垃圾填埋场渗漏分析_曹建强.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 025垃圾填埋场渗漏分析曹建强，赵叶江(贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550000)摘要以贵州某垃圾填埋场为研究对象，通过查明场地工程地质条件、水文地质特征和污染现状的基础上，建立水文地质模型，采用数值模拟和地下水水样分析等方法，分析渗漏原因，得出垃圾填埋场大坝左侧防渗帷幕已发生渗漏，右坝肩垂直帷幕目前尚未出现渗漏，但右坝肩岩溶含水系统，渗滤液补给下游岩溶溶蚀管道系统，发生绕坝渗漏污染地下水，并提出采用垂直防渗帷幕+调节池基础重建+截排水沟+场区内水平覆盖的防渗措施，为类似垃圾填埋场的渗漏治理提供依据。关键词垃圾填埋场;数值模拟;防渗措施;渗漏治理中图分类号P641 2文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0075 04收稿日期2022 08 15作者简介曹建强(1982 )，男，山西晋中人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察及地质灾害勘查、设计与研究工作。1垃圾填埋场区概况垃圾填埋场原始地形标高为 1 480 1 510 m，为斜坡沟谷地貌，北东高南西低，库区大坝布置在垃圾填埋场区南西部前缘，回填之前垃圾填埋场区采用天然防渗，大坝为干砌块石重力透水坝。垃圾填埋场场区堆填垃圾后，渗滤液主要沿地形高处沿地表向地势低洼处径流，最终汇集至拦渣坝处渗滤液收集系统，经导排至调节池，最终进入污水处理站进行综合处理。库区内 3 处泉点采用布设暗管导排出坝体自然排放，通过对暗管的水量监测，暗管出水量较小，库区内水从大坝前节理裂隙中溢出，判断在场区变形过程中暗管出现了堵塞或破损，致使暗管已无法正常工作。填埋场设计垃圾处理能力为 300 吨/日，每年按 4%的增长率递增，垃圾渗滤液处理能力为 300 t/d，属三级垃圾场1。2007 年建成投入运行。现状条件下拦渣坝坝顶堆填高度为 1 510 m，垃圾填埋场区后缘堆填标高为 1 525 m。2填埋场场区数值模拟2 1本构模型安顺市生活垃圾填埋场地面沉降是在近垃圾填埋场采空区影响下，覆岩在煤层开采后受自重应力作用发生沉降2。在应力作用下，采空区覆岩的各物理场的变化特征相对复杂。为了 解 覆 岩 沉 降 演 化 特 征，运 用 多 场 物 理 耦 合 软 件COMSOL Multiphysics 中的固体力学模块，选取稳态求解对 3 4 剖面和 1 4 10 剖面进行模拟分析，揭示沉降过程中各物理场的变化特征(图 1)。2 1 1基本假设本文研究的是掘进巷道岩溶管道突水机理，主要假设是:(1)原始应力场为自重应力场3;(2)不考虑区域构造应力以及孔隙水压力;(3)采空区覆岩地层岩体不存在节理或裂隙;(4)假设同一岩层为各向同性及均质的，且忽略各岩层间的层间效应。2 1 2数学模型的求解本文借助大型多物理场耦合求解软件 Comsol Multipysics来对固体力学的方程求解。平衡微分方程如式(1)所示:图 1模型建立剖面示意图xx+yxy+zxz=Fxxyx+yy+xyz=Fyxzx+yzy+zz=Fz(1)公式(1)在数值模拟软件 COMSOL Multiphysies 中表述为:=F(2)式中:F 为体积力;Fx，Fy，Fz分别代表在 x，y，z 轴上的体积分力;，分别表示在 x、y、z 象限内不同方向的正应力、剪应力4。2 2模型构建及边界条件概化根据安顺市西秀区生活垃圾填埋场地层岩石力学特性、水文地质图等资料，并以 1 4 10 剖面为研究对象，根据实际地质背景，模型概化为计算模型横轴方向长为 543 m，纵轴方向长为 330 m，地表高度用该剖面地质剖面图所确定，采空区煤层厚度分别为 3 1 m、3 5 m，地层向从上到下划分为 17层，具体岩性及力学参数见表 1。