态。该时期气温低，土面蒸发量也很小，因此，在该时段内，土体含水率一直较高。

3.2 透水量和地表径流量

2012年春，测得的底部砾砂中含水率在2.1%～2.2%，一直到5、6月份，随上部土体变干，该处含水率降至1.5%，这段时间透水量和地表径流均为0。

第1次透水发生于6月份降雨高峰时段，2012年6月18日砾砂含水率突增至4.5%（1 h后降至3.7%），说明上部水分已击穿毛细阻滞界面向下入渗。随后几天，与深度0.8 m处土体含水率达到的一个个峰值相对应，砾砂中含水率均有小幅上升，且高含水率持续时间增长，透水量增多，最大透水量产生于6月27日，对应的砾砂含水率连续7 h超过4.0%。整个降雨高峰期出水总量为1.8 L，折合降雨6.37 mm，收集地表径流15 L，折合降雨53.08 mm。底部透水产生时刻滞后降雨峰值约为12 h。

7月份随着上部土体变干，砾砂中含水率也降至2.0%以下。8月初的台风降雨导致砾砂含水率略有增加，但监测到的最高含水率小于3%，未监测到透水量。地表径流约3.5 L，折合降雨12.38 mm。秋季土柱较干，砾砂含水率最低降至0.5%。

第2次透水发生在冬季低温期，12月28日砾砂含水率在24 h内由1.8%逐渐增至3.7%，之后虽逐渐回落至2.5%，但后面的多次降雨使其一直保持较高，2013年2月18日再次超过3.4%，整个冬季发生两次透水共3.75 L，折合降雨13.27 mm，无地表径流。

3.3 水量平衡

图5 各深度处土体含水率变化Fig.5 Variations of water content at different depths

图6 土柱水量平衡图Fig.6 Water balance of soil column

试验监测期435 d内共降雨1782.6 mm，期间的水量平衡示于图 6。夏季、冬季两个季节发生底部透水共19.64 mm，占总降雨量的1.1%，其中大部分发生在腾发能力较低的冬季；顶部两次产生地表径流共65.46 mm，占总降雨量3.7%，分别发生在降雨高峰期和台风期，均为强降雨所致，地表径流量较少与植被层有关；大部分降雨（1697.5 mm）在细粒土存储和蒸发蒸腾交替作用下最终返回大气。

从储水量曲线可以看出，夏季和冬季土柱中储水较多。2012年监测开始后土的储水量逐渐下降；6月和8月的强降雨使土的储水量迅速增加，达到422.3 mm；强降雨后由于夏季高温蒸发以及植被蒸腾，储水量迅速下降，7月底和8月初土的储水量约为200 mm；秋季，土的储水量在200 mm以下；2012年底至2013年初，由于冬季降雨频繁和腾发量较少，土中储水较多，在340～400 mm之间；2013年春季，储水量再次下降。

4 工作机制分析和探讨

4.1 毛细阻滞型腾发封顶工作机制分析

试验表明，粉质黏土中部0.5 m深度处含水率受蒸腾作用影响显著，这与透过透明桶壁观察植被根系深度约 50 cm相一致；蒸发蒸腾作用下深部0.8 m处的含水率变化也很显著，这与毛细作用有关；砾砂中的含水率在降雨高峰期后也可由4.0%降低至1.5%，考虑到砾砂的大孔隙（忽略毛细作用），此处含水率降低与水汽运动有关。总之，蒸发蒸腾的作用范围为整个土柱，这与吴宏伟教授腾发作用深度约为2倍根系深度的研究结论一致[13]。

由于砾砂饱和渗透系数远大于粉质黏土，即使毛细阻滞界面被击穿发生透水，在底部排水情况下，砾砂含水率也不会增加很多。通常砾砂含水率在2.0%左右，只有降雨入渗使砾砂含水率接近4.0%（高温期超过 4.0%，低温期超过 3.4%）时才监测到有透水量产生，此时细粒土底部完全饱和。与现有理论上的认识不同，毛细阻滞界面被击穿后，该封顶只是暂时失效，后水汽运移导致砾砂含水率降低，毛细阻滞作用又恢复，该封顶仍能正常工作。

即使毛细阻滞界面被击穿产生透水，由于细粒土渗透系数较低，透水量也不大，该封顶在6月份降雨高峰时段透水仅6.37 mm。经过一段时间的蒸发蒸腾作用，当土层具有较大储水能力时，该封顶又能抵御较大强度降雨，试验中封顶在台风季节无透水量产生，注意到此时粉质黏土底部含水率最高已达47.3%，说明毛细阻滞作用非常有效。

4.2 讨论

本次试验尚存在不足之处。例如，由于填土较多，粉质黏土未烘干碾碎过筛，而在天然含水率下填筑，即使分层击实也不能保证均匀程度，因此，各深度处土体孔隙比和渗透系数有差异；最后，底部出水滞后降雨峰值时间较短，并不是说明细粒土渗透系数大，而是说明一定程度上存在沟道流。

工程上腾发封顶选用的植被除应具有较强腾发能力，还需具有较强生命力，特别是要能耐一定程度的干旱，比如本试验种植的黑麦草虽然生长迅速、蒸腾能力强，但在一定时期需灌溉才能存活。不能忽略地表径流的影响，为避免漫灌造成入渗量（及透水量）增加，工程上应隔一定距离设置地表径流的收集导排系统。

能否准确计算出蒸发蒸腾量是腾发封顶数值模拟的关键。另外，为接近实际，数值模拟不能仅考虑水量平衡而忽略毛细作用，进一步宜考虑水汽运动，建议考虑沟道流。气象条件特别是雨强应按小时计，按全天平均将导致较大误差，比如低估地表径流量。

试验所在地区降雨高峰期与植被腾发旺盛期基本重合，植被具有较大腾发能力，因此，夏季毛细阻滞型腾发封顶具有良好的工作性能。但冬季气温较低植被枯死，同时降雨频繁，导致冬季产生较多透水，若能混植常绿植被，可在一定程度上改善腾发封顶的工作性能。

5 结 论

（1）植被蒸发蒸腾能力对腾发封顶工作性能至关重要，即使植被根系深度仅有约50 cm，在毛细作用和水汽运移作用下，蒸发蒸腾也可在整个封顶厚度范围内起作用。

（2）上部细粒土含水率随腾发和降雨变化较大，底部粗粒土含水率随时间变化不大，当细粒土底部完全饱和，砾砂中含水率接近 4%时，开始有透水量产生。

（3）当细粒土底部达到饱和，水分下渗将毛细阻滞界面击穿时，该封顶只是暂时失效，后随腾发作用毛细阻滞界面功能恢复，该封顶仍能正常工作。

（4）试验期间降雨总量为1782.6 mm，底部透水共19.64 mm，占总降雨量的1.1%，说明在试验的气象条件下该腾发封顶能有效阻止降雨入渗。

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