覆盖覆盖层

DOI:10.
3785/j.
issn.
1008-973X.
2019.
06.
009含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层长期性能分析焦卫国1,詹良通2,季永新3,贺明卫1(1.
贵州理工学院土木工程学院,贵州贵阳550003;2.
浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州310058;3.
贵州中建建筑科研设计院有限公司,贵州贵阳550006)摘要:为了验证含非饱和导排层(UDL)毛细阻滞覆盖层的防渗性能,采用模型试验在中国东部湿润气候区自然气候条件下进行2年的长期监测.
覆盖层模型尺寸为2.
0m*1.
0m*0.
55m(长*宽*厚),坡度为18.
4°(坡率为1∶3).
结构剖面从上至下依次为植被生长层(15cm)、粉土层(20cm)、砂层(10cm)和碎石层(10cm).
长期监测试验结果表明:监测期累计降雨量为3448.
4mm;渗漏量为2.
62mm,显著低于北美湿润气候区土质覆盖层的防渗标准.
非饱和导排砂层(UDL)侧向导排量为581.
77mm,占降雨量的16.
87%,导排作用明显.
在一个典型的水文年中,4~11月自然降雨、气温和腾发作用三者高峰期重合;雨热同期的有利气候条件以及UDL层的侧向导排作用,有效控制了渗漏量.
6~9月的连续强降雨为覆盖层易发生渗漏的极端气象段,是防渗设计的控制性气象条件.
冬季12月至次年3月气温低但降雨量较少,增设的非饱和砂层导排作用明显;避免了因腾发作用弱不能及时蒸散水分而发生渗漏的问题.
含非饱和导排层(UDL)的毛细阻滞覆盖层由粉土、砂和碎石等非胀缩性土构成;湿胀干缩和开裂现象不明显.
关键词:湿润气候区;填埋场;毛细阻滞覆盖层;非饱和导排层;侧向导排;长期监测;防渗性能中图分类号:TU47文献标志码:A文章编号:1008973X(2019)06110109Analysisonlong-termperformanceofcapillary-barriercoverwithunsaturateddrainagelayerJIAOWei-guo1,ZHANGLiang-tong2,JIYong-xin3,HEMing-wei1(1.
SchoolofCivilEngineeringGuizhouInstituteofTechnologyGuiyang550003,China;2.
MOEKeyofLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;3.
GuizhouConstructionScienceResearchandDesignInstituteofCSCECCo.
Ltd,Guiyang550006,China)Abstract:OutdoormodeltestwascarriedoutfortwoyearsinhumidareaofChinainordertostudythelong-termperformanceofthecapillary-barriercoverwithanunsaturateddrainagelayer(UDL).
Thesizeofmodelwas2.
0m(length)*1.
0m(width)*0.
55m(thickness);meanwhile,thesloperateandgradientwere1∶3and18.
4°,respectively.
Fromtoptobottom,thestructuralprofileswerevegetationgrowthlayer(15cm),siltlayer(20cm),sandlayer(10cm)andgravellayer(10cm).
Themonitoringresultsshowthat:withtheannualrainfallof3448.
4mm,thepercolationis2.
62mm,whichisinlinewiththeimperviousstandardofsoilcoverlayerinhumidclimatezoneofNorthAmerica.
Lateraldiversionis581.
77mm,whichaccountsfor16.
87%ofthecumulativerainfallandthelateraldiversioneffectisobvious.
FromApriltoNovemberinhumidareaofChina,thethreepeaksoftemperature,rainfallandevapotranspirationcoincideeveryyear.
Thefavorableclimaticconditionsinthesameperiodofrainandheat,andthelateraldiversionofUDL,effectivelycontrolthepercolation.
ThecontinuousheavyrainfallfromJunetoSeptemberishighrisktopercolationmeteorologicaleventwhichisacontrolledmeteorological收稿日期:20180630.
网址:www.
zjujournals.
com/eng/fileup/HTML/201906009.
htm基金项目:贵州省自然科学基金基础研究计划项目([2017]1079);贵州省自然科学基金基础研究计划项目([2017]1513-4);贵州省社会科技发展攻关项目(SY字[2015]3055).