以此建立如图 2 的数值计算模型，模型网格统一采用自由网格进行划分，靠近采空区572023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3煤层附近区域网格密度较大，后向四周围岩网格密度逐渐减小，从而达到重点区域精准计算的目的(图 3)。固体力学边界条件:模型中顶部、采空煤层顶底面，模型两侧纵轴方向设置为棍支撑边界条件，底部为固定约束边界条件。整个模拟过程应用 Drucker Prager 屈服准则，匹配摩尔 库伦准则，并采用线弹性模型进行求解计算。表 1岩性及力学参数岩性弹性模量 Gpa泊松比密度g/cm3内聚力/Mpa内摩擦角/泥质粉砂岩30 520 242 711 4845 7粉砂质泥岩28 530 262 710 8844 2灰岩33 440 272 71 3350 4图 2数值模型示意图图 3网格构建图2 3模拟计算结果与分析2 3 1应力场分析为了切合现实中煤层开采实际情况，考虑煤层开采时并非挖空整层煤层，会留有一定支撑空间，结合空间半无限理论，适当预留两层煤层左侧模拟边界。分别模拟开挖前自重应力云图以及开挖后应力云图。图 4 为煤层开采前，覆岩自重应力云图，图 5 为煤层开采后覆岩应力云图。图 4覆岩自重应力云图图 5煤层开采后覆岩应力云图据图分析可知:1 4 10 剖面煤层覆岩整体上受自重应力的影响，应力从上到下依次增大，地表因建筑物产生局部应力集中。开挖导致煤层临空面围岩发生卸荷，造成区域应力场重分布;上侧煤层顶板围岩与下侧煤层底板围岩垂直方向出现比周围岩体应力低的现象，且在煤层两端形成的局部应力集中区，应力值明显高于周围岩体，类似现实中的铰支撑结构;但由于是双煤层开挖，且两煤层间隔较近，在两层煤层之间形成上凸形应力集中，集中区域主要分布在上侧煤层底板的中间区域;同时在下侧煤层顶板处形成局部低应力区域;在地表处，受煤层开采应力重分布影响，煤层正上方的调节池发生明显应力集中，并且坝基处也出现小范围应力集中。但在断层右侧岩体，因距离开挖煤层一定距离，受影响较小，覆岩应力随着高程增加而逐渐降低。2 3 2位移场分析据图 6 和图 7 分析可知:煤层开采造成了临空面范围内的围岩位移变化，两煤层之间的区域位移量最大，其次是上侧煤层顶板至地表区域位移量较大，且位移量随据采空区距离程正比。下侧煤层底板以下区域受模型底部固定约束影响位移量较小，而右侧断层附近区域因距离采空区较远受煤层开采影响较小，致使位移量很小。根据垂直方向位移云图分析可知，下侧煤层底板以下区域产生正向位移即隆起，两层煤层之间区域负向垂直位移最大，即沉降量最大。上侧煤层顶板至地表区域以及右侧断层附近区域产生负向垂直位移，但煤层顶板至地表区域的沉降量要大于断层附近区域沉降量。对比位移云图不难发现，两煤层之间区域更容易发生大变形，且该区域的沉降变形对正上方地表变形影响较大。图 6覆岩位移大小云图图 7覆岩垂直方向位移云图为更好的研究煤层开采后覆岩位移场的变化，选取煤层顶板、底板以及地表上 28 处监测点，监测不同地点位移量大小(图 8、表 2)。分析发现，煤层开采后，1 7 号监测点垂直方向位移量均大于其他监测点，地表主要为负向位移且垂直方向位移量皆为 8 cm 左右，从实际角度出发，1 7 号监测点均位于垃圾填埋场渗滤液处理站附近，说明垃圾填埋场渗滤液处理站已发生一定程度沉降，进而地面沉降范围要超出ZK1 钻孔。8 号监测点和 28 号监测点垂向位移均大于 10cm，8、28 号监测点均位于垃圾填埋场调节池附近，说明垃圾填埋场调节池已发生沉降且沉降量最大。坝基附近 10 号监测点垂直位移 3 7 cm，水平位移 1 9 cm，11 号监测点垂直位移 3 5 cm，水平位移 1 69 cm，坝体附近 12 号和 13 号监测点垂直和水平方向位移均大于 1 cm，说明坝的整个区域都受煤层开采影响发生沉降。根据 19 26 号监测点数据发现，逐渐靠近 ZK10 钻孔无论是垂向和水平沉降量都在逐步减小，在 21 号监测点垂直位移只有 0 19 cm，水平位移几乎为 0，几乎不会影响场地稳定性，也就是说地表 ZK10 钻孔附近几乎不受煤层开采影响发生沉降，进而推出地面沉降范围不超过ZK10 钻孔。