不同降雨模式下山谷型垃圾填埋场水分运移及其稳定性研究

邱战洪，何春木，朱兵见，陈合龙

（台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000）

1 引 言

我国是受台风灾害最严重国家之一，特别是浙江、福建等东南沿海地区。台风登陆时往往伴随着强降雨，同时强对流天气往往也会带来暴雨、特大暴雨。山谷型填埋场在我国南方地区较为常见，降雨后汇水区域内形成地表和地下径流，向低处的填埋场区流动。因此，强降雨时大量的雨水可能入渗到垃圾堆体中。

十多年的运营经验表明，我国南方第1批建造的许多山谷型填埋场(如杭州天子岭、苏州七子山、重庆长生桥)，由于无渗滤液导排系统或系统失效、缺乏必要的雨污分流措施、截洪沟失效等原因[1]。在降雨入渗作用下，填埋场内的水位普遍较高，如杭州市天子岭第1垃圾填埋场内渗滤液的水头高达40～50 m。Koerner等[2]对10个发生失稳的填埋场进行了分析，分析结果表明，填埋体内的渗滤液水位过高是填埋场失稳的主要诱因，占70%，并且其中3个和强降雨有关。一旦垃圾填埋场发生失稳滑动，将会带来非常严重的灾难性后果。例如 2000年7月10日，菲律宾首都马尼拉附近奎松市的一座大型垃圾填埋场失稳，造成330人被活埋，278余人死亡的惨剧，该场灾害是由当时两个台风带来的极端强降雨诱发[3]。因此，研究强降雨时垃圾填埋场内的雨水入渗规律及其稳定性的变化，对我国山谷型垃圾填埋场的安全管理和灾害防治具有实际意义。

2 垃圾土的水力特性

2.1 垃圾土的土-水特征曲线

七子山垃圾填埋场位于苏州市南郊，距苏州市中心13 km处。填埋场设计容量为470×104m3，设计运营年限15 a，于1993年7月开始运营。目前，填埋场日处理垃圾1 600 t。

课题组为了考虑垃圾埋深和龄期对垃圾土持水特性、抗剪强度参数、孔隙比、含水率及组分等的影响，根据对现场填埋历史的调查，按龄期和埋深将填埋场内的垃圾土分为浅层、中层和深层垃圾土，对应的填埋龄期分别为 0.0～6.0年，6.0～9.5年和9.5～13.0年，详见图1。图1为填埋场2006年4月份的剖面图。

图1 苏州市七子山垃圾填埋场的剖面图Fig.1 Cross-section of Qizhishan landfill in Shuzhou city

对于垃圾的持水特性，国内外已进行了一定研究[4－6]。结合工程项目“苏州市七子山垃圾填埋场扩建工程现场土工测试”，在填埋场现场钻孔取得不同深度处的垃圾样，浙江大学岩土工程研究所利用美国土壤水分仪器公司的 Cat. No. 1600 压力板仪对原状垃圾土持水特性进行了研究，得到垃圾土的土-水特征曲线如图2[7]。

2.2 垃圾土的渗透性函数

垃圾土的渗透性函数同时受到孔隙比和饱和度（或含水率）变化的影响，在非稳定渗流过程中的孔隙比的变化很小，因此，常常将垃圾土的渗透性系数表达为饱和度S或体积含水率θw的单一函数。

Brooks和Corey在用各类介质做了大量脱湿试验的基础上提出了Brooks-Corey公式：

图2 垃圾土的土-水特征曲线Fig.2 The soil-water characteristic curves of MSW landfill

式中：Se为有效饱和度；θ、θs和θr分别为体积含水率、饱和含水率和残余含水率；ψ为基质吸力；ψc为残余含水率对应的基质吸力；λ为孔隙大小分布指数，为有效饱和度与基质吸力关系曲线的负斜率。

利用式（1）、（2），可由土-水特征曲线得到垃圾土的基质吸力与有效饱和度关系。其中，深层垃圾θr=15%，θs=59.32%；中层垃圾θr=11%，θs= 67.74%；浅层垃圾θr=8%，θs=72.00%。

式（2）可写作幂函数的标准形式如下：

对基质吸力与有效饱和度之间的关系进行非线性拟合回归分析，可得深层垃圾ψc=1.46 kPa，λ=0.44；中层垃圾ψc=0.65 kPa，λ=0.40；浅层垃圾ψc=0.66 kPa，λ=0.47。

最后，根据Campbell公式[8]可得垃圾土的渗透性函数如下：

式中：ks为饱和渗透系数。

分别把浅层、中层和深层垃圾土的λ值代入式(4)，可绘图得到垃圾土的渗透关系曲线如图3，图中深层、中层和浅层垃圾的饱和渗透系数分别为2.75×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2cm/s。

从图3可见，垃圾土的渗透系数随体积含水率的增长而增大，两者成幂函数关系。当垃圾土体积含水率较低时，渗透系数变化较缓慢；当垃圾土体积含水率达到一定值时，渗透系数急剧上升。

3 雨水入渗数值模型

3.1 控制方程

由于降雨边界条件和渗流场内水头（或孔隙水压）随时间发生变化，降雨入渗过程为非稳态渗流。渗流过程中假定无体积变化（即不考虑变形-渗流的耦合作用），同时假定孔隙气压力保持常数（1个大气压）和渗透性各向异性，根据连续性方程和达西渗流定律，可得瞬态流分析的控制方程[9]为

式中：kw为垃圾土的渗透系数，hw= y +uw/γw为渗滤液水头，γw=ρwg为渗滤液重度，m2w为垃圾土土-水特征曲线上uw对应的土-水特征曲线的斜率，uw为垃圾土的孔隙水压力（基质吸力）。

