復合反濾滲濾液抽排豎井滲透-淤堵機理與淤堵防治

堆體內(nèi)水位壅高會降低垃圾的有效應力，也會引起填埋氣阻滯、氣壓增大，顯著降低堆體的穩(wěn)定性。填埋場采用抽排豎井強制降低滲濾液水位，常有三種形式：具有復合反濾結構的大口徑豎井，具有復合反濾結構的小口徑豎井，以及常規(guī)結構的大口徑豎井。 廣州興豐填埋場降水實踐表明，具有復合反濾結構的大口徑和小口徑豎井，單井平均產(chǎn)水量可達25m3/d，遠大于常規(guī)降水豎井的5m3/d ~10m3/d，效果良好。但通過改變豎井結構，很難進一步提升出水量，原因是堆體內(nèi)存在液氣阻滯效應，降低了滲濾液自堆體向豎井內(nèi)的運移速率，限制了豎井的產(chǎn)水量?，F(xiàn)場監(jiān)測表明，厚度40m左右的堆體，實測主水位埋深4m~10m，滯水位埋深3m~5m，氣壓達到225kPa，水、氣壓力大，阻滯嚴重。 基于此，研發(fā)了一種負壓抽排豎井，除采用復合反濾結構，同時利用真空泵在豎井內(nèi)形成負壓，增大滲濾液的滲流梯度，弱化填埋氣對滲濾液的阻滯，提高豎井產(chǎn)水量。在杭州天子嶺填埋場建設負壓抽排豎井并開展試驗，結果表明：（1）定降深25 m抽水，井內(nèi)負壓由0 kPa增加至-30 kPa，qs由46.1 m3/d增加至66.3 m3/d，出水量顯著提升。（2）將井內(nèi)負壓保持在-30 kPa時，降深由15 m增加至25 m，產(chǎn)水量由45.0 m3/d增加至66.3 m3/d。（3）定降深25m抽水，井內(nèi)負壓由0kPa增加至-30kPa時，距井5m處水位降深由7.3m增加至12.7m，距井30m處由1.2m增加至1.6m。影響半徑平均由34.5m增加至37.2m。（4）井周邊堆體內(nèi)的負壓隨著深度和距井水平距離逐漸減少。隨著深度的增加，堆體內(nèi)負壓逐漸衰減。當井內(nèi)負壓為-30kPa時，距井5m深度15m處負壓為-14.7kPa，深度30m處負壓為-3.5kPa。隨著水平距離的增加，堆體內(nèi)真空也逐漸衰減。（5）隨著負壓的增加，折算堆體內(nèi)飽和滲透系數(shù)kw由1.41×10-6 m/s逐漸增加3.29×10-6 m/s。 研究表明，具備復合反濾結構的大口徑、小口徑豎井均取得很好的應用效果，尤其是小口徑豎井，具有成井速度快、降水效果好的特點，已在深圳、廣州、杭州、上海及西安等多地獲得應用。負壓抽排豎井可增大堆體內(nèi)滲濾液的滲流梯度，弱化液氣阻滯效應，提高豎井產(chǎn)水量，具有良好的應用前景。 2100433B

我國填埋場建有滲濾液水位迫降抽排豎井超過2萬口，但其普遍存在淤堵快、出水流量低和水位控制效果差的問題。工程探索表明，一種具備復合反濾結構的滲濾液抽排豎井具有良好的抗淤堵性能，但其滲透-淤堵機理尚不清楚，難以進一步優(yōu)化和推廣。擬針對填埋場復合反濾滲濾液抽排豎井開展研究。通過單元體試驗和模擬，研究復合反濾層的滲流機理，掌握各反濾結構層流量負荷分布規(guī)律，揭示其在不同物化生化特性滲濾液、溫度、上覆壓力、位移等因素作用下的滲透-淤堵響應，探索優(yōu)化復合反濾結構；開展復合反濾抽排豎井長期室內(nèi)模型試驗，掌握其反濾結構及井周垃圾長期使用后的淤堵時空發(fā)展規(guī)律，試驗探索淤堵防治技術；建立考慮淤堵時空效應的復合反濾抽排豎井井流計算方法；開展現(xiàn)場試驗，驗證和進一步探索復合反濾層抽排豎井出水效果、淤堵發(fā)展規(guī)律及淤堵防治技術。本研究可闡明復合反濾滲濾液抽排豎井的滲透-淤堵時空發(fā)展規(guī)律，有利于其進一步優(yōu)化發(fā)展和推廣應用