作者简介:焦卫国(1983—),男,副教授,从事非饱和土力学与环境岩土工程研究.
orcid.
org/0000-0002-7078-5929.
E-mail:805810460@qq.
com第53卷第6期2019年6月浙江大学学报(工学版)JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)Vol.
53No.
6Jun.
2019conditionforseepagepreventiondesign.
FromDecembertoMarchofnextyearwithscarcerainfallandweakevapotranspiration,thelateraldiversioneffectisobviousandavoidtopercolation.
Thecapillarybarriercoverwithunsaturateddrainagelayerismadeupofsilt,sandandgravel.
Swelling,shrinkageandcrackingarenotobvious.
Keywords:humidarea;landfill;capillarybarriercover;unsaturateddrainagelayer;lateraldiversion;long-termmonitoring;impermeability当前,中国有上千座生活垃圾填埋场因库容饱和而面临封场覆盖的问题.
毛细阻滞覆盖层基于非饱和土的储水特性,通过粗、细粒土间的水力特性差异构成毛细阻滞屏障,延缓水分进入粗粒土而增大细粒土的储水能力[1-2];同时利用坡面土体蒸发和植被蒸腾作用(Evapotranspiration)将水分排向大气,如此循环而实现防渗功能[3].
诸多学者对毛细阻滞覆盖层的防渗性能进行了研究.
Morris等[4-5]进行了理论分析和室内极端降雨模型试验;研究了雨强、持续时间、初始含水量和土体水力参数等对防渗性能的影响.
Khire等[6]在填埋场现场测试了毛细阻滞覆盖层坡面径流、蒸腾蒸发和渗漏量等各水量分配并评估了其防渗性能.
美国能源局和环保署在全美24个填埋场开展了土质覆盖层防渗评估项目(alternativecoversassessmentprogram,ACAP)[7-10],全面评价了毛细阻滞覆盖层在北美各气候区的防渗性能.
结果表明:北美中西部的干旱与半干旱气候区毛细阻滞覆盖层防渗效果较好;但北美东部的部分湿润气候区防渗效果不理想[8].
主要原因为这些地区冬季降雨量较多且气温低腾发作用弱,土层储水能力不足而不能有效释放水分.
为提高毛细阻滞覆盖层在湿润气候区的适用性.
Stormont等[9]提出在传统细-粗粒土双层毛细阻滞覆盖层中添加非饱和导排砂层(unsaturateddrainagelayer,UDL),在水分透过击穿细粒土进入粗粒土前,UDL可作为优良的排水介质使水分侧向导排至坡脚(见图1),从而改善并提高毛细阻滞覆盖层在湿润气候区的防渗性能.
Stormont[10]进行了为期43d、雨强为10mm/d的降雨入渗试验.
结果表明:增设的非饱和导排砂层(UDL)导排效果明显并有望解决在湿润气候区因降雨量大腾发作用弱不能及时排空水分而发生渗漏的问题.
之后,Morris等[5]通过室内试验和理论分析提出了非饱和导排层的侧向导排长度,导排速率和导排量等计算方法并认为其是"防渗性能加强版的毛细阻滞覆盖层".
赵慧等[11]研究了植被和土类组合对土质覆盖层防渗性能的影响;Ng等[12]研究了毛细阻滞覆盖层土体中基质吸力的分布特性.
张文杰等[13]在中国东部典型湿润气候区(杭州)开展了一维毛细阻滞覆盖层土柱长期监测试验(历时18月)并用HELP和VADOSE/W对覆盖层进行了对比模拟分析.
詹良通等[14]在中国西北半干旱气候条件下研究了黄土-碎石毛细阻滞覆盖层的防渗性能和初步设计厚度.
以上这些研究只关注了传统双层毛细阻滞覆盖层的防渗性能,而未见对添加非饱和导排层(UDL)毛细阻滞覆盖层防渗性能的研究.
仅有的文献报道是邓林恒等[15]在室内开展了含非饱和导排层(UDL)毛细阻滞覆盖层的短期强降雨试验,而未见对其在中国湿润自然气候条件下长期防渗性能的关注.
本文采用模型试验,在中国东部湿润气候区自然气候条件下进行2年的长期监测,验证分析含非饱和导排层(UDL)毛细阻滞覆盖层的防渗性能.