图3 垃圾土的渗透性关系曲线Fig.3 Permeability function curves of MSW landfill

图4 七子山填埋场有限元模型Fig.4 The finite element model of Qizhishan landfill

3.2 有限元模型

模型用结构4节点单元离散，共有1 683个节点，1 592个单元。七子山填埋场的有限元模型见图4。

3.3 边界条件

由于七子山填埋场底部无渗滤液导排系统，其渗滤液的导出主要靠垃圾坝内的排水棱体。由于填埋场内的初始渗滤液水头较高，可见排水棱体的堵塞情况非常严重，因此，可假设其渗透系数为 0。在本文计算中，填埋场底部及垃圾坝和垃圾截面边界都处理为不透水边界，填埋场上表面处理为随降雨入渗时间变化的流量边界条件。

3.4 初始水位

在“苏州市七子山垃圾填埋场扩建工程土工测试项目”中，浙江大学岩土工程研究所对七子山垃圾填埋场进行了系列现场测试工作，包括钻探试验、垃圾取样、触探试验和孔隙水压监测等[10]。通过5个钻孔得到实测渗滤液初始水位，见图1所示虚线。

3.5 降雨模式

现有文献表明，诱发边坡失稳的降雨，不但与降雨强度、降雨持时有关，还明显受到降雨模式的影响[11－12]。本文拟考虑递减型、中心型、增强型和平均型4种降雨模式对山谷型垃圾填埋场水分运移与填埋场稳定的影响。4种典型7 d降雨模式如图5所示，图中dj、zx、zq和pj分别表示递减型、中心型、增强型和平均型4种降雨模式。为了便于得到实际的雨量分布图，图中对4种降雨模式的雨量分布进行了无量纲化，即总降雨量乘以降雨系数就得到实际的降雨量分布。

图5 四种典型7 d降雨模式Fig.5 Four rainfall patterns of 7 days rainfall

根据苏州市气象资料，本文选用7 d总降雨量746 mm，重现期为100 a一遇。

4 填埋场内水分迁移规律

4.1 孔隙水压头（孔隙水压）变化

在有限元网格中，516节点处于填埋场的初始水位线上。根据数值分析结果，该节点处的孔隙水压（孔隙水压头）的变化规律最为明显。因此，本文选取516节点为代表来反映不同降雨模式下填埋场内孔隙水压头或孔隙水压变化规律。516节点处孔隙水压和孔隙水压头的变化规律详见图 6(a)和图6(b)所示。

从图中可见，不同降雨模式对填埋场中的孔隙水压头（孔隙水压）变化规律影响显著。其中，递减型、中心型、增强型和平均型降雨模式的最终孔隙水压头分别为 4.90、4.32、3.22 m和3.32 m，最大差值为1.68 m。递减型、中心型、增强型和平均型降雨模式的最终孔隙水压力分别为 48.1、42.4、31.6、32.5 kPa，最大差值为16.5 kPa。

图6 516节点孔隙水压力变化曲线Fig.6 Curves of water pressure at No.516 node

4.2 渗滤液水位的变化

图7给出了7 d强降雨后，4种降雨模式下七子山填埋场的渗滤液水位线。从图中可见，降雨模式对填埋场渗滤液水位有明显影响，递减型降雨模式下填埋场的渗滤液水位最高，增强型降雨模式下填埋场的渗滤液水位最低，平均型和增强型降雨模式下填埋场的渗滤液水位较为接近。需要指出的是，与山谷型填埋场的轮廓尺度相比，不同降雨模式下填埋场的最终渗滤液水位线之间的差距不大，但可能会对填埋场的稳定性产生较大的影响。

图7 4种降雨模式下填埋场的渗滤液水位线Fig.7 Water table of leachate in landfill subjected to four rainfall patterns

5 填埋场稳定性分析

本文利用极限平衡法分析了4种降雨模式下七子山填埋场稳定性随降雨时间的变化规律，分析结果见图 8。其中，本文采用的垃圾抗剪强度参数[10]如表1。

图8 安全系数Fs的变化曲线Fig.8 Curves of safety factor Fs

表1 七子山填埋场稳定分析的抗剪强度参数值Table 1 Shear strength parameters of Qizhishan landfill

从图8可见，填埋场的稳定性随降雨时间的增加不断减低，降雨模式对填埋场稳定系数的变化规律有显著的影响。其中，递减型降雨模式下的填埋场稳定系数在第1～2 d下降最为显著；中心型降雨模式下的填埋场稳定系数在第4 d下降最为明显；平均型降雨模式下的填埋场稳定系数在第1～3 d变化较快，在第4～7 d变化较为平缓；增强型降雨模式下的填埋场稳定系数在第6～7 d下降最为快速；并且递减型降雨模式下填埋场的最终稳定系数最小，为1.016。

在初始水位作用下，填埋场的稳定系数为1.314，具有一定的稳定性安全储备，而经历7 d强降雨后，4种降雨模式下填埋场的稳定系数都下降明显，填埋场具有严重的失稳隐患。

6 结 论

（1）降雨模式对山谷型垃圾填埋场内的水分运移规律有显著的影响，递减型降雨模式下填埋场内孔隙水压（孔隙水压头）变化最大，为最不利降雨模式。

（2）填埋场的稳定性随降雨入渗时间的增加不断减低，降雨模式对填埋场稳定系数的变化规律有显著的影响，递减型降雨模式下填埋场的稳定系数下降最明显。

（3）经历7 d的极端强降雨后，七子山填埋场的稳定系数水渗滤液水位的上升下降明显，具有严重的失稳隐患，需要采取必要的工程措施。

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