图 8监测点布置图数值模拟情况与现场地面变形延伸方向基本一致，在处理站及调节池一带地表变形剧烈，而从调节池尾部开始变形逐渐减小，至大坝附近变形消逝。垃圾填埋场调节池附近沉降量为 10 5 cm，渗滤液处理站区域沉降量为 7 9 cm，并会造成坝基附近应力集中且坝基沉降量达到 3 5 cm。但在坝体东侧越靠近 ZK10 钻孔地面变形越小，在 ZK10 钻孔附近沉降量只有 0 19 cm，几乎不会影67第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月响场地稳定性，说明采空区对 地 表 变 形 影 响 区 域 不 超 过ZK10 钻孔。表 2各监测点位移数据监测点序号垂直位移量/cm横向位移量/cm监测点序号垂直位移量/cm横向位移量/cm1 7 236 29 7 236 2915 4 564 51 7 121 E 22 7 235 69 7 235 6916 2 455 41 0 263 143 7 455 89 7 455 8917 2 821 11 0 657 414 7 455 39 7 455 3918 1 393 21 486 295 7 635 69 7 635 6919 0 404 23 0 486 16 7 930 79 7 930 7920 0 384 57 0 497 77 8 644 29 8 644 2921 0 195 2608 10 668 1 0 642 5322 0 213 4109 5 161 19 2 657 723 0 245 41 0 093 910 3 717 29 1 957 124 0 396 8 0 811 111 3 523 19 1 696 625 0 426 68 0 601 212 2 048 41 1 37426 0 371 9 0 700 813 1 819 61 1 24627 4 38 2 653 114 0 203 41 0 218 528 10 499 8 0 710 23场区渗漏分析3 1地下水水环境现状分析3 1 1地下水样品采集取样布置根据场地及周边水文地质条件，主要采集地下水样品为周边自然出露泉点、监测井、钻孔水样和金银山矿坑水样，共采集地下水样品 24 件(图 9)。图 9采样点位分布图根据填埋场场地地下水水质分析显示，地下水部分指标污染超标。根据本次调查资料，结合收集的资料进行综合分析1。就大坝及填埋场区域而言，设计资料显示，仅在断层处作水平防渗处理，其余地段未作防渗处理，生活垃圾直接堆放龙潭组碎屑岩之上。通过综合分析，场地地下水主要超标项来源为:填埋场内渗滤液、调节池内渗滤液5。3 1 2地下水水质分析地下水水质分析依据 pH、氨氮、氯化物、硫酸盐、氟化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐、氰化物、挥发酚、六价铬、锌、汞、铅、镉、砷、铜、锰、铁、总硬度、CODMn、溶解性总固体等 21 项作为特征污 染 指 标6，以地 下 水 质 量 标 准(GB/T 14848 2017)类为限值，结合所得区域地下水水质背景值对其各项特征污染指标进行分析研究得出防渗帷幕前地下水主要污染指标与垃圾填埋场检出指标基本一致，超标点主要集中在大坝下游调节池周边钻孔，JU01、JU02、JU03、JU05、泉点 3均出现水质超标，本底井 JU04 及泉点 1、泉点 2 地下水中监测指标均符合地下水标准。3 2场区防渗系统基本情况生活垃圾填埋场防渗系统于 2004 年 12 月竣工完成，填埋场为一沟谷型，三面高，谷口(西面)低，谷口处设主坝，总库容 303 8 万 m3，设计服务年限 13 a(2007 2020)，与许多同时期的填埋场一样，该填埋场场底无土工膜和压实粘土衬垫，为了使填埋库区成为相对独立的水文地质单元，防止渗滤液向下游地区扩散，该填埋场采用垂直防渗措施，防渗结构为防渗墙加防渗帷幕，防渗墙位于松散覆盖层内，平均厚度 4 0 m，防渗帷幕灌浆线设计为 1 条，采用单排封闭式帷幕，灌浆孔距 3 m，帷幕灌浆线穿越地层主要为粉砂质泥岩及灰岩，防渗帷幕共施工注浆孔 183 个，孔深根据中风化粉砂质泥岩变化而变化。