1垃圾填埋场灾变过程的温度渗流应力化学耦合效应研究薛强

第30卷第10期岩石力学与工程学报Vol.30No.102011年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2011收稿日期：2011–05–03；修回日期：2011–06–27基金项目：国家自然科学基金专项基金(50927904)和面上项目(11002153)；中国科学院重大科研装备项目(YZ200942)；中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX2–YW–QN114)作者简介：薛强(1976–)，男，博士，2003年于辽宁工程技术大学工程力学专业获博士学位，现任研究员、博士生导师，主要从事岩土体介质中污染物传输的多场多相耦合理论与控制技术方面的研究工作。E-mail：[e-mail]垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究薛强，赵颖，刘磊，陆海军(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071)摘要：针对当前垃圾填埋场灾变过程预测与控制的迫切需求，结合垃圾填埋场及其周围复杂而特殊的环境地质条件，从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性。提出填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、考虑好氧和厌氧微生物降解作用的垃圾渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及考虑热量变化和水蒸气迁移过程对开裂过程影响的填埋场封场覆盖系统干燥开裂温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型，为垃圾填埋场灾变过程的预测和安全性评价提供有效的分析手段。提出一套多场耦合测试分析方法与试验技术，开发集监测、控制与数据采集于一体的填埋场中污染物传输的多场耦合测试分析系统。形成一套填埋场污染物多参数远程同步监测方法与技术，研制集实时监测与视频监督于一体的垃圾填埋场污染物远程在线监督系统。针对多场耦合作用下封场覆盖系统开裂问题，提出新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(EST)。上述研究成果可为垃圾填埋场灾变过程的预防与控制提供科学手段和技术支持，同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展具有重要的理论意义和应用价值。关键词：环境工程；垃圾填埋场；温度–渗流–应力–化学耦合；多场耦合测试分析系统；远程在线监督系统；生态污泥腾发覆盖技术中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000–6915(2011)10–1970–19STUDYOFTHERMO-HYDRO-MECHANICAL-CHEMICALCOUPLINGEFFECTOFCATASTROPHEPROCESSOFLANDFILLXUEQiang，ZHAOYing，LIULei，LUHaijun(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering，InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：Accordingtotheurgentdemandforpredictionandcontrolofcatastropheprocessoflandfill，theevolutionmechanismofcatastropheprocessandnecessityofstudyingonmulti-fieldcouplingwereboththoroughlyanalyzedintheviewofthermo-hydro-mechanical-chemical(T-H-M-C)couplingtheorycombiningwiththecomplexandspecialenvironmentalgeologicalconditionsoflandfillanditssurroundingregions.Fourmodelsofbiological-thermo-hydro(B-T-H)couplingmodeloflandfillgasmigration，hydro-biological-chemical(H-B-C)couplingmodelofleachatemigrationandtransformationinlandfillundertheeffectofaerobeandanaerobedegradation，hydro-chemical(H-C)couplingmodelofpollutantmigrationincompositelinersystemandthermo-hydro-mechanical(T-H-M)couplingmodelondrycrackingofclosurecoversystemoflandfillundertheeffectofheatquantitychangingandvapormigrationwereestablishedtoprovideaneffectiveanalyticalmethodforpredictingandcontrollingcatastropheprocessoflandfill.Furthermore，themultifieldcouplingtestandanalysis第30卷第10期薛强等：垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究•1971•systemofcontaminantstransportinrockandsoil，integratingmonitoring，controllinganddataacquisitionintoonebody，wasdevelopedbasedontheproposedmeasuringmethodsandtesttechnology.Theon-linemonitoringsystemintegratingreal-timemonitoringandvideosupervisingintoonebodywasdevelopedbasedontheformedmulti-parameterremotesynchronizationmonitoringmethodsandtechnologyoflandfillpollutants.Finally，accordingtothecrackingissueofclosurecoversystemoflandfill，anewenvironmentalprotectiontechnologyofecologicalsludgeevapotranspirationtechnologywasproposed.Theaboveachievementscanofferscientificmeansandtechnicalsupporttopredictandcontrollandfillcatastrophe；meanwhile，italsohasimportanttheoreticalsignificanceandapplicationvalueinenrichingandwideningmulti-fieldcouplingtheory.Keywords：environmentalengineering；landfill；thermo-hydro-mechanical-chemical(T-H-M-C)coupling；multifieldcouplingtestandanalysissystem；on-linemonitoringsystem；ecologicalsludgeevapotranspirationtechnology1引言垃圾填埋场工程的生态安全问题是国家环境与安全领域的重大战略需求。随着我国城市生活垃圾填埋处理量的不断增加，填埋场运行过程中产生的环境与安全灾变问题日益凸显[1-3]。复杂环境条件下填埋场安全预警与控制形势仍然十分严峻。长期以来，众多研究机构与学者在填埋场环境污染物的减排与控制方面开展了大量研究工作，取得了一定的成果，但填埋场生态安全与稳定性控制未能得到很好解决，与填埋场生态安全相协调的配套保障关键技术缺乏，存在许多安全隐患和灾害性事故，包括填埋场垂直扩容[4]、机械施工碾压等造成防渗系统失效导致的填埋气体无组织释放对大气环境的污染和垃圾渗沥液潜在性渗漏对土壤水环境的污染、垃圾与填埋夹层污泥等的不均匀沉降引发的填埋堆体失稳以及边坡失稳等问题[5]。特别是国家颁布实施《安全生产法》以后，生产安全事故的有效预防和控制、重大事故风险管理已引起社会高度重视。然而，我国生活垃圾填埋场整体生态安全问题十分严重，造成当前填埋场工程运营期间事故多发、后果严重的重要原因之一就是与垃圾填埋场工程配套的安全监控预警与控制技术没有跟上填埋场工程建设的需要，安全监管手段相对滞后。因此，开展垃圾填埋工程运行过程中灾变的基础性研究对于促进填埋场工程安全建设与运营具有重要的理论和工程应用价值。垃圾填埋场运行过程中的环境与安全灾变隐患，引起了社会各界广泛关注。如何预测和防止垃圾填埋场运行过程中环境与安全灾变事件的发生、发展，测定和模拟其特征及影响范围与历时，为灾变过程控制技术的实施提供必要的基础参数数据，已成为目前摆在广大科研人员面前亟待解决的问题[6-8]。其中涉及的亟待解决的两大关键科学问题是：(1)复杂环境条件下垃圾填埋场灾变发生过程中多场多相相互作用的内在机制与监测方法；(2)垃圾填埋土与地质体相互作用的地质环境效应与生态调控机制。垃圾填埋场及周围地质环境复杂，灾变过程影响因素众多，单一的研究方法不能满足研究要求。此外，虽然不同的灾变过程具有不同的演变机制，但均涉及到温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)和浓度场(C/B)中两场或多场耦合问题。因此，必须采用室内物理化学模拟试验、现场监测试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，从多场耦合的角度开展垃圾填埋场运行过程中的灾变机制及控制技术研究工作，为灾变过程的预防与控制提供理论基础和数据支持。本文从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析了垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性；提出了填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、填埋场渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及填埋场封场覆盖系统干燥开裂的温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型；提出了一套多场耦合测试分析方法与试验技术，开发了填埋场污染物传输的多场耦合测试分析系统；形成了一套多参数远程同步监测技术与方法，研制了垃圾填埋场污染物远程在线监督系统；提出了新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(ecologicalsludgeevapotranspirationtechnology，EST)。该研究成果可为填埋场工程的安全性建设与灾变控制技术的实施提供理论基础与技术支持。2垃圾填埋场灾变过程的T-H-M-C耦合机制垃圾填埋场运行过程中的灾变隐患均以填埋体为载体。填埋体一般为固–气–液三相介质，其中•1972•岩石力学与工程学报2011年固相决定着填埋体的骨架，是其基本物质成分；液相(如地下水、渗沥液、污染物等)一般是其中多场耦合关系最活跃的成分；气相(如空气、填埋气体等)往往占据固相和液相之外的空间。温度、水、应力和化学环境是地质环境中4个主要因素，且四者之间相互联系、相互作用、相互制约，形成填埋体温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)和化学场(C)等多场耦合效应[9-11]。含有液体的垃圾填埋体一般是一类非均匀、各向异性、具有很强非线性和时空变异性的多孔多相变形介质。一方面，填埋体中的热源释放热量，产生瞬态的温度场，填埋体的材料性质随温度而变化，温度的升高可引起填埋体水