1试验装置、模型制备与监测方法1.
1试验装置、模型制备和土性参数在双层毛细阻滞覆盖层中添加非饱和导排砂层后,覆盖层水分运移和服役环境简图如图1所示.
试验地点在中国东部典型湿润气候区(杭州市),试验环境为室外自然气候条件.
模型装置由实验覆盖层、模型槽、坡度调节装置、含水率测量图1含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层中水分运移图Fig.
1Watermovementincapillarybarriercoverwithunsatu-rateddrainagelayer1102浙江大学学报(工学版)第53卷探头(TDR)、张力计和水量测试收集系统构成,装置详见图2和3.
实验覆盖层长*宽*厚分别为2.
0m*1.
0m*0.
55m,坡度为18.
4°.
覆盖层由3层土构成,表层为厚0.
20m的粉土,作核心储水功能层;粉土之下为厚0.
1m的砂层,作UDL;砂层之下为厚0.
1m的碎石层,作粗粒土层.
为利于植被生长,在表层增设厚0.
15m的植被层.
模型槽框架由型钢焊接而成:前立面为透明的有机玻璃(便于观察土层水分运移);左侧面和底面为5mm厚钢板;后立面、右侧面与底面打孔,以便安设仪器与水量收集管路.
在粉土层和砂层中分别埋设6只张力计和6只TDR,成两排三列布置(见图3).
张力计为Soilmoisture公司的2100F型,TDR探头为自制三针式.
水量收集系统包括坡面径流量、砂层导排量和模型底部的渗漏量.
试验场地设有小型气象站测式雨强、雨量、风速、气温、相对湿度和太阳辐射等实时气象数据,数据采集间隔为1h.
试验中毛细阻滞覆盖层细粒土、非饱和导排砂层与粗粒土分别采用钱塘江粉土、砂与碎石,各土层颗分级配曲线见图4.
图中n为小于某粒径土颗粒累积质量百分比,d为土粒粒径.
土体采用分层填筑夯实法,粉土、砂和碎石对应的夯实干密度为1.
45、1.
49和1.
69g/cm3.
含非饱和导排层毛细阻滞覆盖层长期性能分析测得各土体饱和渗透系数ks分别为5.
3*106、3.
84*104、2.
0*102m/s.
采用体积压力板仪测得粉土与砂的土水特征曲线(soilwatercharacteristiccurve,SWCC);采用土柱法测得碎石土水特征曲线.
各土层SWCC曲线详见图5,图中φ为体积含水率,p为基质吸力.
1.
2监测频率、方法和水量运移平衡监测期内覆盖层土体体积含水率、基质吸力、水量分配(坡面径流量、砂层导排量、渗漏量)、场地气象要素(日照、降雨、风速气温和相对湿度)的测试频率每天测1次;叶面积指数、根系等植被生长参数每月测1次.
针对特殊降雨量较大事件,降雨过程中连续监测覆盖层的响应和水量分配,TDR、张力计、水量分配每小时测1次.
覆盖层水量平衡式如下:式中:W为降雨量、R为坡面径流量、L为砂层侧向导排量、Pr为渗漏量、S为土层水分存储量、E为腾发量.
降雨量通过小型气象站中的翻斗式图2长期性能监测试验模型Fig.
2Long-termperformancemonitoringtestmodel图3覆盖层模型尺寸和仪器布置图Fig.
3Sizeofcovermodelandinstrumentlayout图4碎石、砂和粉土的粒径曲线Fig.
4Particlesizedistributioncurvesofgravel,sandandsilt图5覆盖层土体土水特征曲线Fig.
5Soilwatercharacteristiccurveofcover第6期焦卫国,等:含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层长期性能分析[J].
浙江大学学报:工学版,2019,53(6):1101–1109.
1103雨量计读取;坡面径流量、侧向导排量和渗漏量为现场称量实测.
称量方法:在覆盖层坡脚和底部设有出流管口,管口端部设置盛水容器,通过每日下午观察并称量水量.
土层存储量经TDR探头实测获得体积含水率后通过土层厚度的积分计算得出,腾发量通过式(1)等号两侧水量平衡计算得出.
2中国东部湿润气候区气候特点、监测期气象以及植被生长情况杭州市位于中国东南沿海地区,中心地理坐标位于东经120°12′,北纬30°16′,属亚热带季风性气候.
