曾 剛 王 婧 胡 丹 馬 駿

(1.湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

填埋氣體雖具有溫室效應(yīng)高、易燃易爆的危害和風險，但它卻是一種新型的清潔能源，可用來發(fā)電、供氣或汽車燃料[1-3].填埋氣體的收集利用一方面可以減少環(huán)境污染問題，另一方面可以變廢為寶，創(chuàng)造可觀的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益，和習近平總書記在十九大報告中強調(diào)要著力解決突出環(huán)境問題，加強固體廢棄物和垃圾處置，推進綠色發(fā)展，構(gòu)建市場導(dǎo)向的清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)和清潔能源產(chǎn)業(yè)極度吻合.

填埋氣體的災(zāi)變控制與資源化利用具有重要的現(xiàn)實意義，也是環(huán)境巖土工程領(lǐng)域研究的熱點課題之一[4-5].填埋氣體遷移規(guī)律的定量化研究是填埋氣體污染控制及資源化利用的重要理論基礎(chǔ)[6].垃圾土的氣體滲透特性是反映多孔介質(zhì)自身傳遞流體能力的物理參數(shù)，是描述填埋氣體在垃圾土中遷移路徑的主要因素，是影響填埋氣體遷移規(guī)律預(yù)測和收集導(dǎo)排的重要參數(shù)[7].系統(tǒng)掌握垃圾土的氣體滲透特性，可為填埋氣體遷移規(guī)律的合理預(yù)測提供理論依據(jù)，為科學而有效的收集利用填埋氣體提供技術(shù)支持.

降解和壓縮作用是垃圾土的氣體滲透特性等工程性質(zhì)改變的重要因素[8].因為垃圾堆體承受了上覆垃圾、日覆蓋層及壓實操作時的機械荷載，垃圾土在上述荷載作用下固體骨架結(jié)構(gòu)因壓縮而重新調(diào)整導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；同時，垃圾填埋后在新填埋的垃圾或日覆蓋層的封蓋下，已填埋垃圾在很短時間內(nèi)即進入?yún)捬醐h(huán)境，可降解的有機固相組分在降解作用下分解破碎成較小顆粒，垃圾土的孔隙結(jié)構(gòu)在降解作用下也發(fā)生改變.因此，構(gòu)建降解和壓縮耦合作用下垃圾土氣體滲透率非線性定量表征模型，定量分析垃圾堆體中氣體滲透特性的演化規(guī)律顯得尤為必要.彭緒亞等[9]自主研制了箱體導(dǎo)氣試驗裝置，研究了壓實密度和含水率對垃圾體滲透特性的影響，垃圾體滲透系數(shù)隨壓實密度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減.魏海云等[10]研制了垃圾土氣體滲透試驗裝置，并開展了蘇州市七子山垃圾填埋場現(xiàn)場垃圾試樣氣體滲透的室內(nèi)試驗，結(jié)果表明孔隙比、飽和度和組分均對氣體滲透性均有顯著的影響.Hossain等[11]開展了降解對垃圾土氣體滲透特性影響的室內(nèi)試驗，結(jié)果表明降解作用會降低試樣的氣體滲透率，且在相同密度時隨著降解的發(fā)生氣體滲透率是以0.001 3 cm/s減小.Stoltz等[12]自主研制了生活垃圾土氣體滲透試驗裝置，開展了法國某填埋場新鮮垃圾土試樣在0～140 k Pa作用下的氣體滲透性試驗，結(jié)果表明滲透率的范圍為10-10m2～10-14m2.易富等[13]采用自制的生活垃圾滲透率/孔隙度測試實驗裝置，探討了上覆載荷對垃圾堆體滲透特性的變化規(guī)律，構(gòu)建了固有滲透率與孔隙度之間的協(xié)同表征模型.曾剛等[14]研究表明垃圾土固有滲透率隨著試樣尺寸的增加而增加，變化幅度超過了一個數(shù)量級，且冪函數(shù)模型適用于新鮮垃圾和陳腐垃圾，K-C模型只適用于陳腐垃圾.施建勇等[15]研制了垃圾土的非飽和滲透試驗儀，開展了氣體壓力和孔隙對垃圾土氣體滲透系數(shù)影響的室內(nèi)試驗，研究發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨滲透壓力呈現(xiàn)非線性特性.對于垃圾堆體氣體滲透性能的現(xiàn)場試驗以及人工配樣、填埋場鉆孔取樣的室內(nèi)試驗有較多的研究成果，但關(guān)于垃圾土氣體滲透率定量表征模型方面的報道還較少，與此相關(guān)的研究工作還有待完善.本文的工作是基于垃圾土氣體滲透率-孔隙度關(guān)系的冪函數(shù)模型和復(fù)合壓縮模型，建立了考慮降解和壓縮作用的垃圾土氣體滲透率定量表征模型，分析了壓縮系數(shù)、生化降解應(yīng)變和生化降解速率常數(shù)等參數(shù)對氣體滲透率定量表征模型的演化規(guī)律和影響機理.

