垃圾填埋场新技术：防渗墙渗流规律分析

为了确保防渗墙在实际工程中能正常使用，需要了解防渗墙的渗流规律如防渗墙对渗滤液中污染物的吸附阻滞机理、渗滤液在防渗墙中的渗透速度及周边土体中的孔隙水压力分布和水头高度分布等。研究防渗墙渗流规律时由于渗滤液等流体的运移难以被精确检测，且实际工程中常常因工作量较大使得定量实验分析极为困难，因此常采用有限元分析方法对防渗墙的渗透性能进行分析。很多学者已将有限元数值模拟方法与实际工程结合起来，不仅可以检验工程的合理性与安全性，分析得到的结果也能为防渗墙工程设计提供指导。

解决渗流问题时需要确定自由面位置，这是一个重要的计算步骤。确定渗流自由面可以了解流体在土体中的主要分布情况及特性，后续的计算分析在基于自由面已确定的条件下才能继续进行。过去求解渗流自由面常使用解析法或根据经验公式计算，面对较复杂的渗流问题则采用流网法或通过模拟实验处理，这样既费时且误差较大。随着计算机技术的发展，数值计算方法逐渐应用于渗流计算中，其中有限元法已在近年不断得到完善，成为解决渗流问题的重要手段。有限元法求解自由面一般分为变网格法和定网格法两类。

变网格法应用较早且原理相对简单。通过经验假定一个自由面，再以此为边界条件计算各单元的水头h并代入控制方程h=z检验是否符合，若不符合则不断调整假定自由面的位置直至符合，最终自由面的位置会随着逐步迭代而趋向收敛。这种方法虽然计算结果必定收敛，但其缺点十分明显。当假定自由面与实际自由面差距过大时，反复变动网格会使得计算时间非常长；由于网格移动的规则不合理容易引起计算过程中的网格畸形；若计算区域内介质性质发生变化或存在结构物时也难以处理且存在误差。因此，当前对变网格法的应用已逐渐减少。

定网格法和变网格法的区别在于减少了单元网格的移动从而减少了误差，目前定网格法已成为有限元法解决渗流问题的主要方向。定网格法主要包括以下几种：

①剩余流量法。该方法首先根据边界条件利用有限元法求得给定点的水头值，由水头值确定初始自由面，接着计算自由面以上的节点剩余流量。若剩余流量为0，则说明计算得出的自由面为渗流自由面；若剩余流量不为0，则继续迭代水头值直至剩余流量为0。

②初流量法。该方法通过不断计算渗流区域内高斯点的水头值来确定初始自由面，再根据求得的各节点的累计初流量来调整自由面位置直至初流量绝对值收敛到某一范围内，此时得出的即为渗流自由面。增加节点数可以提升计算的收敛度，对自由面及边界处的网格进行细化或根据模型选取合适的网格形状可以提高计算的精度，减少问题的复杂性。(https://www.xing528.com)

③节点虚流量法。该方法引入了渗流虚区的概念，认为初流量法求得的渗流自由面没有考虑渗流虚区的流量对自由面的影响，因此，在初流量法的基础上将控制矩阵中的节点虚流量逐渐转换为等效节点流量，经过连续计算使得最终渗流实区中不再有虚区流量，得到的即为准确的自由面。

④虚单元法。该方法的原理是通过计算调整自由面位置。每进行一次节点水头计算便对自由面的位置进行调整，使其节点落在与单元边线的交点上。每次求出的自由面将计算区域划分为渗流实区与虚区并将虚区排出计算区域，经过不断迭代调整，最终结果将逐渐逼近真实的自由面。

马明瑞等研究了在水库蓄水水位变化时土石坝坝体的流场及渗流情况，采用二维渗流有限元分析软件为水库确定了最佳防渗方案。分析结果表明，库水位增高会导致浸润线高度上升及渗透量的增加；库水位的高度越高上游越危险；防渗墙深度对下游安全系数的影响较大。辛欣以苏洼龙水电站的土石坝防渗墙为研究对象，采用饱和/非饱和渗流本构模型分析了防渗墙的渗流规律并得出优化的防渗墙厚度，结果与莱茵法计算结果结合得出最终的防渗墙厚度。经验算，当防渗墙厚度取40.5 m时防渗效果较好，各项参数均在防渗标准及安全范围之内。高江林等采用饱和/非饱和渗流本构模型分析了不同质量缺陷对防渗墙渗流情况的影响。分析结果表明，墙底沉渣对渗流的影响不大；渗透系数过小并不会显著提升防渗效果，反而会加大成本；墙体未入岩会导致防渗墙无法截断渗流通道，使得渗流场变化非常大；墙底开叉会抬高浸润线高度，进而影响渗流稳定性。

Liu等基于ABAQUS的二次开发程序建立了一个水位下降工况的水库边坡数值模型，并以此分析非饱和土的土水特征曲线方程中拟合参数对浸润线位置和边坡安全系数的影响。结果表明，在这3个参数中，参数a，n对安全系数影响较大；参数m对安全系数影响较小。Mao等基于非饱和土渗流模型对恰拉水库周边农田组合防渗措施进行计算，分析有无防渗设施时地下水深度与排水沟深度和位置的关系，并对下游边坡稳定性进行分析。数值分析与现场试验验证的结果表明，农田地下水埋深呈“漏斗状”下降趋势。Wu等研究了降雨入渗情况下土坡的渗流及变形稳定情况，采用界面渗流本构模型求解了入渗时边坡的耦合偏微分方程并分析了降雨对边坡的影响。分析结果表明，各向异性对孔隙水压力的影响与非饱和土坡的深度和位置有关。当边坡横向渗透系数与竖向渗透系数之比超过1时，部分饱和边坡的安全系数相对较高。Huang等对海堤防渗墙在快速涨落潮时的非稳定渗流进行模拟分析，基于模拟结果和监测值构建了反分析函数并将反分析确定的渗透参数用于非稳定渗流计算。结果表明，计算结果与监测结果吻合，该方法合理可行。Liu等使用非饱和渗流本构模型模拟了降雨入渗及地表径流的产生，通过模拟非饱和渗流过程来求解地表径流方程。在此基础上提出了一种有限元计算的求解方式。根据对比实验发现，该求解方式计算的结果与传统方法相比更加精确。

由此可见，采用计算机有限元渗流分析软件为防渗墙及周边区域建立数值模型，按照实际工程条件设置合适的水头边界条件，并赋予相应的土层属性，最后分析计算得出需要的云图和数据走势图等。将室内模型箱的数值分析结果数据和模型箱记录数据对比，结合对实际工程的有限元分析得出与实际相符合的防渗墙渗透规律，根据这些规律可以为实际垃圾填埋场防渗墙的设计提供参考。