CN111576493A - 一种设计填埋场全寿命服役屏障的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设计填埋场全寿命服役屏障的方法。在设计阶段就考虑到防污屏障寿命历程的所有环节，将主要相关因素在垃圾填埋场防污屏障设计分阶段得到综合规划和优化的一种设计思想，设计的防污屏障中的各部分，例如填埋体高度和面积、土工膜寿命、渗滤液收集系统、衬垫层环境土工特性，在设计阶段就考虑其寿命周期过程，通过优化设计使得防污屏障在其填埋场全生命周期内达到很好的服役表现，使其服役寿命大于填埋场运行时间和固废稳定化时间之和。本发明能够在填埋场不同水头负荷情况下设计出可全寿命服役的防污屏障，且设计方法可靠。
Description
技术领域
本发明涉及了一种设计填埋场全寿命服役屏障的方法，在填埋场设计阶段就考虑其寿命周期过程，通过优化设计使得整个防污屏障在其全寿命服役期间达到很好的服役表现。
背景技术：
填埋场的防污屏障系统布设于填埋场的底部和四侧，用于隔离垃圾产生的渗滤液对填埋场四周的土壤和地下水造成污染。防污屏障的主要防渗材料包括天然或压实黏土、土工膜和土工聚合黏土衬垫。国内外填埋场防渗屏障有以下四种典型结构：天然压实粘土屏障、高密度聚乙稀土工膜与压实粘土衬垫组成的复合屏障系统、高密度聚乙稀土工膜与土工复合膨润土衬垫组成的复合屏障系统、高密度聚乙稀土工膜单层防渗结构。然而国内垃圾填埋场的很大部分对周边水体或土体造成了明显的污染，2002年国家环保局统计85％以上的填埋场对周边环境造成了污染。现有屏障的设计方法主要参考了欧美低厨余垃圾填埋场的设计标准，其针对的作用在屏障上方的水头在30cm以内，且仅对防污屏障的材料性质进行规定，如材料的厚度和渗透性能。我国填埋场厨余垃圾含量高，渗滤液产量大，污染物浓度高，导排层易淤堵，这导致渗滤液水位往往可达填埋高度的1/3以上。因此，现有的防污屏障设计方法不足以满足填埋场地下水土污染防控的要求。
防污屏障的设计应符合填埋场总体设计的要求，并满足在填埋场使用期限及其封场后发挥有效的防渗和防污功能，实现全寿命服役。垃圾填埋场防污屏障的全寿命服役指在设计阶段就考虑到防污屏障寿命历程的所有环节，将主要相关因素在垃圾填埋场防污屏障设计分阶段得到综合规划和优化的一种设计思想。这些因素包括填埋体高度和面积、土工膜寿命、渗滤液收集系统导排性能、衬垫层环境土工特性等。根据这些因素的不同组合，通过污染物运移分析模型对防污屏障进行优化设计使得防污屏障的服役寿命大于填埋场运行时间和固废稳定化时间之和，确保在填埋场全生命周期内渗滤液污染物不对地下水土造成污染。目前在填埋场设计阶段由于缺乏全寿命服役的设计思想，导致防污屏障的材料和结构型式设计不能保证其在我国高水位填埋场的全寿命服役。因此，非常有必要提出一种设计全寿命服役防污屏障的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计填埋场全寿命服役屏障的方法，针对国内填埋场填埋体高水位导致防污屏障被击穿污染地下水的情况，用于在填埋场初步设计阶段就考虑防污屏障全寿命服役，对于预防具有重要意义。
本发明通过以下技术方案实现：
步骤1)：防污屏障物理模型构建
基于初步设计的填埋场规模，确定填埋场的最大填埋厚度HD(m)。
根据国内典型填埋场的水头负荷曲线及指示性污染物氯离子浓度变化图确定作用于复合衬垫上的荷载。选取防污屏障中的各部分，例如填埋体高度和面积、土工膜、渗滤液收集系统、防渗衬垫等参数，根据国内外土工膜漏洞情况，选取平坦土工膜及有褶皱土工膜上的漏洞数量与大小；
步骤2)：计算防污屏障服役性能
构建好防污屏障物理模型及其参数设定后，进行模型计算：
步骤2.1)：计算防污屏障渗漏率
复合衬垫的渗漏率按下式计算：
当土工膜无褶皱复合衬垫：
②土工膜和土质防渗层接触良好：
Q＝0.21a0.1hw 0.9k0.74 (1)
②土工膜和土质防渗层接触不良：
Q＝1.15a0.1hw 0.9k0.74 (2)
式中：a——土工膜中圆形缺陷面积(m2)；hw——土工膜上方水头(m)；k——土质防渗层的渗透系数(m/s)；
当土工膜存在褶皱复合衬垫：
式中：L——与漏洞相连接的褶皱长度(m)；b——褶皱的宽度的一半(m)；
θ——土工膜层与粘土衬垫界面的导水系数(s-1)。
步骤2.2)：计算防污屏障击穿时间
复合衬垫的污染物击穿时间按下式计算：
式中：Cb——防污屏障底部污染物击穿浓度(mg/L)；C0——渗滤液污染物初始浓度(mg/L)；va——达西流速(m/s)；Sgf——土工膜和相连介质孔隙流体之间的分配系数；PLg——土工膜Peclet数；PLs——压实粘土衬垫Peclet数；D——水动力弥散系数(m2/s)；Dg——污染物在土工膜中的扩散系数(m2/s)；z——深度(m)；Lg——土工膜厚度(m)；Ls——压实粘土衬垫厚度(m)；vs——渗流速度(m/s)；tb——指示性污染物击穿时间(a)；TR——时间因子。