该填埋场内渗滤液水位很高，根据现场钻孔实测水位监测表明，防渗帷幕前水位与填埋场内渗滤液水头最大已达 21 m，场地内存在一层厚薄不均匀的灰岩，其渗透系数较大，渗滤液及污染物可能透过场底土、灰岩及防渗帷幕发生渗漏，对周围地表和地下水体造成污染7。3 3渗漏原因分析3 3 1大坝左肩根据现场调查及水位观测、水质分析结果，分析大坝左肩地下水由大坝左侧冲沟向大坝前调节池径流，地下水等水位线见图 10。根 据 钻 孔 抽 水 前 后 水 质 结 果 分 析 对 比，在JU03 监测井抽水观测 ZK6、ZK9 水位均无变化，说明场区内地层渗透系数低，各钻孔之间水力联系弱。JU03 与 ZK9 抽水前后超标项目一致，而 ZK6 抽水后监测指标均未超标，说明 ZK9 与 ZK6 之间的垂直防渗帷幕起到了较好的防渗效果，ZK6 与 ZK9 之间的防渗帷幕切断了二者之间的水力联系;地下水径流方向为 ZK9 向 JU03 方向径流，JU03 等水位线低于ZK6 与 ZK9，综合分析位于因 ZK9 位于垃圾填埋场内，其地下水指标受填埋场渗滤液影响超标，而 ZK6 的补给来源为填埋场外围地下水，故抽水后对其检测指标均未超标。在 ZK9处的地下水向 JU03 等水位线径流过程中，由于靠近 JU03 处的防渗帷幕受采空区影响，防渗帷幕周围产生张拉裂隙，破坏了防渗帷幕的原有防渗途径，导致 JU03 监测项目超标。ZK6 指标与 ZK9 存在明显差异，二者之间无水力联系，大坝左肩防渗帷幕存在渗漏，暂未发生绕坝渗漏。图 10大坝左肩地下水等水图 11大坝右肩地下水等位线示意图水位线示意图3 3 2大坝右肩根据现场调查及水位观测、水质分析结果，分析大坝右肩地下水由北东向南西径流，地下水沿岩层倾向方向在灰岩岩溶管道及裂隙中径流至调节池与大坝左肩的地下水汇合，最终顺调节池走向向团结水库排泄，地下水等水位线见图77第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月11。根据钻孔水质结果分析对比及带观测孔抽水试验，在JU05 抽水观测 ZKB3、ZKB7、ZKB8 水位均无变化，说明场区内地层渗透系数低，各钻孔之间水力联系弱。JU05 与 ZKB8、ZK7 超标项目(氯化物、锰)一致，而 JU03 所有超标项均远大于 JU05 中取水样的检测超标项，说明 JU03 与 JU05 二者之间无直接联系，与地下水径流路径一致，且 JU03 超标项与防渗帷幕后的 ZK9 超标数量及大小基本一致，说明 JU03 与ZK9 之间的帷幕发生损坏，渗滤液直接补给 JU03;而 JU05 与ZKB8 超标项的超标倍数相差较大，说明二者之间的防渗帷幕起到了一定的防渗效果。在 JU05 进行抽水试验，观测周边钻孔地下水位均无明显下降，说明大坝右肩岩层渗透系数较低，通过现场钻孔揭露，JU05 地下水位于二叠系上统龙潭组粉砂质泥岩中，岩石节理裂隙一般发育，但右肩防渗帷幕范围内存在一层二叠系上统的长兴组的灰岩，该层灰岩岩溶发育，层厚不稳定，是场区内地下水的主要补给通道，JU05 监测项目超标原因为地下水径流过程中填埋场内的地下水沿着岩溶管道发生绕坝渗漏沿地下水流向在地表以下的第一层灰岩中的岩溶管道及裂隙侧向补给，导致 JU05 监测井受到污染。3 4渗漏综合评价根据以上评价工作，目前垃圾填埋场污染的范围主要在JU01、JU02、JU03、JU05 及填埋场库区，未在填埋场外的下游地下水检出污染指标。