垃圾填埋場毛細阻滯型騰發(fā)封頂模型試驗

張文杰，林 午，董林兵

（上海大學 土木工程系，上海 200072）

1 引 言

填埋是我國城市垃圾的主要處理方式，目前我國已有垃圾填埋場上千座，其中很多已接近設(shè)計使用年限面臨封頂?，F(xiàn)規(guī)范[1]中的壓實黏土封頂或帶土工膜的復(fù)合封頂都屬于被動承載型封頂，依靠壓實黏土或土工膜的低滲透性阻止水分下滲，其中的壓實黏土層在干燥季節(jié)或填埋場發(fā)生不均勻沉降時容易開裂，而加入土工膜不僅使成本大幅增加，并且容易造成覆蓋土層沿土工膜界面滑移失穩(wěn)[2]，因此，研究經(jīng)濟適用和性能穩(wěn)定的填埋場封頂系統(tǒng)十分必要。騰發(fā)封頂利用表層土壤蒸發(fā)作用和植被蒸騰作用減少大氣降水入滲到填埋場內(nèi)部，是一種替代阻水封頂?shù)男滦蜕w層。毛細阻滯型騰發(fā)封頂是騰發(fā)封頂?shù)囊环N，它的組成包括植被層、適合植物生長的較厚的細粒土層（如粉質(zhì)黏土）和底部的粗粒土層（如粗砂），降雨時細粒土通過毛細作用可存儲大量水分用于后期蒸發(fā)蒸騰，而粗細土料間非飽和滲透系數(shù)的差異可進一步減少水分向下入滲，從而使上層細粒土可以存儲更多的水分。騰發(fā)封頂對土料要求較低，且土層壓實程度低，不易受氣候和不均勻沉降影響而開裂，故其成本低、長期性能穩(wěn)定。

到目前為止，騰發(fā)封頂主要用于干旱、半干旱地區(qū)，國內(nèi)外規(guī)范中關(guān)于ET封頂尚無硬性規(guī)定，對于騰發(fā)封頂是否適應(yīng)于濕潤地區(qū)以及效果如何，尚待深入研究[3]。Benson等[4]、Dwyer[5]在填埋現(xiàn)場進行測滲試驗，評價了騰發(fā)封頂?shù)男阅?，但許多學者對該類型試驗結(jié)果的可靠性提出了質(zhì)疑[6]。Zornberg[7]、Kavazanjian[8]等通過水分平衡方法評價了單一土層型騰發(fā)封頂?shù)男阅?，但他們的騰發(fā)量計算基于當?shù)仄骄嬲舭l(fā)量，不考慮具體氣象條件。國內(nèi)趙慧等[9]在武漢進行了模型試驗，主要研究了植被和土層組合對透水量的控制效果，未涉及毛細阻滯型騰發(fā)封頂。鄧林恒等[10]進行了毛細阻滯型騰發(fā)封頂?shù)哪Ｐ驮囼灒芯苛藦娊涤陾l件下坡面徑流量、各土層的側(cè)向?qū)帕考暗撞繚B透量。上述研究均未對土層含水率的長期變化進行監(jiān)測，而封頂內(nèi)部含水率的變化更能準確揭示騰發(fā)封頂?shù)墓ぷ鳈C制。現(xiàn)普遍認為，當毛細阻滯型騰發(fā)封頂?shù)募毩Ｍ恋撞窟_到或接近飽和時，毛細阻滯作用被突破，水分會大量向下入滲使粗粒土層由干變濕，該封頂將完全失效，因此，該封頂在半濕潤、濕潤地區(qū)的適用性存在爭議。通過數(shù)值模擬，筆者[11－12]曾分析了毛細阻滯型騰發(fā)封頂?shù)墓ぷ餍阅?，得出其在年降雨?000 mm地區(qū)適用的結(jié)論，但數(shù)值分析基于理想化假定，且缺乏試驗驗證。因此，通過試驗研究毛細阻滯型騰發(fā)封的工作機制及其在濕潤地區(qū)的工作性能十分必要。

本文在杭州市一露天場地構(gòu)筑模型土柱并培育植被，量測場地降雨量、土柱表面徑流量、土柱透水量和土體含水率變化，研究了毛細阻滯型騰發(fā)封的工作機制和性能。

2 模型構(gòu)建

2.1 場地和氣候

因光照、風速和大氣濕度等均影響蒸發(fā)蒸騰作用，且涉及降雨，因此，在無遮擋環(huán)境下進行試驗，場地選擇在實驗室一處6 m高的屋頂上，滿足上述氣象因素均為自然條件。該地屬亞熱帶季風季候，年均降雨量為1100～1600 mm。一般春季干燥少雨；6月份由春入夏，當月降雨達高峰期，7～8月太陽輻射量達到最高，同時受副熱帶高壓控制降水量減少，進入高溫伏旱季節(jié)；9月份進入夏秋轉(zhuǎn)換，光熱水同步下降，但在臺風影響下仍可能有較多降雨；冬季陰冷，降水較頻繁。