步骤3)：评价防污屏障服役性能
根据计算得到的不同工况下的防污屏障击穿时间，绘制各型式全寿命防污屏障的击穿曲线。
利用各型式全寿命防污屏障的击穿曲线，通过理论分析可获得在各类工况下满足全寿命服役的防污屏障型式，从而在填埋场的设计阶段就可选择全寿命服役防污屏障型式。
本发明的有益效果为：
本发明能够在考虑填埋场高水位情况下设计可全寿命服役的防污屏障。
本发明可利用各型式全寿命防污屏障的击穿曲线，通过理论分析可获得在各类工况下满足全寿命服役的防污屏障型式，从而在填埋场的设计阶段就可选择全寿命服役防污屏障型式。
并且通过数值模拟与理论计算相互比较，本发明方法具有良好的可靠性。
附图说明
图1是本发明计算填埋场全寿命服役屏障方法的流程图。
图2是本发明计算模型。
图3是本发明计算模型水头负荷曲线图。
图4是本发明计算模型指示性污染物氯离子浓度变化图。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于本发明的实施范围。
本发明主要是根据填埋场初步设计阶段确定填埋规模，得到垃圾的最大堆填厚度，设计选用的防污屏障类型，确定作用在防污屏障上的载荷，及其各部分功能区参数作为不同工况，结合填埋场的服役历程，计算防污屏障的渗漏率及击穿时间，绘制不同工况下防污屏障的服役曲线，选取出满足全寿命服役防污屏障型式。
本发明以下以氯离子作为指示性污染物在防污屏障中运移作为实施例，进一步阐释本发明：
如图1所示，本发明分为三个步骤，步骤1为防污屏障物理模型的构建，主要确定了防污屏障的型式及参数、指示性污染物氯离子浓度及导排层水头；步骤2为计算防污屏障服役性能，主要为计算防污屏障渗漏率及击穿时间；步骤三为评价防污屏障服役性能，根据衬垫类型及击穿时间绘制服役曲线图，根据全寿命服役标准进行评价，满足全寿命服役条件的屏障型式即为该工况下的全寿命服役屏障，否则需重新修改步骤1中模型参数进行重复计算和评价。
步骤1)：防污屏障物理模型构建
如图2所示，本发明的防污屏障服役模型主要有以下部分组成：天然衰减层1，压实黏土衬垫2，土工膜3，渗沥液导排层4，反滤层5组成。具体工况及参数取值：土工膜厚度Lg＝0.0015m,压实黏土厚度Ls＝0.6m～0.75m，天然衰减层的厚度为1～3m。氯离子在压实黏土中的渗透系数为1×10-9m/s；在天然衰减层中的渗透系数为1×10-7m/s。氯离子在土工膜上的扩散系数为Dg＝1.6×10-6m2/s,在压实黏土衬垫中的弥散系数为0.02m2/a,在天然衰减层的弥散系数为0.022m2/a。土工膜和相连介质孔隙流体之间的分配系数Sgf＝1×10-4。在计算土工膜上的漏洞产生的渗漏率时，考虑与褶皱相连的土工膜上的漏洞频率为1个/公顷，水力连通的褶皱长度为200m，褶皱宽度为0.2m，平坦土工膜上漏洞频率为4个/公顷。根据国内外实际调研情况，漏洞半径为0.00564m的漏洞所占比例较高，则选取0.00564m，土工膜与压实黏土衬垫接触面导水系数取值为1.6×10-8m2/s。
根据国内典型填埋场服役历程，填埋场运行期和封场后防污衬垫水头负荷应按图3模式确定，其中t1:导排层开始淤堵时刻；t2:导排层完全淤堵时刻；t3:填埋场完全封场时刻；t4:填埋场维护结束时刻；t5:固废稳定化时刻；h1～h5为不同时段对应的作用在导排层上水头。
根据不同类型填埋场各阶段服役时间也不同。平原型填埋场t1＝5a；t2＝10a；山谷型填埋场t1＝2a；t2＝6a。并假设t3＝30a；t4＝60a；t5＝100a。在第一阶段0-t1，填埋场堆填作业开始，低渗透性覆盖层与导排层正常运行情况下，雨水通过覆盖层的入渗率在较低的水平，作用于导排层上的水头维持在0.3m以内。在第二阶段t1-t2，由于渗滤液的不断产生导致生物膜生长和固废细颗粒物质的进入，导排层开始淤堵，作用于导排层上的水头不断升高,计算时取平均值。在第三阶段t2-t3，导排层于一段时间后完全淤堵，导排层水头也达到了最高值，并且在垃圾填埋场完全封场前维持稳定，取值为1/3填埋堆体平均高度。在第四阶段t3-t4，即在填埋场维护期间，由于采取立体导排等有效措施，作用于导排层上的水头值不断降低并于维护结束阶段降低到稳定的较低水位值,该阶段取平均值计算。在第五阶段t4-t5，导排层水头降为定值，取值5m。
根据国内填埋场的调研，本发明采用氯离子作为指示性污染物，其初始浓度C0通过调研国内填埋场实际浓度，发现国内无回灌填埋场氯离子初始浓度在2500-3500mg/L之间，选取3000mg/L作为源浓度，并在填埋场运行期和封场后防污屏障中按图4模式确定。防污屏障底部污染物击穿浓度Cb根据生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)规定，制定为Cb＝250mg/L。