以城市生活垃圾填埋場滲濾液排水層滲透排水能力動態(tài)評價和淤堵動態(tài)防治為著眼點，從滲濾液排水層淤堵靜態(tài)（結構優(yōu)化）與動態(tài)（沖洗）防治相結合的視角，重點研究了滲濾液排水層階段性淤堵及新型排水層的“沖（沖洗）”、“凈（凈化）”、“疏（疏排）”作用，在自創(chuàng)實施的4個實驗模型系統(tǒng)基礎上，探索并建立了“可沖洗式”排水層淤堵防治理論。該理論包含5個內(nèi)容：（1）在對比分析滲流經(jīng)過排水層前后滲濾液水質(zhì)的基礎上，查明了CaCO3和MgCO3是堵塞排水介質(zhì)孔隙、導致排水層滲透性降低的主要成份，測定了淤堵物的含量和分布，生物化學作用是生成淤堵物的主控因素；掌握了滲濾液滲流過程中，砂礫排水層、襯墊粘土層土工性質(zhì)和微觀結構的演變特征；探索了上覆壓力等填埋條件對排水層滲透性的影響；（2）以滲透系數(shù)降低率為評價指標、以COD去除率為表征參數(shù)，將排水層淤堵劃分為生淤階段、淤堵發(fā)展階段和堵塞階段；（3）確立了包含：①排水層滲透系數(shù)、COD去除率、排水層結構參數(shù)間數(shù)學關系；②滲透系數(shù)和滲流時間及排水孔隙度和滲流時間之間數(shù)學關系的淤堵演化模型，定量闡明了淤堵發(fā)生、發(fā)展和演化過程；（4）確定HCl溶液為沖洗溶液，且濃度為0.1、0.3和0.5mol/L時分別用于沖洗生淤階段、淤堵發(fā)展階段、堵塞階段排水層中的淤堵物，設計了沖洗井管的結構、布井方法和沖洗工藝；揭示了排水層淤堵生成、清淤機制；解剖了沖洗工藝、沖洗井布置等沖洗要素及其組合關系對不同淤堵階段的化學、物理作用機理。（5）闡明了以有效粒徑大于7.0mm的砂礫作為排水介質(zhì)、排水層底部設置1/50的排水坡度、以多粒組結構為特征的排水層結構優(yōu)化原則，以滲透系數(shù)達到初始滲透系數(shù)的80%作為沖洗評價指標。闡明了生活垃圾填埋場“可沖洗式”滲濾液排水層淤堵防治理論的科學內(nèi)涵，建立了粘土層滲透系數(shù)、塑性指數(shù)和孔隙分維數(shù)間的定量關系及填埋場“可沖洗式”排水層淤堵防治模式。研究結論為保障填埋場的安全運行提供了科學依據(jù)。

針對城市生活垃圾填埋場滲濾液排水層滲透排水能力明顯降低至失效的突出問題，將排水層淤堵動態(tài)評價及動態(tài)防治的思路引入填埋場襯墊研究，從滲濾液排水層淤堵靜態(tài)（結構優(yōu)化）與動態(tài)（沖洗）防治相結合的視角，探索新型滲濾液排水層構建的理論基礎。綜合應用工程地質(zhì)學、水文地質(zhì)學、生物化學、環(huán)境科學的基礎理論，結合室內(nèi)模擬實驗與填埋場工程實踐，重點研究滲濾液排水層階段性淤堵及新型排水層的沖（沖洗）、凈（凈化）、疏（疏排）作用。揭示排水介質(zhì)淤堵發(fā)生、發(fā)展的階段性演化特征，劃分淤堵階段，查明各淤堵階段的滲濾液水質(zhì)參數(shù)表征關系。解剖和確立沖洗工藝、沖洗井布置等沖洗要素及其組合關系對不同淤堵階段的化學、物理作用機制。闡明生活垃圾填埋場可沖洗式滲濾液排水層淤堵防治理論的科學內(nèi)涵，建立填埋場可沖洗式排水層淤堵防治理論模式。為保障填埋場的安全運行提供科學依據(jù)，培育垃圾填埋環(huán)境工程地質(zhì)學新方向。

圍海造田、軟土地基處理、淤泥堆場處理等超軟土排水工程中，排水體過濾材料通常會遇到淤堵問題，導致無法有效地快速降低超軟土含水率。影響排水體淤堵的主要因素有兩點：（1）排水界面上的應力、水力條件；（2）過濾材料自身的孔隙特性。本項目通過增加了模擬頂部堆載荷載和真空負壓模塊的改進梯度比試驗儀器，模擬排水體淤堵過程，揭示超軟土排水體發(fā)生淤堵的機理；通過更換不同濾層材料，進行不同上部荷載壓力和不同真空負壓下的室內(nèi)排水模型試驗，篩選出最有利于防淤堵的過濾材料和水力、應力條件，揭示這些因素的防淤堵機理；通過試驗結束后的取樣顆粒分析結果，對照過濾材料的孔隙特性，分析顆粒的運動規(guī)律和在過濾材料中的滯留規(guī)律，建立超軟土排水體濾層材料防淤堵設計準則。本項目的研究結果可以給出指導防淤堵設計的理論依據(jù)，進一步優(yōu)化排水固結工程措施。在沿海港區(qū)吹填造陸、內(nèi)陸河流湖泊疏浚淤泥處置等工程中有較好的應用前景。