垃圾填埋场“可冲洗式”渗滤液排水层淤堵防治机理

以城市生活垃圾填埋场渗滤液排水层渗透排水能力动态评价和淤堵动态防治为着眼点，从渗滤液排水层淤堵静态（结构优化）与动态（冲洗）防治相结合的视角，重点研究了渗滤液排水层阶段性淤堵及新型排水层的“冲（冲洗）”、“净（净化）”、“疏（疏排）”作用，在自创实施的4个实验模型系统基础上，探索并建立了“可冲洗式”排水层淤堵防治理论。该理论包含5个内容：（1）在对比分析渗流经过排水层前后渗滤液水质的基础上，查明了CaCO3和MgCO3是堵塞排水介质孔隙、导致排水层渗透性降低的主要成份，测定了淤堵物的含量和分布，生物化学作用是生成淤堵物的主控因素；掌握了渗滤液渗流过程中，砂砾排水层、衬垫粘土层土工性质和微观结构的演变特征；探索了上覆压力等填埋条件对排水层渗透性的影响；（2）以渗透系数降低率为评价指标、以COD去除率为表征参数，将排水层淤堵划分为生淤阶段、淤堵发展阶段和堵塞阶段；（3）确立了包含：①排水层渗透系数、COD去除率、排水层结构参数间数学关系；②渗透系数和渗流时间及排水孔隙度和渗流时间之间数学关系的淤堵演化模型，定量阐明了淤堵发生、发展和演化过程；（4）确定HCl溶液为冲洗溶液，且浓度为0.1、0.3和0.5mol/L时分别用于冲洗生淤阶段、淤堵发展阶段、堵塞阶段排水层中的淤堵物，设计了冲洗井管的结构、布井方法和冲洗工艺；揭示了排水层淤堵生成、清淤机制；解剖了冲洗工艺、冲洗井布置等冲洗要素及其组合关系对不同淤堵阶段的化学、物理作用机理。（5）阐明了以有效粒径大于7.0mm的砂砾作为排水介质、排水层底部设置1/50的排水坡度、以多粒组结构为特征的排水层结构优化原则，以渗透系数达到初始渗透系数的80%作为冲洗评价指标。阐明了生活垃圾填埋场“可冲洗式”渗滤液排水层淤堵防治理论的科学内涵，建立了粘土层渗透系数、塑性指数和孔隙分维数间的定量关系及填埋场“可冲洗式”排水层淤堵防治模式。研究结论为保障填埋场的安全运行提供了科学依据。

针对城市生活垃圾填埋场渗滤液排水层渗透排水能力明显降低至失效的突出问题，将排水层淤堵动态评价及动态防治的思路引入填埋场衬垫研究，从渗滤液排水层淤堵静态（结构优化）与动态（冲洗）防治相结合的视角，探索新型渗滤液排水层构建的理论基础。综合应用工程地质学、水文地质学、生物化学、环境科学的基础理论，结合室内模拟实验与填埋场工程实践，重点研究渗滤液排水层阶段性淤堵及新型排水层的冲（冲洗）、净（净化）、疏（疏排）作用。揭示排水介质淤堵发生、发展的阶段性演化特征，划分淤堵阶段，查明各淤堵阶段的渗滤液水质参数表征关系。解剖和确立冲洗工艺、冲洗井布置等冲洗要素及其组合关系对不同淤堵阶段的化学、物理作用机制。阐明生活垃圾填埋场可冲洗式渗滤液排水层淤堵防治理论的科学内涵，建立填埋场可冲洗式排水层淤堵防治理论模式。为保障填埋场的安全运行提供科学依据，培育垃圾填埋环境工程地质学新方向。

我国填埋场建有渗滤液水位迫降抽排竖井超过2万口，但其普遍存在淤堵快、出水流量低和水位控制效果差的问题。工程探索表明，一种具备复合反滤结构的渗滤液抽排竖井具有良好的抗淤堵性能，但其渗透-淤堵机理尚不清楚，难以进一步优化和推广。拟针对填埋场复合反滤渗滤液抽排竖井开展研究。通过单元体试验和模拟，研究复合反滤层的渗流机理，掌握各反滤结构层流量负荷分布规律，揭示其在不同物化生化特性渗滤液、温度、上覆压力、位移等因素作用下的渗透-淤堵响应，探索优化复合反滤结构；开展复合反滤抽排竖井长期室内模型试验，掌握其反滤结构及井周垃圾长期使用后的淤堵时空发展规律，试验探索淤堵防治技术；建立考虑淤堵时空效应的复合反滤抽排竖井井流计算方法；开展现场试验，验证和进一步探索复合反滤层抽排竖井出水效果、淤堵发展规律及淤堵防治技术。本研究可阐明复合反滤渗滤液抽排竖井的渗透-淤堵时空发展规律，有利于其进一步优化发展和推广应用

