基本参数

1复合排水网的介绍
用于垃圾填埋场封场覆盖系统排水层的复合排水网由排水网与土工布复合而成的。其核心部分为排水网。常用的有两种不同类型的排水网：二维土工网与三维土工网。二维土工网由两层相互交叠的肋条构成；而三维土工网由三层交错的肋条构成，中间一层肋条刚性很大，呈垂直分布，形成排水通道。
排水网与单面或双面土工布复合成为复合排水网。对双面土工布的复合排水网而言，上层土工布对邻接的土体起到反滤作用，下层土工布能增加它与下层粗面土工膜之间的摩擦力。在垃圾的边坡处施工时，复合排水网尤能显示其优点。图1为典型的垃圾填埋场覆盖系统。

图1一种典型的封场覆盖系统
1.2复合排水网的性能
复合排水土工网重要的工程参数包括：①土工网或复合排水网在设计荷载及边界条件下的平面导水率；②土工布的渗透性；③材料的抗拉强度；④与邻接土体或其它接触层的摩擦系数。
由于导流的液体及承受的垂直荷载，横向排水土工材料的性能会随着时间而降低。为了保证复合排水网的长期性能，要求排水土工材料在整个设计年限内都具有充分的导水率。长期导水率由下面的公式表示：

=实验室测得的导水率
RFin=弹性变形或相邻土工布嵌入排水通道的折减系数；
RFcr=排水网芯材蠕变和（或）相邻土工布嵌入排水通道的折减系数；
RFcc=排水网芯材空间内化学淤堵和（或）化学沉淀折减系数；
RFbc=排水网芯材空间内生物淤堵折减系数；
用于封场覆盖系统排水层的复合土工网各种折减系数如表1所示。
表1复合排水土工网导水率建议折减系数

一般而言，厚度为30cm，渗透率为0.01cm/s的垃圾填埋场天然材料排水层的导水率为3×10-5m2/s。根据美国环保局的设计指导，复合排水网替代天然排水层的一个原则是等效性，也就是说，复合排水网的排水能力应与上述天然排水层的排水能力相当。但是，不能简单地认为使用导水率相当的土工材料代替天然排水材料，必须考虑水力梯度和水头的影响。天然材料能够承受更大的水力梯度和水头，所以土工材料必须要求更大的导水率才能达到相当的应用效果。要求的复合排水网导水率必须大于天然材料排水层的导水率乘以等效因素E，对于水头为30cm的天然排水层，等效因素可以通过下面的公式计算：

其中L=坡长
β=坡度
2复合排水网排水设计原理
2.1复合排水网导水率计算
填埋场的封场覆盖系统普遍为3:1或4:1（水平:垂直）的顶面坡度，排水层（本文中排水层由复合排水网构建）目的是将封场覆盖土层中降雨下渗水排走。设计时只考虑封场覆盖土层饱和，不计表面径流层厚度。在饱和状态下，进入复合排水网的下渗水流量可以很容易确定，水在向下单位水力梯度下流动，其渗流速度等于封场覆盖土层的渗透系数，如图2。

图2填埋场封场覆盖系统渗流和复合土工材料排水层
应用达西定律，进入复合排水网的流量为：

从坡址处复合排水网排出的水量为：

式中 ks=覆盖保护土层的渗透系数，m/s；
kg=复合排水网的渗透系数，m/s；
Lh=土工复合排水网排水方向的水平长度，m；
θr=复合排水网要求的导水率，m2/s；
t 为复合排水网的厚度，mm。
当进入复合排水网的流量等于排出的流量，可求得必须的导水率：

考虑到复合排水网的蠕变折减系数，嵌入折减系数生物和化学淤堵系数等影响，选用的复合排水网的导水率要求达到的数值为：

式中Fsd 为复合排水网设计安全系数，一般取2。
根据计算得到的 θu ，再考虑排水体的水力梯度i = sin β 和上覆压力p(主要为覆盖土层及表层土压力，见图1)以及复合排水网的等效替代因素，选择不同厚度和不同水力梯度下的导水率，并选择相应的材料。表2 为某种复合土工网技术指标，导水率与复合排水网厚度 t、上覆压力p 及水力梯度i 相关。
表2 某复合排水网不同压力下的厚度和不同水力梯度下的导水率

3.2 封场覆盖系统排水层
影响封场覆盖系统稳定性的主要因素有：隔离层（LLDPE膜）上产生的渗流压力、孔隙水压力以及隔离层下的气体压力；施工方式对其稳定也有影响；在地震区，还应考虑地震对封场覆盖系统稳定的影响。在本文中，我们仅仅对渗流压力及孔隙水压力对封场覆盖系统稳定性影响进行论述。如果横向排水系统具有足够的导水性，能允许渗透水无拘束流动，那么渗流压力和孔隙水压力都可以消除。接下来，本文将集中论述如何计算及选用满足排水要求的复合排水网。
2.2.1渗流压力对封场覆盖系统稳定性的影响
在垃圾填埋场封场覆盖系统渗流压力计算中，比较难以准确地确定渗流水的最大流量。但在计算时，可使用渗流水流量的极大情况(即上覆土层饱和时)进行计算。在这种条件下，可应用无限长土坡模型进行渗流力计算，如图3所示，作用于封顶土层上的最大渗流力为：