近几十年的气候资料统计结果表明:杭州市的全年平均气温为17.
5°C,平均相对湿度为69.
6%,年日照时数1762h.
雨量充沛,年降雨量约为1200mm,年内分配不均.
全年有2个集中性多雨时段;第一个多雨时段在6月前后,俗称"梅雨季节".
"梅雨"是东亚大气环流在春夏之交季节转变时的特有现象和产物,期间降雨量为350~550mm,约占年总降雨量的25~35%.
第二个集中多雨时段出现在9月前后,俗称台风秋雨期.
因受台风或季风南移影响所致,降雨量为120~220mm,约占年总量的10~15%.
11月底至次年2月为相对干季,降雨量较少.
全年蒸发量随季变化明显,夏季6~9月月均蒸发量高达170~230mm.
春(3~5月)、秋(9~11月)两季次之,月均蒸发量为75~150mm.
冬季(12月~次年3月)最小,1月的月均蒸发量一般不超过50mm.
图6是杭州市2011年的年降雨和潜在蒸发量随时间分布图.
图中W为累计降雨量,T为累计潜在蒸发量;w为日降雨量,t为日潜在蒸发量.
可见,2011年的累计降雨量为1359.
93mm,4~11月的降雨量为1187.
92mm,占全年的87.
40%;同期潜在蒸发量为880.
03mm,占全年的78.
78%,降雨和蒸发的高峰期重合.
12月~次年3月降雨量为172.
01mm,占全年的12.
60%,同期潜在蒸发量为238.
29mm,占全年的21.
31%.
这表明杭州地区年内降雨量与蒸发能力有较好的对应关系,4~11月降雨量多腾发作用强;而12月~次年3月降雨量少,腾发作用弱.
覆盖层植被为麦冬草与杭州分布较广的矮小绿叶植物.
监测期采用"格点法"测试叶面积指数,通过开挖探坑剖面直接测试根系深度.
图7是监测期(2011年)实测的植被叶面积和根系深度等生长参数.
图中,h为植被根系埋藏深度,I为植被叶面积指数.
由图可见,从4月份开始,草皮根系深度与叶面积指数增长较快,叶面积指数从1快速增长至接近3,是植被生长的旺季;11月份草皮开始调萎直到次年3月绿叶植物几乎全部死亡.
3覆盖层长期防渗性能监测实验结果3.
1覆盖层水量分配和防渗效果评估图8是2010年6月~2012年6月2年监测期内覆盖层实测的各水量分配与时间关系图.
图中R为累计地表径流量、L为导排量,其余符号同前.
由图可见,在每年的6~9月累计降雨量有一个显著的增加段,该时间段降雨较多且频繁,雨型主要以中雨到大雨为主,坡面径流与导排量有一个明显的增加过程.
12月至次年3月降雨相对较少,坡面径流与导排量增长较缓.
图9和表1是2年监测期内各水量分配情况,表中各变量符号同式(1).
其中腾发量为2038.
3mm,占累计降雨量的59.
11%,这表明腾发作用仍是该覆盖层水分图62011年杭州市降雨量和潜在蒸发量Fig.
6PrecipitationandpotentialevapotranspirationinHang-zhou,2011图72011年杭州覆盖层植被生长参数Fig.
7VegetationparametersofcoverinHangzhou,20111104浙江大学学报(工学版)第53卷消散的主要途径;坡面径流量为836.
34mm,占累计降雨量的24.
25%;砂层侧向导排量为581.
77mm,占累计降雨量的16.
87%,砂层导排效果明显.
这表明在传统毛细阻滞覆盖层结构上增设非饱和导排砂层,在防渗功能的发挥上是一个重要的补充,增加了一道水分消散的途径.
在2年的监测期内,覆盖层渗漏量2.
62mm,占累计降雨量的0.
8%.
根据北美地区主持开展的类似研究ACAP,土质覆盖层的防渗评估标准如下:在降雨量与潜在蒸发量之比小于0.
5的湿润气候区,土质覆盖层的年渗漏量最大值为30mm[16].
据此标准,在中国东部湿润气候区,该覆盖层的防渗效果较好满足防渗要求.