1 降解和壓縮作用下垃圾土氣體滲透率非線性定量表征模型構(gòu)建

針對垃圾土的氣體滲透率隨孔隙度動態(tài)變化的特點，建立垃圾土氣體滲透率定量表征模型顯得尤為必要.在已知初始氣體滲透率和其他參數(shù)的情況下，通過模型可以得到任意時刻垃圾土的氣體滲透率.模型建立的思路是基于表征氣體滲透率、孔隙度的冪函數(shù)模型和表征垃圾土沉降變形的復(fù)合壓縮模型，得到考慮降解和壓縮作用的垃圾土氣體滲透率定量表征模型.具體的建立過程如下.

Stoltz[16-17]提出了孔隙度的表達式為：

引入變形ε=ΔH/H0的表達式，可對式(1)進行如式(2)的變換.

對式(2)進行變形，可得到任意時刻孔隙度和初始孔隙度的比值，見式(3)：

采用經(jīng)典模型冪函數(shù)公式來表達氣體滲透率和孔隙度的關(guān)系[16]，見式(4)：

將式(3)代入到式(5)中，可獲得氣體滲透率的定量表征模型，見式(6)：

對式(4)進行變換，可得到式(5).

Marques等[18]提出垃圾土的復(fù)合壓縮沉降模型，將垃圾土的沉降變形ε分為3部分來考慮，即和荷載相關(guān)的瞬時沉降、和時間相關(guān)的機械蠕變沉降，以及和時間相關(guān)的生物降解沉降，表達式為：

圖1 壓縮系數(shù)對總應(yīng)變的影響

式中，H為填埋場的總高度；ΔH為沉降量；C'c為壓縮系數(shù)；Δσ為豎直方向應(yīng)力增量；b為機械蠕變系數(shù)；c是機械蠕變速率常數(shù)；Edg是生化降解引起的總應(yīng)變變形；d是生化降解速率常數(shù)；t'是施加應(yīng)力的時間；t″是垃圾開始填埋的時間.

將復(fù)合壓縮模型的式(7)代入到式(6)中，即可獲得降解和壓縮作用下垃圾土氣體滲透率非線性定量表征模型，見式(8)：

2 氣體滲透率非線性定量表征模型參數(shù)靈敏性分析

2.1 降解和壓縮參數(shù)對復(fù)合壓縮模型的影響

復(fù)合壓縮模型模擬時參數(shù)取值為Δσ=100 k Pa，m2/k N，c=1.79×10-3d-1，d=1.14×10-3d-1[18].對復(fù)合壓縮模型的等4個參數(shù)對應(yīng)變的影響進行了模擬，時間為30年，結(jié)果如圖1～4所示.