所選細粒土層塑限 wP=18.06%，液限 wL=28.97%，Ip=10.91，為低塑性粉質(zhì)黏土，其顆粒級配如圖1所示，該土料干密度為1.47～1.59 g/cm3時，對應(yīng)的飽和滲透系數(shù)為 7.99×10-6～2.44×10-6cm/s，此范圍內(nèi)干密度與滲透系數(shù)大致呈線性關(guān)系。使用非飽和土氣動固結(jié)儀，基于軸平移技術(shù)測得粉質(zhì)黏土的土-水特征曲線如圖 2所示。粗粒土采用礫砂（>2 mm的顆粒占28.27%）。

2.2 土層填筑

圖1 封頂土料的顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution curves of cover soils

圖2 細粒土的土-水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curve of finer-grained soil

所構(gòu)建的土柱模型如圖 3所示。黏土厚度為1.00 m，分層填筑，實際干密度接近1.35 g/cm3。礫砂厚度為0.20 m，其下鋪設(shè)針刺土工布（反濾）和0.15 m厚、直徑為1～2 cm的碎石作為導排層。

2.3 植被培育

2011年細粒土層填好后在表層培育草本植被，選擇生命力強、騰發(fā)量大的品種，采用混合植被方案，種植黑麥草，移栽麥冬草、狗牙根和百根草。初始時黑麥草生長迅速，后高溫少雨時期全部干枯，但其他植被長勢良好，第2年以百根草（根發(fā)和種子繁殖）最為茂盛。為接近工程實際，整個試驗過程中未對植被進行施肥和灌溉。圖 4(a)、4(b)分別為2012年6月植被長成和12月植被枯死后的照片。

圖3 土柱模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of soil column

圖4 2012年6月和12月植被照片F(xiàn)ig.4 Photograph of vegetation on June and December,2012

2.4 量測儀器及安裝

含水率探頭采用SM100土壤水分傳感器，體積含水率精度為 0.1%（本文含水率均為體積含水率）。2012年春，鉆孔并埋設(shè)4個傳感器探頭，測試相應(yīng)位置處土壤含水率。自動記錄雨量計分辨率為0.25 mm。含水率探頭和雨量計接數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置采樣間隔均為1 h。如圖3所示，模型桶在黏土層頂部以及碎石底部接出水管，分別量測地表徑流和土柱透水量。黏土中0.2 m處埋設(shè)含水率測試探頭，量測淺部黏土含水率，該處受蒸發(fā)作用影響較大；0.5 m處埋設(shè)探頭量測黏土中部含水率，該深度是植被蒸騰作用主要影響深度；1.1 m處埋設(shè)探頭量測深部黏土，即毛細阻滯界面以上黏土的含水率；礫砂中1.1 m深度處，埋設(shè)探頭量測毛細阻滯界面以下含水率。

3 試驗結(jié)果

3.1 黏土含水率變化

2012年3月9日開始記錄數(shù)據(jù)，至2013年5月16日，歷時435 d，期間經(jīng)歷了少雨期、強降雨期、高溫少雨期、臺風期、干燥期和低溫期，較充分地獲得了該封頂在不同時期的響應(yīng)，檢驗了其性能。試驗過程中各深度處的土體含水率變化如圖 5所示。

（1）少雨期：4、5月份降雨較少，天氣回暖，植被長成，各深度處土體含水率均逐漸下降，土柱漸干。對應(yīng)小強度降雨，0.2 m處土體含水率有較大起伏，而0.5 m和0.8 m處含水率變化幅度較小，說明降雨時水分僅入滲到較淺位置，隨后通過蒸發(fā)蒸騰作用返回到了大氣中。由圖可以看出，中部0.5 m處含水率逐漸低于淺部0.2 m處，這反映出植被逐漸長成，開始發(fā)揮顯著的蒸騰作用。

（2）強降雨期：從5月中下旬到6月份，開始出現(xiàn)強降雨。5月份強降雨次數(shù)較少，此時降雨使各深度處的含水率大幅上升，但隨后在蒸發(fā)蒸騰作用下土中水分又逐漸減少。6月份進入降雨高峰期，僅 2012年 6月 17～18日 24 h之內(nèi)降雨就達157.4 mm，各深度土體含水率急劇升高，在后面10 d的幾次降雨中，各深度含水率均相應(yīng)出現(xiàn)多個峰值，底部0.8 m處已接近飽和，說明水分已入滲到粗、細粒土界面。