3.
2覆盖层雨季、旱季的水力响应规律表2列出了监测期内覆盖层分别在4~11月雨季和12~次年3月旱季水量分配情况.
由表可见:2010年6~11月累计降雨量为951.
53mm,腾发量为713.
15mm;2011年4~11月雨季累计降雨量为1188.
12mm,腾发量为627.
03mm;这2年内雨季的腾发量均高达当年总降雨量的50%以上.
该时期监测到渗漏,累计渗漏2.
62mm.
这与中国湿润气候区的气候特点有较大关系.
如前所述杭州地区4~11月为雨季,虽降雨量较大,但该时段正属于杭州地区的春、夏和秋季,太阳辐射强烈、气温较高、覆盖层土体蒸发作用强烈的同时植被生长茂盛、蒸腾作用强烈,水分蒸散速度快.
2010~2012两年监测期内的旱季累计降雨量为735.
78mm,坡面径流为123.
63mm,占累计降雨量的16.
80%;旱季坡面径流量无论是绝对值还是相对比率均远小于雨季(雨季坡面径流量占总降雨量的26.
27%).
这是由于旱季降雨雨强小,雨水入渗率高.
观察旱季覆盖层中非饱和导排砂层的导排作用:2年累计导排218.
98mm,占旱季总降雨量的29.
76%;导排量的绝对值虽然低于雨季但比率却为雨季的2倍以上(雨季导排量占总降雨表1监测期内实测覆盖层水量分配比率Tab.
1Ratioofwaterdistributionincoverduringmonit-oringperiod水量名称绝对值/mmr/%水量名称绝对值/mmr/%W3448.
40100.
00L581.
7716.
87E2038.
3059.
11Pr2.
620.
80R836.
3424.
25表2监测期内雨季、旱季覆盖层各水量分配和比率Tab.
2Waterdistributionandratioinrainyseasonanddryseason时间W/mmE/mmR/mmL/mmPr/mm2010.
06~2010.
11951.
53713.
15241.
2440.
050.
39雨季(100%74.
95%25.
35%4.
21%0.
04%)2010.
12~2011.
03197.
10166.
0213.
0020.
350旱季(100%84.
23%6.
60%10.
32%0)2011.
04~2011.
111188.
12627.
03316.
37251.
241.
13雨季(100%52.
78%26.
63%21.
15%0.
10%)2011.
12~2012.
03538.
68211.
29110.
63198.
630旱季(100%39.
23%20.
54%36.
87%0)2012.
04~2012.
06572.
97320.
81155.
1071.
501.
1雨季(100%56.
00%27.
07%12.
48%0.
20%)雨季累计2712.
621660.
99712.
71362.
792.
62(100%61.
23%26.
27%13.
37%0.
10%)旱季累计735.
78377.
31123.
63218.
980(100%51.
28%16.
80%29.
76%0)图8覆盖层水量分配随时间变化关系Fig.
8Relationshipbetweenwaterdistributionandtime图9监测期内覆盖层水量分配Fig.
9Waterdistributionofcoverduringmonitoringperiod第6期焦卫国,等:含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层长期性能分析[J].
浙江大学学报:工学版,2019,53(6):1101–1109.
1105量的13.
37%).
这是由于旱季雨强小,土层入渗率高,在一场降雨中更高比例的雨水通过粉土向下运移到达非饱和砂层而侧向导排至坡脚.
在2年监测期内,旱季覆盖层均未见渗漏.
张文杰等[13]于2012年在杭州地区开展了无侧向导排作用的毛细阻滞覆盖层长期监测,结果表明:2012年12月~2013年2月间(冬季)监测到2次渗漏事件,累计渗漏量为13.
27mm.
对比文献[13]可知:当旱季腾发作用较弱时,非饱和导排砂层(UDL)可将原本击穿粉土层而渗漏的水分导排至坡脚;添加非饱和导排砂层是改善毛细阻滞覆盖层在湿润气候区冬季防渗性能的有力措施.
由旱季和雨季的监测结果可见,中国东部湿润气候区与北美部分湿润气候区不同:雨季自然降雨、气温和腾发作用三者高峰期重合,雨热同期的有利气候条件加之UDL层的侧向导排作用有效控制了渗漏量.
