CN111175474B - 考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，包括：主体模型箱，所述主体模型箱内设置有活动钢板、活动支架、透水石板、通气孔及传感器预置孔；气热循环系统，所述气热循环系统用于控制气体循环强度及温度；活动式顶盖，所述活动式顶盖设有花洒，连通水箱提供化学溶液；模拟层，所述模拟层设置有生活垃圾和封顶覆盖系统；数据采集系统，所述数据采集系统由各传感器分别收集垃圾及封顶覆盖系统相关数据。本发明简单易行，充分模拟了热‑水‑力‑化‑气‑生多场耦合环境，帮助研究人员了解填埋过程中垃圾堆体中的渗透、力学和变形演变规律以及黏土类封顶覆盖系统的性能演化机理，有效促进工程处置方法及基础理论的发展。

Description

考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统

技术领域

本发明涉及地质工程及环境岩土工程技术领域，特别涉及一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统

背景技术

生活垃圾无害化处理主要以焚烧法、堆肥法和填埋法为主，其中填埋法因具有工艺简单、处理量大等优势，目前仍为处理生活垃圾的主要手段。近年来，随着生活垃圾清运量逐年递增，导致众多垃圾填埋场剩余填埋空间不足，进而带来了填埋封场及填埋安全等一系列问题。

填埋场封顶覆盖系统是垃圾堆体与外界环境的一道关键屏障，具有雨污分流、减少渗滤液产生及促使填埋气体收集等重要作用。然而，填埋场封顶覆盖系统常受到填埋场恶劣环境的影响，进而导致覆盖系统破损、冲蚀、沉降、滑坡及坍塌等。这些恶劣环境主要包括：夏季暴晒、大气降雨、垃圾堆体坡度过高、渗滤液腐蚀、微生物降解垃圾后的气体迁移等。因此，垃圾填埋场封顶覆盖系统常在“热-水-力-化-气-生”(即温度-渗流-力学-化学-气体-生物)的多场耦合作用工况下长期运营，封顶覆盖系统材料性能面临巨大的考验。

我国对于垃圾填埋覆盖系统的发展历史较短，相关理论和经验比较欠缺，众多填埋场封顶覆盖系统因破损、坍塌等问题而不能长时间运营。因此，覆盖系统的材料选择及施工设计得到了相应的发展，如申请号为201410456697.3的专利公布了一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，采用垃圾焚烧炉渣替代人工材料并加入堆肥产品及生物炭，提供了一种以废治废的覆盖系统；如申请号为201720026975.0的专利公布一种垃圾填埋场封场覆盖系统，系统中各组分材料通过土工膜固定连接，得到了密封效果好、渗透系数低的覆盖层；申请号为201810660330.1的专利公布了垃圾填埋场封顶层及其制备方法及应用，其将建筑垃圾与天然土壤构成主要材料，具有取材简便、耐久性好等优点。然而，现有的各类封顶覆盖系统的发展过程技术改进思路却无法得到验证，在长期复杂的填埋环境其性能及寿命难以得到有效评估。

发明内容

本发明提供了一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其目的提供一种具有热-水-力-化-气-生的多场耦合环境的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，用于评估封顶覆盖系统的性能及寿命。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，包括：主体模型箱、气热循环系统、水箱、模拟层、数据收集系统和溶液收集系统。

所述主体模型箱的顶部安装有活动式顶盖，所述活动式顶盖的顶部开设有溶液补给孔，所述溶液补给孔与所述水箱连通，所述活动式顶盖底部设置有花洒，所述花洒与所述溶液补给孔连通；所述主体模型箱的两侧均开设有通气孔，所述通气孔用于连通所述气热循环系统；所述主体模型箱的一侧开设有传感器预置孔，所述主体模型箱内设置有多个传感器，所述传感器通过所述传感器预置孔电连接所述数据收集系统；所述主体模型箱内部设置有一活动钢板，所述活动钢板的中部嵌设有透水石板，所述活动钢板的一端通过铰接工件铰接在所述主体模型箱的一侧底部，所述活动钢板的另一端通过活动支架活动地架设在所述主体模型箱的另一侧；所述主体模型箱底部均匀嵌设有多块透水石板，所述透水石板的底部连通所述溶液收集系统；所述模拟层设置在所述主体模型箱内，所述模拟层包括生活垃圾和封顶覆盖系统，所述生活垃圾设置在所述活动钢板上方，所述封顶覆盖系统设置在所述生活垃圾的上方。