（3）高溫少雨期：7、8月份為副熱帶高壓控制期，晴熱少雨，植被茂盛，騰發(fā)作用明顯，各深度處含水率大幅下降，其中2012年夏0.5 m處降低至8.0%，說明植被蒸騰作用使土變得很干。淺層0.2 m處對應(yīng)小強度降雨出現(xiàn)了小峰值（7月14日、8月2日、8月5日），中部和深部土體含水率仍以降低為主。

（4）臺風期：臺風一般發(fā)生在8月份晴熱時期，此時土柱較干，保持著較大儲水能力。2012年8月8日臺風帶來的降雨達130 mm，各深度含水率急劇上升，但未達到飽和，臺風過后又較快回落。

（5）干燥期：9～11月份降雨較少，這段時間仍有植被存活，存在蒸騰作用，使得中部土體含水率低于淺部。淺部土體含水率隨降雨稍有起伏，其他深度處土體含水率均保持在較低水平。

（6）低溫期：大致為12月至次年3月底，這一時期通常有較多次數(shù)的小強度降水。12月份植被干枯，蒸騰作用基本消失，使得中部0.5 m處含水率與頂部0.2 m處接近，整個土柱基本保持上干、下濕的狀態(tài)。該時期氣溫低，土面蒸發(fā)量也很小，因此，在該時段內(nèi)，土體含水率一直較高。

3.2 透水量和地表徑流量

2012年春，測得的底部礫砂中含水率在2.1%～2.2%，一直到5、6月份，隨上部土體變干，該處含水率降至1.5%，這段時間透水量和地表徑流均為0。

第1次透水發(fā)生于6月份降雨高峰時段，2012年6月18日礫砂含水率突增至4.5%（1 h后降至3.7%），說明上部水分已擊穿毛細阻滯界面向下入滲。隨后幾天，與深度0.8 m處土體含水率達到的一個個峰值相對應(yīng)，礫砂中含水率均有小幅上升，且高含水率持續(xù)時間增長，透水量增多，最大透水量產(chǎn)生于6月27日，對應(yīng)的礫砂含水率連續(xù)7 h超過4.0%。整個降雨高峰期出水總量為1.8 L，折合降雨6.37 mm，收集地表徑流15 L，折合降雨53.08 mm。底部透水產(chǎn)生時刻滯后降雨峰值約為12 h。

7月份隨著上部土體變干，礫砂中含水率也降至2.0%以下。8月初的臺風降雨導致礫砂含水率略有增加，但監(jiān)測到的最高含水率小于3%，未監(jiān)測到透水量。地表徑流約3.5 L，折合降雨12.38 mm。秋季土柱較干，礫砂含水率最低降至0.5%。

第2次透水發(fā)生在冬季低溫期，12月28日礫砂含水率在24 h內(nèi)由1.8%逐漸增至3.7%，之后雖逐漸回落至2.5%，但后面的多次降雨使其一直保持較高，2013年2月18日再次超過3.4%，整個冬季發(fā)生兩次透水共3.75 L，折合降雨13.27 mm，無地表徑流。

3.3 水量平衡

圖5 各深度處土體含水率變化Fig.5 Variations of water content at different depths

圖6 土柱水量平衡圖Fig.6 Water balance of soil column

試驗監(jiān)測期435 d內(nèi)共降雨1782.6 mm，期間的水量平衡示于圖 6。夏季、冬季兩個季節(jié)發(fā)生底部透水共19.64 mm，占總降雨量的1.1%，其中大部分發(fā)生在騰發(fā)能力較低的冬季；頂部兩次產(chǎn)生地表徑流共65.46 mm，占總降雨量3.7%，分別發(fā)生在降雨高峰期和臺風期，均為強降雨所致，地表徑流量較少與植被層有關(guān)；大部分降雨（1697.5 mm）在細粒土存儲和蒸發(fā)蒸騰交替作用下最終返回大氣。

從儲水量曲線可以看出，夏季和冬季土柱中儲水較多。2012年監(jiān)測開始后土的儲水量逐漸下降；6月和8月的強降雨使土的儲水量迅速增加，達到422.3 mm；強降雨后由于夏季高溫蒸發(fā)以及植被蒸騰，儲水量迅速下降，7月底和8月初土的儲水量約為200 mm；秋季，土的儲水量在200 mm以下；2012年底至2013年初，由于冬季降雨頻繁和騰發(fā)量較少，土中儲水較多，在340～400 mm之間；2013年春季，儲水量再次下降。

