降雨作用下填埋场防渗系统水分分布的数值模拟研究

摘要：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。
关键词：填埋场；防渗系统；降雨；水分分布；数值模拟
中图分类号：X703；TU993. 3 文献标识码：A 文章编号：1005－8206 （2012） 04－0021－04
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1×10-7 cm/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。