摘 要

随着生活垃圾的处理在环境保护方面愈加重要，国内以填埋为主的垃圾处理方式也在不断优化。为使填埋场覆盖层直接暴露在外部气候环境中有更好的抗渗透作用，本文基于有限元数值方法研究了有、无植被盖层条件下盖层含水率、盖层渗透系数、浸润线的上移速度、盖层的吸力水头等参量的变化过程，研究在有无植被覆盖的条件下土层中水分迁移的规律，分析植被根系以及植被蒸腾作用对黏土覆盖层中土壤性质的影响。获得了以下结论：

（1）有植被盖层在整个降雨过程含水率都要低于无植被盖层，导致压力头在有植被盖层中小于无植被盖层；

（2）由于非饱和土中的水分迁移作用下土壤基质吸力的变化，产生裂缝后渗透系数在两种工况下都会增加，但植物根系作用会使有植被盖层的增量会明显高于无植被盖层；

（3）降雨入渗过程中有效饱和度增长速率随着深度的不同而不同，从而概括水分迁移过程为先浸润线下移，后饱和水位线上移的过程。对数值模拟结果还有待与室内试验相结合，以验证模型准确性。

研究成果可进一步加深对降雨作用对植被覆盖下填埋场覆盖层性质影响规律的认识，从而促进覆盖层失效机理和控制方法的研究与发展。

关键词：填埋场；压实黏土盖层；植物根系；水分迁移；有限元

Abstract

As the disposal of household garbage becomes more and more important in environmental protection, the landfill based garbage disposal methods in China are also being continuously optimized. For landfill cover directly exposed to the external environment, climate has a better anti osmosis, based on the finite element numerical method to study the with and without vegetation cover cover layer under the condition of moisture content, cover up speed, coefficient of permeability, saturation line of top cover layer suction water parameters change process, studies in the presence of vegetation in the soil under the conditions of the law of moisture migration, to analyze vegetation root system and vegetation transpiration effects on soil properties in the clay layer. The following conclusions were obtained:

（1）The moisture content of vegetation cover is lower than that of no vegetation cover in the whole rainfall process, resulting in the pressure head is smaller than that of no vegetation cover in vegetation cover；

（2）Due to the change of soil matric suction under the action of water migration in unsaturated soil, the permeability coefficient after fracture would increase under both conditions, but the increment of vegetation cover would be significantly higher than that of non-vegetation cover under the action of plant roots；

（3）In the process of rainfall infiltration, the effective saturation growth rate varies with the depth, so the process of water migration can be summarized as the process of first moving below the infiltration line and then moving above the saturated water level. The numerical simulation results need to be combined with laboratory tests to verify the accuracy of the model.

The research results can further deepen the understanding of the influence of rainfall on the nature of overburden in landfills under vegetation cover, thus promoting the research and development of the overburden failure mechanism and control methods.

Key Words：landfill; compacted clay cover; plant roots; water migration; the finite element

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究进展概况 2

1.3 研究内容、目标及技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究目标 3

1.3.3 技术路线 4

第二章 填埋场封场压实黏土根系特征分布 5

2.1 引言 5

2.2 研究材料和方法 5

2.2.1 研究材料 5

2.2.2 研究方法 6

2.3 结果与分析 7

2.4 本章小结 10

第三章 填埋场盖层内水分迁移有限元数值模拟 11

3.1 引言 11

3.2 填埋场封场水分迁移数值模拟的理论基础 11

3.2.1 有限元方法简介 11

3.2.2 有限元方法基本思想 11

3.3 COMSOL概述 12

3.3.1 COMSOL的基本介绍 12

3.3.2 COMSOL主要板块功能 12

3.3.3 COMSOL地下水流模块 12

3.4 无植被下填埋场盖层水分迁移数值模拟 13

3.4.1 非饱和土控制方程理论（Richards方程） 13

3.4.2 无植被盖层水分迁移数值模拟 14

3.4.3 有植被盖层水分迁移数值模拟 18

3.5 有、无植被覆盖对黏土层影响对比分析 21

3.5.1 盖层压力头 21

3.5.2 有效饱和度 22

3.5.3渗透系数 23

3.6 本章小结 24

第四章 结论与展望 26

4.1 全文总结 26

4.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

垃圾填埋场防渗系统生态安全问题是国家“十二五”规划优先发展领域，尤其是填埋场封场覆盖系统的失效控制问题是现在环境保护工程领域亟待解决的重大工程难题之一。根据我国《生活垃圾卫生填埋技术规范》,推荐压实黏土作为垃圾填埋场的覆盖材料，且要求其渗透系数必须小于1.0×10^-7cm/s^[1]。然而目前我国绝大多数填埋场为简易填埋场，在填埋场的整个运行过程中，没有进行分层的压实，同时也受到雨水侵蚀、不均匀沉陷、干湿冻融等循环影响因素，导致填埋场压实黏土盖层的破坏和功能失效问题更为突出^[2]。填埋场压实黏土盖层开裂问题日趋严峻，盖层开裂将成为雨水下渗的直接通道，增加垃圾渗滤液泄漏，污染周围水土环境，造成严重的环境地质灾害，威胁生态环境，现已经引起广大环境岩土工作者的高度重视。

如图 1.1 所示，作为填埋场最外层的屏障，填埋场的压实黏土盖层因其直接与大气接触，受大气作用明显，在大气干湿循环作用下易于开裂。在长期降雨时期，黏土层中含水率升高，土中的饱和度亦增加；而在长期干燥时期，土的含水率减少，同时土中吸力增加。当基质吸力超过极限值，将出现干缩裂缝，不能起到防渗保障的作用。经干湿循环作用后，黏土内部裂隙不能完全闭合，同时亦有大量微观裂隙的存在。裂隙的存在，将导致填埋场压实黏土盖层整体防渗性能逐渐下降，黏土的阻隔功能将受到损害，雨水穿透填埋场盖层从而逐渐导致盖层被击