式中β——坡角，度；
h——上层覆盖土铅直方向的厚度，m；
=水的容重，kn/m3。
则坡体稳定安全系数为

式中δ——土工复合排水网与土或与下面土工膜之间界面摩擦角的较小值；
γ"和γsat——坡面土体的浮容重和饱和容重，一般γ"近似等于0.5γsat。
当土工复合排水网有足够排水能力时，沿坡面的渗流压力可忽略，则安全系数Fs变为

对一般4:1（水平:垂直）的边坡，要达到Fs=1.5，当坡面土不饱和时，需要的最小界面摩擦角为20.5°，饱和时需要的最小摩擦角为36.8°。无纺布和大部分糙面土工膜或者上覆保护土层的摩擦角一般都超过20.5°，但是，36.8°的界面摩擦角超过了填埋场封场覆盖系统的常用材料的剪切强度，由于封场覆盖土层的饱和导致的结果是滑坡。为避免这种危险**效地解决方案是提高排水层的排水能力，避免渗流压力。

图3 无限长土坡模型示意图
2.2.2 复合排水网排水能力计算
通过上覆土层的渗流表面水会聚积在隔离层(LLDPE)上，如果不排出，就会产生危险的孔隙水压力。同样，为避免孔隙水压力的影响，排水层必须具有足够的排水能力。当上覆土层饱和时，渗入排水层的水量最大。在设计时，可以根据这个极限值进行计算。
如果上覆土层饱和，则水力梯度i等于1（单位梯度），渗流速度等于土体的渗透系数。渗流速度等于上覆土层的渗透系数，渗透到复合排水网的水流速度可直接在一个单位梯度下计算。上覆土层典型渗透率为1 x 10-5~1x10-3 cm/sec。进入长度为L的单位宽度复合排水网的水量Qin为

kveg=上覆土层渗透率，cm/sec；I=上覆土层水力梯度,饱和时为1；A=单位宽度，长为L的复合排水网的有效面积，m2。
应用达西定律，排水层排出的水量：

其中，t =为排水网的厚度，m；i=为水力梯度，A =单位宽度复合排水网截面积，m2 ；[kt]=材料实际导水率θ，对于坡体来说，水力梯度等于sinβ, β 为坡角。
复合排水网排水层的排水能力安全系数FSdc可定义如下：

填埋场封场覆盖系统排水层的最小安全系数建议值为6，相当于排水安全系数和折减系数的乘积。在导水率θ 受到限制时，可以通过在边坡上修建沟槽来减小坡长L，提高安全系数，如图4 所示。

图4垃圾填埋场封顶边坡沟槽示意(图中土工合成材料排水层由复合排水网构建)
对于坡度为4:1到3:1的典型坡体，植被土层渗透率取值1x10-4cm/s，相邻两沟槽之间的垂直间距为8到12米，假定的长期折减系数为6.0，可得出土工材料要求的导水率为4.5x10-4~1.2x10-3m2/m。可以看出要求的导水率与封场覆盖土层的渗透率成正比，如果选用的复合排水网导水率大于这个设计值，则LLDPE膜上最大潜在水头小于复合排水网的厚度，符合无拘束水流的要求。否则应按公式(6)，减小Lh，采取中间增设排水沟槽等方式，以减少对复合排水网格导水率的要求。
2．泰州市罡杨生活垃圾卫生填埋场封场排水系统设计
泰州市罡杨生活垃圾卫生填埋场填埋高度32m，采用3:1(水平:垂直)边坡，到达设计标高后采用5%缓坡封顶。3:1(水平:垂直)**处约80m，被排水沟分隔成长度为35~55m不等的坡面，5%缓坡**处约90m。
3.1封场覆盖系统边坡稳定性分析
对1:3的边坡：
在组成封场覆盖系统的所有层中，取最小的界面摩擦角28°，则在复合排水网及填埋气排放系统设计得当，封场覆盖系统不受影响的前提下，边坡稳定的安全系数计算为：

若排水层设计排水不足，导致覆盖土层完全饱和，则：

则封场覆盖系统被破坏的可能性比较大。
对5％的边坡：

若排水层设计排水不足，导致覆盖土层完全饱和，则：

可见1:3的边坡为最危险边坡，封场覆盖系统排水层必须具备足够的排水能力。
3.2 复合排水材料导水率的选择
上层覆土的渗透率为Ks＝1×10-4 cm/s，当封场覆盖系统土层饱和时，由公式（3）：

复合排水网排出的水量应为：

由公式（5），

考虑折减系数，由公式（6）：

由3.1 计算可知，5％边坡安全系数较高，封场覆盖系统排水层导水率的选择可参照3:1(水平:垂直)边坡选用。

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