其中，所述气热循环系统包括：气泵和温度加热控制器，所述气泵的气体输入端与所述主体模型箱一侧的所述通气孔连通，所述气泵的气体输出端连通所述温度加热控制器的输入端，所述温度加热控制器的输出端连通所述主体模型箱另一侧的所述通气孔。

其中，所述数据收集系统包括：数据收集器和电脑，所述电脑与所述数据收集器电连接，所述数据收集器与多个所述传感器电连接。

其中，所述传感器的种类包括湿度传感器、温度传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器，多个所述传感器分别埋入所述生活垃圾和封顶覆盖系统内。

其中，所述溶液收集系统包括：收集瓶和软管，所述收集瓶通过所述软管与设置在所述主体模型箱底部的透水石板连通。

其中，所述生活垃圾内部添加有微生物菌落。

其中，所述水箱内可含有不同的化学溶液。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，通过设置主体模型箱来模拟垃圾填埋及封顶覆盖系统施工过程，其中活动式顶盖上的花洒工作时能够有效模拟实际环境中雨水情况，为试验提供水力因素及各种化学溶液对于封场覆盖层的影响；气热循环系统能够为试验提供与实际工程环境相同的空气流通及气温变化情况；活动钢板能够调节角度，从而贴近现实垃圾填埋的地形情况；生活垃圾内添设有微生物菌落用于模拟现实生活中垃圾填埋时微生物情况，并且为试验过程提供生物因素的影响；数据采集系统及溶液收集系统保证了相关数据的收集。本发明简单易行，充分模拟了热-水-力-化-气-生多场耦合环境，能够还原填埋过程中实际情况，实时监测生活垃圾在填埋过程中变形，同时可以评估并考察封顶覆盖系统性能。本发明能够帮助研究人员了解填埋过程中生活垃圾堆体中渗透、力学和变形演变规律，以及黏土类封顶覆盖系统的性能演化机理，有效促进工程处置方法及基础理论的发展。

附图说明

图1为本发明的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统的结构示意图；

图2为本发明的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统的主体模型箱结构示意图；

图3为本发明的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统的气热循环系统结构示意图；

图4为本发明的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统的数据收集系统结构示意图；

图5为本发明的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统的主体模型箱底部结构示意图。

【附图标记说明】

1-主体模型箱；2-气热循环系统；3-水箱；4-数据收集系统；5-溶液收集系统；6-活动式顶盖；7-溶液补给孔；8-通气孔；9-传感器预置孔；10-活动钢板；11-透水石板；12-活动支架；13-生活垃圾；14-封顶覆盖系统；15-有机玻璃；16-气泵；17-温度加热控制器；18-数据收集器；19-电脑；20-收集瓶；21-软管；22-铰接工件。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的缺少结合多场耦合作用的封场覆盖层试验系统从而较难验证其性能及寿命的问题，提供了一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统。