旱季的腾发作用弱但降雨量少,砂层侧向导排作用可观,避免了北美部分湿润气候区类似毛细阻滞覆盖层出现渗漏的现象.
3.
3覆盖层实时储水量分析与基质吸力分布特性本覆盖层模型中粉土-砂、砂-碎石层构成毛细阻滞作用;分别取砂与碎石的进水值(砂pbs=5.
2kPa;碎石pbg=0.
3kPa)所对应的含水率为粉土和砂层的最大储水能力[16],通过厚度积分可求得覆盖层粉土和砂层的最大储水量Sfc=170.
98mm.
同时覆盖层中粉土基质吸力p=1500kPa所对应的枯萎点视为维持植被生存的最低储水量,同理可求得最低储水量Swp=38.
57mm.
图10给出了监测期内覆盖层的实际储水量随时间的变化关系.
由图可见,每年6~9月降雨集中,土体含水量高、波动变化大、水分运移剧烈,个别时段已超过覆盖层最大储水量Sfc而发生渗漏,是覆盖层易渗漏的极端气象段.
12月~次年3月覆盖层水分变化平缓储水量约在110~130mm,远远高于其枯萎点Swp.
这与杭州地处湿润气侯,冬季降雨量仍然维持在一个较高水平有关.
图11反应了6~9月覆盖层粉土中基质吸力的变化情况.
图中1、2号张力计埋藏较浅位于粉土层下30mm处;3、4号张力计埋藏较深位于粉土层底部180mm深处(见图3).
从图可见:张力计读数从0到22kPa变化波动较大.
较浅的1、2号张力计波动变化显著、大于较深处的3、4号张力计,这反应了腾发作用条件下水分的运移机制.
植被将根系生长区附近土体水分蒸散后,深部的水分逐渐上移而满足植被蒸腾活动.
从图中还可以看出,2011年6月4~20日连续降雨期,覆盖层粉土和砂层基质吸力均为0,砂层和粉土层接近饱和,其间监测到的渗漏现象将在下文进一步分析.
3.
4极端气象段渗漏分析2011年是杭州市的丰水年,6月份累计降雨538.
6mm,约为2010年同期降雨量(2010年6月降雨207.
7mm)的2.
5倍.
6月上、中旬(1日至20日)连续降雨450.
3mm(见图12和表3).
期间监测到3次渗漏事件,累计渗漏量为0.
95mm.
图12列出了该时段日降雨量和各水量随时间变化发展情况.
由图可见,6月4日、14日、15日、18日和19日的单日降雨量达50mm以上,其中15日、18日和19日均发生渗漏.
6月1日覆盖层含水量为122mm,连日降雨覆盖层含水量逐步上升,6月19日达到178mm,期间覆盖层存储水量图10监测期内覆盖层适时总储水量变化Fig.
10Totalwaterstoragewithrealtimeincoverduringmonitoringperiod图112011年6~9月覆盖层粉土不同深度基质吸力Fig.
11MatrixsuctionofsiltincoverfromSeptembertoJunein20111106浙江大学学报(工学版)第53卷净增加量ΔS=51mm,占降雨量的11.
33%.
在18、19日土层含水量已经略微超过覆盖层含水量上限(Sfc=170.
98mm),这与水分在土层中从上往下运移滞留,最终经砂层导排或底部渗漏等排出较慢有关.
表3列出了该气象段各水量的累计值和比率.
可见总降雨450.
30mm,砂层导排163.
50mm,占降雨量的36.
31%;坡面径流144.
28mm,占降雨量的32.
04%;腾发90.
57mm,占降雨量的20.
11%.
三者累计占总降雨量的近90%,是水分耗散的主要途径;同时砂层侧向导排量较大,导排作用可观.
其中6月18、19日,砂层导排流速峰值qmax达8.
24L/h,经换算渗透系数Kr=3.
42*104m/s,已接近其饱和渗透系数Ks(3.
84*104m/s),这说明碎石界面处的砂层几乎已达饱和.
从水分在覆盖层中的运移过程来看,非饱和导排砂层是其最后一道防渗屏障,而当流速达到其饱和渗透系数时,砂-碎石界面毛细阻滞作用已失效.