库区内地下水含水系统可能遭受污染或渗滤液沿防渗帷幕渗漏处沿裂隙与地下水混合，目前帷幕前后存在约 21 m 的水头差，在长期高水位水压力的侧向作用下，填埋场大坝可能会发生变形，因此在场区使用过程中应设置集水井定期抽取降低场区地下水位，减少填埋场大坝侧向受力;在本次水质检测分析中，位于填埋场北部的泉点 3(水位标高 1 497 m)已出现地下水控制指标超标问题，填埋场内水位标高 1 498 2 m，已高于泉点 3 水位，如若库区水位继续上升，库区存在沿岩溶含水系统由侧向补给造成水平渗漏，造成下游地下水体污染风险。4结语(1)垃圾填埋场地下水超标的范围主要在 JU01、JU02、JU03、JU05、填埋场库区及泉点 3。垃圾填埋场大坝左侧防渗帷幕已发生渗漏;右坝肩垂直帷幕尚未出现渗漏，但右坝肩岩溶含水系统，渗滤液补给下游岩溶溶蚀管道系统，发生绕坝渗漏污染地下水。(2)库区渗滤液存在沿着构造裂隙、岩溶裂隙、岩溶管道侧向补给造成水平渗漏，造成下游地下水体污染风险。大坝前后存在 21m 的高水头差，若未能及时将库区水位降低，随着水位增长，渗滤液极有可能发生大面积水平侧向渗漏，并会增加大坝坝体所受的水压力，影响大坝整体稳定性，存在一定的安全风险。(3)治理建议采用垂直防渗帷幕+调节池基础重建+截排水沟+场区内水平覆盖的方案。参考文献 1严梅 浅析某垃圾填埋场地下水污染评价J 华北自然资源2021(05):91 92 2袁会，禄占磊，连会青，等 厚湿陷黄土层下综放开采地表移动规律数值模拟J 煤炭科学技术 2013 41(S2):26 29+33 3王振广，李飞龙，白志永，等“两软一硬”不稳定煤层工作面覆岩“两带”发育高度研究J 矿业安全与环保 2020 47(01):55 60 4吉辰，胡桂林 装配压力对 PEMFC 气体扩散层影响的研究J浙江科技学院学报 2017 29(01):11 16+23 5郑润琴 地质灾害治理中的应用策略分析J 华北自然资源2021(05):93 94 6张锐敏 文山州河流水质的特征污染物分析J 云南环境科学 2002(04):53 55 7张文杰，陈云敏，詹良通 垃圾填埋场渗滤液穿过垂直防渗帷幕的渗漏分析J 环境科学学报 2008(05):925 929(上接第 43 页)结果，当地下水水位降到 80 m 时，水文地质钻孔地下水降落漏斗发展到 200 m 左右。二中巷道已开采多年，巷道长 450m，宽 2 m，面积 900 m2，平均深度 80 m，其旱季正常排水量可以代表地下水静储量的稳定消耗量。设计巷道开拓水平埋深 100 m，巷道总长 2 000 m，含水层厚度平均 60 m，各参数取值见表 5，计算结果见表 6。表 6涌水量计算结果统计表降落漏斗影响半径/m降落漏斗影响范围F/km2降雨入渗量 Q入渗/m3/d水利坡度I侧向补给量 Q测补/m3/d备注=BKH2/QF=2BQ入渗=F WI=S/Q侧补=2KIB公式4501 85760 1615 61结果综上，矿坑涌水量 Q=Q静+Q入渗+Q侧补=992 01 m3/d。6结语矿体充水水源主要为裂隙水及断裂构造水，其径流、排泄除受地形地貌控制外，主要受季节气候因素控制;矿体充水通道为地层裂隙与断裂构造，人为活动造成的地下水上下联通亦是重要通道之一。自然状态下，矿体地下水随季节的交替表现为水位高低的变化，一般情况下，每年内都有一次高、低水位出现。含水层的透水性、富水性弱至中等;地下水动态变化受气候制约。通过水均衡验算，选用水均衡法，推荐矿区范围内第一开拓水平涌水量为 992 01 m3/d。参考文献 1罗荣华 浙西峡口萤石矿、长台萤石矿水文地质参数对比分析研究及涌水量预测D 东华理工大学 2015 2张保祥，张超 水文地球化学方法在地下水研究中的应用综述J 人民黄河 2019 41(10):135 142 3陈酩知，刘树才，杨国勇 矿井涌水量预测方法的发展J 工程地球物理学报 2009 01(06):68 72 4苗霖田，贺晓浪，张建军，等 矿井涌水量的时间序列分析一水文地质比拟法预测J 中国煤炭 2017 43(3):32 35 5曹剑峰，迟宝明，王文科，等 专门水文地质学M 北京:科学出版社 200687第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月