由圖1到圖4可知，壓縮系數(shù)主要影響瞬時沉降，隨著壓縮系數(shù)的增大，前期的應(yīng)變增長較大；隨著機械蠕變系數(shù)的增大，變形不斷增大，但總的變化幅度約5%，對總應(yīng)變的影響較小，參數(shù)靈敏性分析時可忽略；生物降解應(yīng)變對前50 d的沉降變形影響較小，隨著的增大，后期的總應(yīng)變不斷增大，變化幅度約17%；生物降解速率常數(shù)對前20 d的變形影響小，最終的變形相等，中間的時間階段隨生物降解速率常數(shù)增大，變形不斷增大.

圖2 機械蠕變系數(shù)對總應(yīng)變的影響

圖3 生化降解應(yīng)變對總應(yīng)變的影響

圖4 生化降解速率常數(shù)對總應(yīng)變的影響

2.2 降解和壓縮參數(shù)對氣體滲透率定量表征模型的影響

對式(5)中參數(shù)取值如下，k0=1×10-12m2，φ0=0.6，冪指數(shù)取2.5，將上面的復(fù)合壓縮模型計算的應(yīng)變代入到式(6)中，可得到各參數(shù)對氣體滲透率的影響如圖5～7所示.

圖5 壓縮系數(shù)對k/k 0的影響

圖6 生化降解應(yīng)變對k/k 0的影響

圖7 生化降解速率常數(shù)對k/k 0的影響

由圖5～7可知，隨著壓縮系數(shù)的增大，k/k0數(shù)值減小的較大，主要是因為壓縮系數(shù)使變形增大，孔隙度減小，而導(dǎo)致k/k0數(shù)值顯著降低，當壓縮系數(shù)為0.3時，在1 080 d時滲透率的數(shù)值減小了2個數(shù)量級；生化降解應(yīng)變對k/k0的影響主要是后期的降解沉降階段，隨著生化降解應(yīng)變的增大，k/k0不斷的減小.生化降解速率常數(shù)對k/k0的影響主要在中間降解階段，且k/k0隨著生化降解速率常數(shù)的增大而減小，最終k/k0的數(shù)值相等.

2.3 冪指數(shù)對氣體滲透率定量表征模型的影響

取k0=1×10-12m2，φ0=0.6，冪指數(shù)從0.5到6.5變化，應(yīng)變的變化范圍為5%到40%，φ/φ0和k/k0的計算結(jié)果如圖8～9所示.

圖8 應(yīng)變對φ/φ0的影響

圖9 冪指數(shù)對k/k 0的影響

由圖8和圖9可知，隨著應(yīng)變的增大，φ/φ0降低的幅度較大，數(shù)值可達到0.4，主要是因為應(yīng)變增大使試樣被壓縮的更密實，孔隙空間減小.隨著應(yīng)變的增大，k/k0是不斷減小的，且減小幅度是隨著冪指數(shù)的增大而不斷增大，可達到2個數(shù)量級.主要是因為應(yīng)變增大使孔隙被壓的更密實，φ/φ0不斷減小，k/k0隨著應(yīng)變的增大而不斷減小，φ/φ0小于1且冪指數(shù)大于1，因此隨冪指數(shù)增大，k/k0減小幅度不斷增大.

3 結(jié) 論

本文結(jié)合垃圾土復(fù)合壓縮模型，以及表征氣體滲透率和孔隙度的冪函數(shù)模型，構(gòu)建了考慮降解-壓縮作用下垃圾土氣體滲透率非線性定量表征模型，并對模型中參數(shù)變化規(guī)律和靈敏性進行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)隨著壓縮系數(shù)的增大，k/k0數(shù)值減小幅度的較大，可達到2個數(shù)量級.

2)生物降解應(yīng)變對k/k0的影響主要是后期的降解沉降階段，隨著生物降解應(yīng)變的增大，k/k0不斷的減小.

3)生物降解速率常數(shù)對k/k0的影響主要在中間降解階段，且k/k0隨著生物降解速率常數(shù)的增大而減小.

4)隨著應(yīng)變的增大，孔隙度降低的幅度較大，數(shù)值可達到初始值的0.4；隨著應(yīng)變增大，氣體滲透率是不斷減小，且減小幅度是隨著冪指數(shù)的增大而不斷增大，可達2個數(shù)量級.