这为该土质覆盖层在实际工程中监测渗漏提供了预警作用.
3.
5覆盖层土体结构劣化观测对覆盖层土体微观结构进行观察和测试.
2011年末到2012年初冬季,杭州市出现了较大的降雪事件,覆盖层经历了冷暖、冻融循环气候的严峻考验.
由图13可见,冬季覆盖层植被凋零(麦冬草已近枯黄);由图14可见,粉土层含水量较高,麦冬草的根系深度还未深入到粉土和砂层,土层结构均匀完整,未见因干湿循环产生的裂隙、裂缝等.
这一方面是由于杭州气候湿润,降雨丰沛,土层未经历严重的干旱事件;另一方面因粉土有别于黏土,粒径较大,湿胀干缩和开裂现象不明显.
初步观测结果表明:在中国东南沿海(如杭州市)自然气候下,干湿、冷暖和冻融循环作用对该覆盖层土体结构的劣化作用不明显.
此外对粉土层进行取样,相关的导水、储水性能有待进一步详细测试.
4实验讨论与改进本文对添加非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层进行了持续2年的长期监测.
在长期的监测实验过程中,发现存在一些不足,还需进一步改进.
比如:覆盖层模型仅考虑了排水坡度最大(1∶3)、表32011年6月1~14日极端气象条件下覆盖层各水量分配及比率Tab.
3Waterdistributionandratioofcoverinextrememeteorologicalconditionsin1st~14thJune,2011水量名称绝对值/mmr/%水量名称绝对值/mmr/%W450.
30100.
00E90.
5720.
11L163.
5036.
31ΔS51.
0011.
33R144.
2832.
04Pr0.
950.
21图122011年6月1~20日极端气象条件下覆盖层水量分配Fig.
12Waterdistributionofcoverinextrememeteorologicalconditionsin1st~20thJune,2011图132011年杭州强降雪条件覆盖层植被生长情况Fig.
13Statusofvegetationgrowthofcoverinheavysnow-fallconditionsofHangzhouin2011图142011年杭州强降雪事件中覆盖层粉土结构Fig.
14StructureofsiltofcoverinheavysnowfallconditionsofHangzhouin2011第6期焦卫国,等:含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层长期性能分析[J].
浙江大学学报:工学版,2019,53(6):1101–1109.
1107侧向排水作用最有利的情况.
然而在中国填埋场实际生产中,封场后会由于垃圾降解导致排水坡度小于1∶3,甚至会出现覆盖层不均匀沉降或局部沉陷等,显然这将对砂层侧向排水效率产生一定削弱作用.
此外,在填埋场覆盖层近50年的长期服役过程中,动、植物对土壤结构的改变(如动物凿穴、根系生长、发育和腐烂等)进而影响土体水力特性,甚至在土体结构中发生优先流而直接击穿覆盖层发生渗漏.
在本文的研究工作中,还尚未发现该现象,因此,继续进行更长时间的监测工作.
5结论(1)两年监测期内腾发作用、坡面径流和侧向导排三者约占总降雨量的90%.
侧向导排量为581.
77mm,占总降雨量的16.
87%,导排作用明显;累计渗漏量为2.
62mm,显著低于北美湿润气候区土质覆盖层的防渗标准,防渗效果较好.
(2)中国东部湿润气候区与北美部分湿润气候区有着显著的区别:每年4~11月自然降雨、气温和腾发作用三者高峰期重合、雨热同期;同时砂层的侧向导排减轻了覆盖层在雨季因降雨较多而发生渗漏的问题;12月~次年3月气温低,腾发作用弱,但降雨量也相对较少,增设的非饱和砂层导排作用可观,避免了北美地区类似毛细阻滞覆盖层出现渗漏的现象.
(3)有别于黏土,含非饱和导排层(UDL)的毛细阻滞覆盖层主要由粉土、砂和碎石等非胀缩性土构成;湿胀干缩性和开裂现象不明显.
在中国东南沿海如杭州市的自然气候条件下,干湿、冷暖和冻融循环气候对该覆盖层土体结构的劣化作用不明显.
为全面反映含非饱和导排层(UDL)毛细阻滞覆盖层在中国东部湿润气候区的长期服役性能,还需进一步开展更大尺度和更多自然水文年的长期监测.
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