温差梯度下卫生填埋场粘土衬垫层的开裂性质研究

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1、中山大学硕士学位论文温差梯度下卫生填埋场粘土衬垫层的开裂性质研究姓名：林伯韬申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：张澄博20070606中山人学硕七学位论文温差梯度下卫生填埋场粘土衬垫层的开裂性质研究摘要，卫生填埋场的粘土衬垫层在填埋场结构各组分中起着核心的作用。它主要用来阻止垃圾体内的渗滤液往下渗漏或向四周扩散，使地下水和周围环境免受污染。在填埋场运营过程和封场后，由于填埋的垃圾在微生物分解作用下发酵放热，对底部的皿PE膜持续加热，使得粘土层顶部和地下水位之间产生温度差。如果把HDPE下的粘土层和下伏土层看成一封闭系统的话，那么在温差梯度的作用下，粘土层和下伏土层中的水分、空气和热量将会

2、产生渗流并随时间发展最终将达到动态的平衡。本文不考虑空气的运移，着重研究其中液态水、气态水和热量的渗流。本研究通过对广州兴丰垃圾填埋场现场采取粘土样品，采用x射线衍射分析其矿物成分与用扫描电镜分析它的微观结构特征，并对其进行了各种土工实验，获得一系列土工参数。之后，建立物理模型进行室内实验，测量粘土衬垫层在石英细砂层上、一定的温差梯度下内部基质势、含水量、温度和渗透系数沿深度的分布和随时间的变化，并对粘土层表面裂缝产生、发展的情况进行观察。采用SUMMIT软件对实验条件进行模拟，并对比分析实验数据和模拟数据以及它们揭示出的规律。通过实验和模拟发现，非等温渗流下基质势和温度为主要驱动力，重力势能

3、的影响微乎其微。按运动机理来分，液态水流可分为由重力作用的向下的渗流和由基质势作用的向上的渗流；气态水可分为由基质势作用的向上的扩散和由温差梯度作用的向下的扩散；热量可分为由土颗粒热传导作用进行的传导和由液态水、气态水作为传输介质的传递。三相之间是互相影响，密不可分的．一方面，热量的运移造成温差梯度的增大加剧了土中基质势的发展，而基质势的变化又影响了液态水和气体水的渗流；另一方面，热量决定液态水和气态水的转化，而液态水和气态水的渗流进一步影响了热量的传导。因此土体中的热量、液态水、气态水三者之间是耦合作用的．本文进而分析了基质势、含水量、温度和渗透系数变化的机理以及它们之间的相互关系。本文认为

4、非饱和土的土压力系数往往是变量，在普遍情况下，对开裂的预测温差梯度下卫生填埋场粘土衬垫层的开裂性质研究可采用基于Bishop的非饱和土有效应力公式，根据非饱和土的塑性与极限平衡理论取侧压力系数，并应用格里菲斯破坏准则推导出以基质吸力p为变量的方程来判断粘土层是否开裂。本文还探讨了粘土层中的矿物成分、微观结构和渗滤液化学成分对土中各流体渗流的影响。粘土的矿物成分主要通过影响土体中的热流运动和土体的膨胀收缩这两方面来影响粘土层的物理力学性能变化。粘土的微观结构主要是影响粘土体的渗透性能和膨胀收缩性能。渗滤液主要通过改变粘土层的化学成分来影响它的渗透性能。这些因素都间接影响了粘土层中水、汽、热的运移

5、．最后，本文对兴丰填埋场防渗层分别用SUMMIT和VADOSE软件作了长期模拟，并针对模拟结果进一步分析了粘土层中水、汽、热的运移规律以及粘土开裂的情况。SUMMIT和VADOSE对实际问题的模拟表明，SUMMIT的模拟考虑了上覆垃圾的影响，可以通过计算高吸力范围的基质势来估计上覆多重的垃圾时粘土层不会开裂。V^DOSE的模拟能够在低吸力范围内计算基质势变化并且考虑了土体开裂后的情况，但它不能估计在上覆很重的垃圾时粘土层中是否会产生裂缝。在实际应用中可把两者结合起来应用。关键词：温差梯度；粘土衬垫层；液态水；气态水；热量；基质势：SUMMIT；VADOSEn中山大学顼}学位论文Dessicat

6、ionBehaviorofLandfillClayLinerUnderTemperatureGradientAbstractLandfillclaylinerplaysthe001"eruleinrunningofthewholelandfillstructure．Itisaimedtopreventthepermeationofleachatethroughwastebodyintosubsurfaceorsurroundingareassothatundergroundwaterandoutskirtenvironmentarefleefromcontamination．Duringthe

7、processesofbothlandfill’srunningandaftertreatment,solidwastessnbiecttomicrobialdegradationcangenerateheatcausedbyfermentation．TheheatisfurthertransfefredtoHDPEmembrane，theresultofwhichgiyesrisetoatern