实施例1：

如图1至图5所示，本发明的实施例提供了一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，包括：主体模型箱1、气热循环系统2、水箱3、模拟层(生活垃圾13和封顶覆盖系统14)、数据收集系统4和溶液收集系统5；所述主体模型箱1的顶部安装有活动式顶盖6，所述活动式顶盖6的顶部开设有溶液补给孔7，所述溶液补给孔7与所述水箱3连通，所述活动式顶盖底部设置有花洒，所述花洒与所述溶液补给孔7连通；所述主体模型箱1的两侧均开设有通气孔8，所述通气孔8用于连通所述气热循环系统2；所述主体模型箱1的一侧开设有传感器预置孔9，所述主体模型箱1内设置有多个传感器，所述传感器通过所述传感器预置孔9电连接所述数据收集系统4；所述主体模型箱1内部设置有一活动钢板10，所述活动钢板10的中部嵌设有透水石板11，所述活动钢板10的一端通过铰接工件22铰接在所述主体模型箱1的一侧底部，所述活动钢板10的另一端通过活动支架12活动地架设在所述主体模型箱1的另一侧；所述主体模型箱1底部均匀嵌设有多块透水石板11，所述透水石板11的底部连通所述溶液收集系统4；所述模拟层设置在所述主体模型箱1内，所述模拟层包括生活垃圾13和封顶覆盖系统14，所述生活垃圾13设置在所述活动钢板10上方，所述封顶覆盖系统14设置在所述生活垃圾13的上方。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，实现了热-水-力-化-气-生多场耦合环境的模拟，首先将所述主体模型箱1底部的透水石板11上放置好滤纸，然后接入所述溶液收集系统5；随后将所述活动钢板10铰接在所述主体模型箱底部1使其能够以铰接工件22为轴自由转动，所述活动钢板10的另一端通过所述活动支架12架设在所述主体模型箱1的另一端，然后将滤纸放置在所述活动钢板上，所述活动支架12的高度可调，使得所述活动钢板10的两端有一定高度差，进而使所述生活垃圾13填入时拥有一定坡度，还原了现场垃圾所处环境，以此模拟不同坡度环境下的垃圾填埋情况；随后，向所述主体模型箱1内部填入所述生活垃圾13，同时埋入所述传感器；所述生活垃圾13填入一定高度后，将封顶覆盖系统(如压制好的红黏土-膨润土混合土材料)14填入，同时埋置各类所述传感器，将埋置好的各类传感器线路通过所述传感器预置孔9连接至所述数据采集系统4上；随后，将所述气热循环系统2接入所述主体模型箱1两侧上的通气孔8，调节气体流速与气体温度，使所述主体模型箱1在气-热循环的环境条件下进行试验；同时，将活动式顶盖6通过螺丝固定在所述主体模型箱1上，所述活动式顶盖6上的所述溶液补给孔7与所述水箱3相连，此时，打开所述水箱3上的龙头开关，所述活动式顶盖6的所述花洒装置会将所述水箱3中溶液均匀洒落在所述主体模型箱1中，由于所述活动钢板10的中部为所述透水石板11并且放置有滤纸，所述主体模型箱1的底部为一整块有机玻璃15并嵌设有三块所述透水石板11，因此溶液会经过所述封顶覆盖系统14、生活垃圾13、活动钢板10和主体模型箱1的底部的透水石板11最终由所述溶液收集系统5收集起来，此时所述生活垃圾13与封顶覆盖系统14的高度应低于所述传感器预置孔9的高度，否则溶液会从所述传感器预置孔9流出。

如图1至图3所示，所述气热循环系统2包括：气泵16和温度加热控制器17，所述气泵16的气体输入端与所述主体模型箱1一侧的所述通气孔8连通，所述气泵16的气体输出端连通所述温度加热控制器17的输入端，所述温度加热控制器17的输出端连通所述主体模型箱1另一侧的所述通气孔8。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，所述气热循环系统2由所述气泵16提供气体循环动力，由所述温度加热控制器17提供循环气体的温度控制；通过调节所述气泵16的功率，来控制所述主体模型箱1内气体循环强弱；通过调节所述温度加热控制器17，从而向所述主体模型箱1内不断输送不同温度的流通气体，使所述主体模型箱1内保持气-热循环，还原了现场填埋环境。

如图4所示，所述数据收集系统4包括：数据收集器18和电脑19，所述电脑19与所述数据收集器18电连接，所述数据收集器18与多个所述传感器电连接。

其中，所述传感器的种类包括湿度传感器、温度传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器，多个所述传感器分别埋入所述生活垃圾13和封顶覆盖系统14内。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，所述数据收集器18分别电连接多个所述传感器，同时所述传感器的种类包括湿度传感器、温度传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器等多种，因此所述电脑19会接收到来自于所述生活垃圾13和封顶覆盖系统14的温度、湿度、土压力和孔隙水压力等多种信息数据，从而帮助更好的分析垃圾填埋场封顶覆盖系统的性能及寿命，为研究人员了解填埋过程中生活垃圾堆体中渗透、力学和变形演变规律，以及黏土类封顶覆盖系统的性能演化机理提供数据支撑。

其中，所述溶液收集系统5包括：收集瓶20和软管21，所述收集瓶20通过所述软管21与设置在所述主体模型箱1底部的透水石板11连通。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，所述收集瓶20能够收集来自于所述主体模型箱底部1透过透水石板11的溶液，一方面用于研究溶液中化学成分的变化，另一方面通过收集溶液来反映污染的情况。

其中，所述生活垃圾13内部添加有微生物菌落。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，所述微生物菌落可以采用如氧产酸菌、厌氧氨化菌、产甲烷菌和厌氧纤维素降解菌等各类，以此模拟现场生物环境。

其中，所述水箱3内可含有不同的化学溶液。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，所述水箱3内设置的化学溶液可以是蒸馏水或Na₂SO₄、CaSO₄等化学溶液，为所述主体模型箱1提供降水或酸雨环境模拟。

