课题基金 / 基金详情

垃圾填埋场中泡沫诱发高气压形成机理及对堆体稳定影响研究

批准号:
52108348
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
胡杰
依托单位:
学科分类:
岩土与基础工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡杰

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
垃圾降解产生填埋气淤积在堆体内从而形成高气压,极易诱发堆体失稳流滑及填埋气扩散爆炸等环境灾害,以往将填埋气视为连通气会严重低估气压大小。申请人通过长期现场勘察发现部分填埋气以泡沫这种离散相气体形式存在,而目前关于填埋场中泡沫流研究尚属空白。本项目拟通过CT扫描测试、孔隙网络模型及微流控芯片试验研究泡沫在垃圾孔隙内的微观流动过程,采用垃圾柱驱替试验定量刻画泡沫与连通气在垃圾中宏观流动特性的差异。基于泡沫微观-宏观运移特性的研究,提出泡沫相对渗透系数krf与饱和度Sw的渗流本构关系,从而建立填埋场中含水、气、泡沫的三相渗流模型,模拟填埋场高气压带形成过程,并数值分析其对堆体稳定性影响。通过超重力模型试验再现高液气压力共同诱发填埋边坡失稳过程,研究边坡滑移模式并提出考虑高气压的稳定分析方法,为填埋场稳定性评估与灾害防控提供理论和实测依据。
英文摘要
Biodegradation of municipal solid waste (MSW) produces a large amount of landfill gas (LFG) to be trapped in the waste body, resulting in the formation of high gas pressure. It can easily cause environmental disasters such as slope failure, landfill gas diffusion and explosion. The assumption that LFG is a connected phase in MSW leads to underestimation of the gas pressure. The applicant finds that part of the landfill gas exists as foam in landfills through long-term site investigation. However, there are no reported studies on investigating foam flows in landfills. In this project, the CT scanning test, pore network model and microfluidic chip test are carried out to study the microscopic flow of foam in waste pores. The difference between foam flow and connected gas flow in waste is quantitatively characterized by the displacement test of waste column. Based on the study of the micro-macroscale flow behaviors of foam, the constitutive relation between foam relative permeability krf and saturation Sw is proposed, so as to establish a three-phase flow model with liquid, gas and foam in landfills. The model is used to simulate the formation process of high gas pressure, and analyze its influence on the slope stability of landfills. The process of slope failure induced by high liquid and gas pressures is reproduced by the hypergravity model test. The slope sliding mode is studied and the stability analysis method considering high gas pressure is proposed. The outcome from this project will provide theoretical and practical basis for the stability assessment and disaster prevention of landfill site.
垃圾降解产生填埋气淤积在堆体内从而形成高气压,极易诱发堆体失稳流滑及填埋气扩散爆炸等环境灾害,以往研究将填埋气视为连通气会严重低估气压大小。本项目发现填埋气与渗滤液相溶后产生泡沫这种特殊的离散相流体,泡沫容易封堵孔隙并阻滞气体流动,是填埋场高气压形成的关键性诱导因素,而以往关于填埋场泡沫流研究尚属空白。为此,本项目专注于研究垃圾中泡沫产生、运移及封堵孔隙过程,目标揭示高气压形成及诱发边坡失稳机制。首先采用CT扫描测试不同上覆压力下垃圾孔隙的可视化图像,统计分析孔隙尺寸分布信息,并重构出孔隙网络模型,可用于微观尺度泡沫渗流模拟。然后测试不同深度渗滤液的起泡及稳泡性能,建立渗滤液泡沫综合值与COD含量关系。再者分别开展饱和垃圾柱的泡沫驱替及连通气驱替试验,发现泡沫渗透系数比连通气低1~2个数量级,采用稳态法首次测得泡沫非饱和渗透系数曲线。在试验基础上,建立考虑泡沫动态生成与破灭的总量平衡模型,针对国内某填埋场实测高气压案例,利用泡沫总量平衡模型准确模拟高气压带时空分布,而传统水气两相流模型会显著低估填埋场深层高气压。最后开展超重力离心试验模拟泡沫诱发高气压形成及填埋边坡失稳过程,对试验过程中堆体位移及孔隙气压进行监测。分析高气压诱发边坡失稳滑移模式及临界触发条件,提出填埋安全警戒气压比,为填埋场稳定性评估与监测预警提供理论和实测依据。本项目深入研究泡沫这种离散相流体的渗透特性及模型,突破了以往水气连通两相流的局限性,显著提升了填埋场多相流认识水平。本项目执行期间,项目负责人发表一作/通讯SCI论文9篇,包括岩土工程三大TOP期刊Géotechnique、Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering、Canadian Geotechnical Journal论文5篇,固废管理领域TOP期刊Waste Management论文2篇,以第一发明人获授权国家发明专利3项。项目负责人由博士后晋升为浙江大学百人计划研究员、博士生导师,并荣获国际土力学与岩土工程学会ISSMGE Bright Spark Lecture Award,在第九届国际环境土工大会作特邀报告。
基于消泡抽水与注气驱水的存量垃圾原位脱水机理及应用研究
  • 批准号:
    42372303
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    53万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    胡杰
  • 依托单位:
国内基金
海外基金