堆体内水位壅高会降低垃圾的有效应力，也会引起填埋气阻滞、气压增大，显著降低堆体的稳定性。填埋场采用抽排竖井强制降低渗滤液水位，常有三种形式：具有复合反滤结构的大口径竖井，具有复合反滤结构的小口径竖井，以及常规结构的大口径竖井。 广州兴丰填埋场降水实践表明，具有复合反滤结构的大口径和小口径竖井，单井平均产水量可达25m3/d，远大于常规降水竖井的5m3/d ~10m3/d，效果良好。但通过改变竖井结构，很难进一步提升出水量，原因是堆体内存在液气阻滞效应，降低了渗滤液自堆体向竖井内的运移速率，限制了竖井的产水量。现场监测表明，厚度40m左右的堆体，实测主水位埋深4m~10m，滞水位埋深3m~5m，气压达到225kPa，水、气压力大，阻滞严重。 基于此，研发了一种负压抽排竖井，除采用复合反滤结构，同时利用真空泵在竖井内形成负压，增大渗滤液的渗流梯度，弱化填埋气对渗滤液的阻滞，提高竖井产水量。在杭州天子岭填埋场建设负压抽排竖井并开展试验，结果表明：（1）定降深25 m抽水，井内负压由0 kPa增加至-30 kPa，qs由46.1 m3/d增加至66.3 m3/d，出水量显著提升。（2）将井内负压保持在-30 kPa时，降深由15 m增加至25 m，产水量由45.0 m3/d增加至66.3 m3/d。（3）定降深25m抽水，井内负压由0kPa增加至-30kPa时，距井5m处水位降深由7.3m增加至12.7m，距井30m处由1.2m增加至1.6m。影响半径平均由34.5m增加至37.2m。（4）井周边堆体内的负压随着深度和距井水平距离逐渐减少。随着深度的增加，堆体内负压逐渐衰减。当井内负压为-30kPa时，距井5m深度15m处负压为-14.7kPa，深度30m处负压为-3.5kPa。随着水平距离的增加，堆体内真空也逐渐衰减。（5）随着负压的增加，折算堆体内饱和渗透系数kw由1.41×10-6 m/s逐渐增加3.29×10-6 m/s。 研究表明，具备复合反滤结构的大口径、小口径竖井均取得很好的应用效果，尤其是小口径竖井，具有成井速度快、降水效果好的特点，已在深圳、广州、杭州、上海及西安等多地获得应用。负压抽排竖井可增大堆体内渗滤液的渗流梯度，弱化液气阻滞效应，提高竖井产水量，具有良好的应用前景。 2100433B

围海造田、软土地基处理、淤泥堆场处理等超软土排水工程中，排水体过滤材料通常会遇到淤堵问题，导致无法有效地快速降低超软土含水率。影响排水体淤堵的主要因素有两点：（1）排水界面上的应力、水力条件；（2）过滤材料自身的孔隙特性。本项目通过增加了模拟顶部堆载荷载和真空负压模块的改进梯度比试验仪器，模拟排水体淤堵过程，揭示超软土排水体发生淤堵的机理；通过更换不同滤层材料，进行不同上部荷载压力和不同真空负压下的室内排水模型试验，筛选出最有利于防淤堵的过滤材料和水力、应力条件，揭示这些因素的防淤堵机理；通过试验结束后的取样颗粒分析结果，对照过滤材料的孔隙特性，分析颗粒的运动规律和在过滤材料中的滞留规律，建立超软土排水体滤层材料防淤堵设计准则。本项目的研究结果可以给出指导防淤堵设计的理论依据，进一步优化排水固结工程措施。在沿海港区吹填造陆、内陆河流湖泊疏浚淤泥处置等工程中有较好的应用前景。