4 工作機制分析和探討

4.1 毛細阻滯型騰發(fā)封頂工作機制分析

試驗表明，粉質(zhì)黏土中部0.5 m深度處含水率受蒸騰作用影響顯著，這與透過透明桶壁觀察植被根系深度約 50 cm相一致；蒸發(fā)蒸騰作用下深部0.8 m處的含水率變化也很顯著，這與毛細作用有關(guān)；礫砂中的含水率在降雨高峰期后也可由4.0%降低至1.5%，考慮到礫砂的大孔隙（忽略毛細作用），此處含水率降低與水汽運動有關(guān)?？傊?，蒸發(fā)蒸騰的作用范圍為整個土柱，這與吳宏偉教授騰發(fā)作用深度約為2倍根系深度的研究結(jié)論一致[13]。

由于礫砂飽和滲透系數(shù)遠大于粉質(zhì)黏土，即使毛細阻滯界面被擊穿發(fā)生透水，在底部排水情況下，礫砂含水率也不會增加很多。通常礫砂含水率在2.0%左右，只有降雨入滲使礫砂含水率接近4.0%（高溫期超過 4.0%，低溫期超過 3.4%）時才監(jiān)測到有透水量產(chǎn)生，此時細粒土底部完全飽和。與現(xiàn)有理論上的認識不同，毛細阻滯界面被擊穿后，該封頂只是暫時失效，后水汽運移導致礫砂含水率降低，毛細阻滯作用又恢復(fù)，該封頂仍能正常工作。

即使毛細阻滯界面被擊穿產(chǎn)生透水，由于細粒土滲透系數(shù)較低，透水量也不大，該封頂在6月份降雨高峰時段透水僅6.37 mm。經(jīng)過一段時間的蒸發(fā)蒸騰作用，當土層具有較大儲水能力時，該封頂又能抵御較大強度降雨，試驗中封頂在臺風季節(jié)無透水量產(chǎn)生，注意到此時粉質(zhì)黏土底部含水率最高已達47.3%，說明毛細阻滯作用非常有效。

4.2 討論

本次試驗尚存在不足之處。例如，由于填土較多，粉質(zhì)黏土未烘干碾碎過篩，而在天然含水率下填筑，即使分層擊實也不能保證均勻程度，因此，各深度處土體孔隙比和滲透系數(shù)有差異；最后，底部出水滯后降雨峰值時間較短，并不是說明細粒土滲透系數(shù)大，而是說明一定程度上存在溝道流。

工程上騰發(fā)封頂選用的植被除應(yīng)具有較強騰發(fā)能力，還需具有較強生命力，特別是要能耐一定程度的干旱，比如本試驗種植的黑麥草雖然生長迅速、蒸騰能力強，但在一定時期需灌溉才能存活。不能忽略地表徑流的影響，為避免漫灌造成入滲量（及透水量）增加，工程上應(yīng)隔一定距離設(shè)置地表徑流的收集導排系統(tǒng)。

能否準確計算出蒸發(fā)蒸騰量是騰發(fā)封頂數(shù)值模擬的關(guān)鍵。另外，為接近實際，數(shù)值模擬不能僅考慮水量平衡而忽略毛細作用，進一步宜考慮水汽運動，建議考慮溝道流。氣象條件特別是雨強應(yīng)按小時計，按全天平均將導致較大誤差，比如低估地表徑流量。

試驗所在地區(qū)降雨高峰期與植被騰發(fā)旺盛期基本重合，植被具有較大騰發(fā)能力，因此，夏季毛細阻滯型騰發(fā)封頂具有良好的工作性能。但冬季氣溫較低植被枯死，同時降雨頻繁，導致冬季產(chǎn)生較多透水，若能混植常綠植被，可在一定程度上改善騰發(fā)封頂?shù)墓ぷ餍阅堋?/p>

5 結(jié) 論

（1）植被蒸發(fā)蒸騰能力對騰發(fā)封頂工作性能至關(guān)重要，即使植被根系深度僅有約50 cm，在毛細作用和水汽運移作用下，蒸發(fā)蒸騰也可在整個封頂厚度范圍內(nèi)起作用。

（2）上部細粒土含水率隨騰發(fā)和降雨變化較大，底部粗粒土含水率隨時間變化不大，當細粒土底部完全飽和，礫砂中含水率接近 4%時，開始有透水量產(chǎn)生。

（3）當細粒土底部達到飽和，水分下滲將毛細阻滯界面擊穿時，該封頂只是暫時失效，后隨騰發(fā)作用毛細阻滯界面功能恢復(fù)，該封頂仍能正常工作。

（4）試驗期間降雨總量為1782.6 mm，底部透水共19.64 mm，占總降雨量的1.1%，說明在試驗的氣象條件下該騰發(fā)封頂能有效阻止降雨入滲。

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