本发明上述实施例所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，设置有所述气热循环系统2还原了填埋现场空气流通及温度变化环境，同时所述活动式顶盖6上所述花洒及水箱的设计，模拟了填埋场中降雨、酸雨的过程；试验过程中，在所述生活垃圾13填埋过程中加入各种微生物菌落，还原现场生物环境；同时，采用所述数据收集系统4实时监测并收集相关数据；基于以上结构，为主体模型箱内部提供了热-水-力-化-气-生的多场耦合环境。本发明专利简单易行，能够帮助研究人员了解填埋过程中生活垃圾堆体中渗透、力学和变形演变规律，以及黏土类封顶覆盖系统的性能演化机理，有效促进工程处置方法及基础理论的发展。

实施例2

参照实施例1的方法，区别在于采用不同的所述封顶覆盖系统14进行试验。所述封顶覆盖系统14进行以下三种试验组进行对照：

(1)自上而下分别设置为：植被层、排水层及压实黏土层；植被层为天然土壤并加入生活垃圾堆肥产品与生物炭，排水层为卵石及砂石铺垫，压实黏土层为压实红黏土。

(2)自上而下分别设置为：植被层、建筑垃圾层、土工膜及压实黏土层；植被层为天然土壤并加入生活垃圾堆肥产品与生物炭，建筑垃圾层为建筑材料垃圾组成，土工膜为高密度聚乙烯，压实黏土层为压实红黏土。

(3)自上而下分别设置为：植被层、建筑垃圾层、土工膜及膨润土防水层；植被层为天然土壤并加入生活垃圾堆肥产品与生物炭，建筑垃圾层为建筑材料垃圾组成，土工膜为高密度聚乙烯，膨润土防水层为压实膨润土。

三组试验均在植被层种植同一种植物，观察试验过程中植物状态，并实时收集底部渗滤液，完成对比。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其特征在于，包括：主体模型箱、气热循环系统、水箱、模拟层、数据收集系统和溶液收集系统；

所述主体模型箱的顶部安装有活动式顶盖，所述活动式顶盖的顶部开设有溶液补给孔，所述溶液补给孔与所述水箱连通，所述活动式顶盖底部设置有花洒，所述花洒与所述溶液补给孔连通；所述主体模型箱的两侧均开设有通气孔，所述通气孔用于连通所述气热循环系统；所述主体模型箱的一侧开设有传感器预置孔，所述主体模型箱内设置有多个传感器，所述传感器通过所述传感器预置孔电连接所述数据收集系统；所述主体模型箱内部设置有一活动钢板，所述活动钢板的中部嵌设有透水石板，所述活动钢板的一端通过铰接工件铰接在所述主体模型箱的一侧底部，所述活动钢板的另一端通过活动支架活动地架设在所述主体模型箱的另一侧；所述主体模型箱底部均匀嵌设有多块透水石板，所述透水石板的底部连通所述溶液收集系统；所述模拟层设置在所述主体模型箱内，所述模拟层包括生活垃圾和封顶覆盖系统，所述生活垃圾设置在所述活动钢板上方，所述封顶覆盖系统设置在所述生活垃圾的上方；

所述主体模型箱的底部为一整块有机玻璃，所述主体模型的底部嵌设有三块所述透水石板，三块所述透水石板沿所述铰接工件至所述活动支架方向依次设置，所述透水石板上设置有滤纸；

所述溶液收集系统包括：收集瓶和软管，每块主体模型箱底部的透水石板的下方均设置有一组所述收集瓶和软管，所述收集瓶通过所述软管与设置在所述主体模型箱底部的透水石板连通。

2.根据权利要求1所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其特征在于，所述气热循环系统包括：气泵和温度加热控制器，所述气泵的气体输入端与所述主体模型箱一侧的所述通气孔连通，所述气泵的气体输出端连通所述温度加热控制器的输入端，所述温度加热控制器的输出端连通所述主体模型箱另一侧的所述通气孔。

3.根据权利要求1所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其特征在于，所述数据收集系统包括：数据收集器和电脑，所述电脑与所述数据收集器电连接，所述数据收集器与多个所述传感器电连接。

4.根据权利要求1所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其特征在于，所述传感器的种类包括湿度传感器、温度传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器，多个所述传感器分别埋入所述生活垃圾和封顶覆盖系统内。

5.根据权利要求1所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其特征在于，所述生活垃圾内部添加有微生物菌落。

6.根据权利要求1所述的考虑多场耦合作用的垃圾填埋场封场覆盖层模型试验系统，其特征在于，所述水箱内可含有不同的化学溶液。

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