步骤2)：计算防污屏障服役性能
建立防污屏障物理模型及参数后，通过公式(1)～(3)得到填埋场服役期间防污屏障各阶段的渗漏率，再根据公式(4)～(7)得到不同工况下的防污衬垫击穿时间。绘制各工况下的防污屏障服役曲线图。步骤3)：评价防污屏障服役性能
在t5时间后，若防污屏障底部污染物浓度小于防污屏障底部污染物击穿浓度Cb，则该防污屏障满足全寿命服役标准，即为该工况下的全寿命服役屏障。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明的简单变换后的方案属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种设计填埋场全寿命服役屏障的方法，其特征在于，根据填埋场初步设计阶段确定的填埋规模，得到垃圾的最大堆填厚度，设计选用的防污屏障类型，确定作用在防污屏障上的载荷，及设定防污屏障各部分功能区参数作为不同工况，结合填埋场的服役历程，计算防污屏障的渗漏率及击穿时间，绘制不同工况下防污屏障的服役曲线，选取出满足全寿命服役防污屏障型式。
2.如权利要求1所述的一种设计填埋场全寿命服役屏障的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1)：防污屏障物理模型构建
基于初步设计的填埋场规模，确定填埋场的最大填埋厚度HD(m)；根据国内典型填埋场的水头负荷曲线及指示性污染物氯离子浓度变化图确定作用于复合衬垫上的荷载；选取防污屏障中的各部分包括填埋体高度和面积、土工膜、渗滤液收集系统、防渗衬垫的参数，根据国内外土工膜漏洞情况，选取平坦土工膜及有褶皱土工膜上的漏洞数量与大小；
步骤2)：计算防污屏障服役性能
构建好防污屏障物理模型及其参数设定后，进行模型计算：
步骤2.1)：计算防污屏障渗漏率
复合衬垫的渗漏率按下式计算：
当土工膜无褶皱复合衬垫：
①土工膜和土质防渗层接触良好：
Q＝0.21a0.1hw 0.9k0.74 (1)
②土工膜和土质防渗层接触不良：
Q＝1.15a0.1hw 0.9k0.74 (2)
式中：a——土工膜中圆形缺陷面积(m2)；hw——土工膜上方水头(m)；k——土质防渗层的渗透系数(m/s)；
当土工膜存在褶皱复合衬垫：
式中：L——与漏洞相连接的褶皱长度(m)；b——褶皱的宽度的一半(m)；θ——土工膜层与粘土衬垫界面的导水系数(s-1)；Ls——压实粘土衬垫厚度(m)。
步骤2.2)：计算防污屏障击穿时间
复合衬垫的污染物击穿时间按下式计算：
式中：Cb——防污屏障底部污染物击穿浓度(mg/L)；C0——渗滤液污染物初始浓度(mg/L)；va——达西流速(m/s)；Sgf——土工膜和相连介质孔隙流体之间的分配系数；PLg——土工膜Peclet数；PLs——压实粘土衬垫Peclet数；D——水动力弥散系数(m2/s)；Dg——污染物在土工膜中的扩散系数(m2/s)；z——深度(m)；Lg——土工膜厚度(m)；vs——渗流速度(m/s)；tb——指示性污染物击穿时间(a)；TR——时间因子；
步骤3)：评价防污屏障服役性能
根据步骤2)公式计算得到不同工况下的防污屏障底部渗滤液浓度，绘制各型式防污屏障底部渗滤液浓度随时间变化的击穿曲线；
对比设计阶段不同工况下的不同类型防污屏障的击穿曲线，选取符合防污屏障底部污染物浓度100年后不超过《地下水质量标准GB 14848》III类地下水质量限值的防污屏障型式，则选取出的防污屏障为全寿命服役防污屏障，能够在填埋场服役期间发挥稳定防污防渗功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Jiawei Inventor after: Xie Haijian Inventor after: Ding Hao Inventor after: Lan Jiwu Inventor after: Wang Liang Inventor after: Chen Yunmin Inventor after: Zhan Liangtong Inventor before: Wu Jiawei Inventor before: Xie Haijian Inventor before: Ding Hao Inventor before: Lan Jiwu Inventor before: Wang Liang |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |