一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统

摘要

本发明涉及一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，属于环境工程技术领域。所述的相似模拟系统由人工气候系统、覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统、水流泥沙监测系统以及环境参数控制与采集分析系统组成。该模拟系统可实现垃圾填埋场外部干湿交替、冻融循环以及内部高温等超常环境条件下封场覆盖系统环境演化与防渗失效的相似模拟，并通过数字成像系统、应力-温度-水分监测系统、水流泥沙监测系统动态监测封场覆盖系统内部植被根系生长、裂隙扩展、应力-温度-水分分布、以及表层径流泥沙与下渗雨水量等多种参数，并通过环境参数控制与采集分析系统进行多参数的综合分析。

权利要求

1.一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，其特征在于：所述模拟系统由人工气候系统（1）、覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统、水流泥沙监测系统（10）、环境参数控制与采集分析系统（16）组成，覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统分别设置在人工气候系统（1）内胆内，覆盖系统失效试验平台由矩形模型体承载槽（5）、雨水收集槽（6）、加热板（13）、工字型支架（18）、液压伸缩杆（14）、旋转轴（11）、电子称（12）、防水隔热罩（15）构成，电子称（12）位于人工气候系统（1）内胆底部的承载平台（19）上，防水隔热罩（15）罩在电子称（12）上，工字型支架（18）位于防水隔热罩（15）上方，工字型支架（18）四肢穿透防水隔热罩（15）置于电子称（12），矩形模型体承载槽（5）位于工字型支架（18）上方，旋转轴（11）固定在工字型支架（18）一端的两腿之间，矩形模型体承载槽（5）一端与旋转轴（11）铰接， 液压伸缩杆（14）活塞端头固定在矩形模型体承载槽（5）底部，液压伸缩杆（14）的底座固定在工字型支架（18）中部的横梁上，加热板（13）位于矩形模型体承载槽（5）底部内，雨水收集槽（6）设置在加热板（13）上方，雨水收集槽（6）通过第一管道（9）与水流泥沙监测系统（10）连通，水流泥沙监测系统（10）设置在人工气候系统（1）的外部，径流泥沙收集槽（7）固定安装在矩形模型体承载槽（5）外侧壁上，且位于矩形模型体承载槽（5）的上端，径流泥沙收集槽（7）与矩形模型体承载槽（5）连接处开有收集口，径流泥沙收集槽（7）通过第二管道（8）与水流泥沙监测系统（10）连通，数字成像系统由人工气候系统（1）中的垂直摄像头（2）与固定在矩形模型体承载槽（5）侧壁上的水平摄像头（3）组成，垂直摄像头（2）位于矩形模型体承载槽（5）正上方，水平摄像头（3）位于矩形模型体承载槽（5）一侧面中央，应力-温度-水分监测系统包括两组以上应力-水分-温度传感器组（4），应力-水分-温度传感器组（4）位于矩形模型体承载槽（5）内。

2.根据权利要求1所述的一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，其特征在于：与水平摄像头（3）正对的矩形模型体承载槽（5）壁面采用玻璃材料。

3.根据权利要求1所述的一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，其特征在于：人工气候系统（1）、水平摄像头（3）、应力-水分-温度传感器组（4）、加热板（13）、液压伸缩杆（14）、电子称（12）、水流泥沙监测系统（10）均通过多通过转换器（17）与环境参数控制与采集分析系统（16）连接。

说明书

一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模

拟系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，属环境岩土工程领域。

背景技术

[0002] 垃圾卫生填埋场防渗系统生态安全问题是国家环境保护“十二五”规划优先发展的领域！尤其是填埋场封场覆盖系统的失效控制问题是当前环境保护工程领域亟待需要解决的重大工程难题之一。我国《生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17-2004）推荐采用压实粘土或土工合成材料做成作为封场覆盖系统，即要求防渗黏土层的渗透系数必须小于-71×10 cm/s。然而，我国现有垃圾填埋场绝大多数为简易垃圾填埋场，填埋场运行过程中，垃圾填埋时没有进行分层压实，且由于受不均匀沉陷、雨水侵蚀、干湿冻融循环等因素影响导致垃圾填埋场封场覆盖系统的破坏和功能失效问题更为突出。垃圾填埋场封场覆盖系统开裂问题日趋严峻，其覆盖系统开裂将成为雨水下渗的直接通道，增加垃圾渗滤液泄漏，污染周围水土环境，造成严重的环境地质灾害，已经引起了国际环境岩土工程界的高度关注。

[0003] 填埋场封场覆盖系统作为填埋场最前沿屏障，因其直接与大气接触，受大气干湿循环作用明显，在大气干湿循环作用下易于开裂。在长期降雨时期，土的饱和度增加，而在长期干燥时期，土的含水率减少，同时土中吸力增加。如果土中吸力达到某个极限值，将出现干缩裂缝，粘土阻隔层的密封功能将受到损害。植被根系作为一种特殊的筋材对粘土开裂抑制和强度的提高效果明显且易于工程实现，作为一种绿色屏障已被广泛应用于开挖堆积边坡的保护及粘土开裂破坏防治中。我国填埋场规范亦要求设置植被层对覆盖系统进行保护。但由于植被根系与粘土层的相互作用机理尚不明确，植物根系对具有特性防渗任务的粘土覆盖层土壤性质影响利弊关系无法定量判断，因此在填埋场领域植被的类型及根土覆盖层的厚度受到了严格控制，植被所发挥非功效也仅限于环境与景观改善方面。填埋场封顶覆盖系统根土相互作用理论研究的滞后性，严重制约了填埋场封场覆盖系统植被防护的应用发展。近年来，填埋场封场后公园式生态建设已成为填埋场场地可持续发展关注的焦点，大量长根型植物，如乔木，灌木等，逐渐被应用于填埋场封场后的生态建设当中，植被根系影响范围的扩大进一步加剧了开展植被根系对填埋场覆盖系统在干湿循环作用下开裂特性影响规律研究的迫切性。

[0004] 因此，研发一套垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，实现对不同气候条件下，垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化的相似模拟与防渗失效过程的动态监测，为垃圾填埋场封场覆盖系统的设计提供实验参数。

发明内容

[0005] 针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，该系统可实现不同气候条件下，垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟。

[0006] 一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，所述模拟系统由人工气候系统、覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统、水流泥沙监测系统、环境参数控制与采集分析系统组成，覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统分别设置在人工气候系统内胆内，覆盖系统失效试验平台由矩形模型体承载槽、雨水收集槽、加热板、工字型支架、液压伸缩杆、旋转轴、电子称、防水隔热罩构成，电子称位于人工气候系统内胆底部的承载平台上，防水隔热罩罩在电子称上，工字型支架位于防水隔热罩上方，工字型支架四肢穿透防水隔热罩置于电子称，矩形模型体承载槽位于工字型支架上方，旋转轴固定在工字型支架一端的两腿之间，矩形模型体承载槽一端与旋转轴铰接， 液压伸缩杆活塞端头固定在矩形模型体承载槽底部，液压伸缩杆的底座固定在工字型支架中部的横梁上，加热板位于矩形模型体承载槽底部内，雨水收集槽设置在加热板上方，雨水收集槽通过第一管道与水流泥沙监测系统连通，水流泥沙监测系统设置在人工气候系统的外部，径流泥沙收集槽固定安装在矩形模型体承载槽外侧壁上，且位于矩形模型体承载槽的上端，径流泥沙收集槽与矩形模型体承载槽连接处开有收集口，径流泥沙收集槽通过第二管道与水流泥沙监测系统连通，数字成像系统由人工气候系统中的垂直摄像头与固定在矩形模型体承载槽侧壁上的水平摄像头组成，垂直摄像头位于矩形模型体承载槽正上方，水平摄像头位于矩形模型体承载槽一侧面中央，应力-温度-水分监测系统包括两组以上应力-水分-温度传感器组，应力-水分-温度-基质吸力传感器组位于矩形模型体承载槽内。

[0007] 与水平摄像头正对的矩形模型体承载槽壁面采用玻璃材料。

[0008] 人工气候系统、水平摄像头、应力-水分-温度-基质吸力传感器组、加热板、液压伸缩杆、电子称、水流泥沙监测系统均通过多通过转换器与环境参数控制与采集分析系统连接。

[0009] 由于采用了以上技术方案，本发明的一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，按试验设计要求，将需要模拟的封场覆盖系统模型体置于矩形模型体承载槽中，通过矩形模型体承载槽底部外侧的液压伸缩杆的伸缩可使矩形模型体承载槽一端绕固定在工字型支架一端的旋转轴旋转，以此可调整封场覆盖系统的坡度，位于矩形模型体承载槽底部内侧的加热板温度可从常温至70摄氏度无极变化，由此可对置于矩形模型体承载槽内、加热板上方的封场覆盖系统底部进行加热，模拟垃圾填埋场内部高温对封场覆盖系统的作用，整个覆盖系统失效试验平台位于封闭式的人工气候系统内，人工气候系统可模拟干湿交替、冻融循环等不同气候环境对封场覆盖系统的作用，封场覆盖系统表层径流与泥沙通过径流泥沙收集槽收集、并通过第一管道流向水流泥沙监测系统进行动态监测，穿透封场覆盖系统的雨水经由封场覆盖系统底部的雨水收集槽收集，并通过第二管道流向水流泥沙监测系统进行动态监测，封场覆盖系统模型体中应力、水分、温度的分布可通过均布在矩形模型体承载槽内的应力-水分-温度传感器组动态监测，封场覆盖系统模型体表面植被叶片与裂隙形态参数采集可通过垂直摄像头动态监测，封场覆盖系统模型体内部植被根系与裂隙的延伸形态参数可通过水平摄像头动态监测，封场覆盖系统模型体中总水分蒸发量可通过电子称动态监测，人工气候系统内降雨强度、光照强度、气温、湿度、CO2与O2浓度均可通过环境参数控制与采集分析系统按试验要求预设与调控，同时应力、水分、温度、下渗雨水量、径流量、泥沙量、植被叶面参数、植被根系分布参数、裂隙形态参数等均可通过环境参数控制与采集分析系统进行动态采集与分析。

附图说明

[0010] 附图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：见附图。

[0012] 一种垃圾填埋场封场覆盖系统环境演化与防渗失效相似模拟系统，所示模拟系统由人工气候系统1、覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统、水流泥沙监测系统10、环境参数控制与采集分析系统16组成，人工气候系统1采用中国专利公开号为CN202949783 U，发明名称为“一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统”，该人工气候系统可通过旋转式降雨光照联合装置20模拟降雨和光照，通过气流循环系统21模拟刮风等气候环境，并实现降雨强度、光照强度、气温、湿度、CO2与O2浓度的动态调控，覆盖系统失效试验平台、数字成像系统、应力-温度-水分监测系统分别设置在人工气候系统1内，覆盖系统失效试验平台由矩形模型体承载槽5、雨水收集槽6、加热板13、工字型支架18、液压伸缩杆14、旋转轴11、电子称12、防水隔热罩15构成，电子称12位于人工气候系统1内胆底部的承载平台19上，防水隔热罩15罩在电子称12上，工字型支架18位于防水隔热罩15上方，工字型支架18四肢穿透防水隔热罩15置于电子称12，矩形模型体承载槽5位于工字型支架18上方，旋转轴11固定在工字型支架18一端的两腿之间，矩形模型体承载槽5一端与旋转轴11铰接， 液压伸缩杆14活塞端头固定在矩形模型体承载槽5底部，液压伸缩杆14的底座固定在工字型支架18中部的横梁上，加热板13位于矩形模型体承载槽5底部内，雨水收集槽6设置在加热板13上方，雨水收集槽6通过第一管道9与水流泥沙监测系统10连通，水流泥沙监测系统10设置在人工气候系统1的外部，水流泥沙监测系统10采用中国专利公开号为CN201429556，发明名称为“径流泥沙含量动态监测装置”，该装置可对进入装置的含沙水流量与含沙水中沙的含量进行动态监测，径流泥沙收集槽7固定安装在矩形模型体承载槽5外侧壁上，且位于矩形模型体承载槽5的上端，径流泥沙收集槽7与矩形模型体承载槽5连接处开有收集口，径流泥沙收集槽7通过第二管道8与水流泥沙监测系统10连通，数字成像系统由人工气候系统1中的垂直摄像头
2与固定在矩形模型体承载槽5外侧壁上的水平摄像头3组成，垂直摄像头2位于矩形模型体承载槽5正上方，水平摄像头3位于矩形模型体承载槽5一侧面中央，应力-温度-水分监测系统包括两组以上应力-水分-温度传感器组4，每组应力-水分-温度传感器组4由一个应力传感器、一个水分传感器和一个温度传感器组成，应力-水分-温度-基质吸力传感器组4位于矩形模型体承载槽5内。

[0013] 矩形模型体承载槽5采用低热传导性材料，且与水平摄像头正对面采用玻璃材料。

[0014] 雨水收集槽6采用高热传导性材料，且内部填满细沙，模拟垃圾填埋场封场覆盖系统中的导水层。

[0015] 人工气候系统1、水平摄像头3、应力-水分-温度传感器组4、加热板13、液压伸缩杆14、电子称12、水流泥沙监测系统10均通过多通过转换器17与环境参数控制与采集分析系统16连接。

[0016] 本发明试验系统的工作原理

[0017] 试验前，按照试验目的与要求，将封场覆盖系统各组成材料填入矩形模型体承载槽5中，然后并将应力-水分-温度传感器组在指定位置穿透矩形模型体承载槽5并插入封场覆盖系统中，通过液压伸缩杆14的伸缩，调整好覆盖系统的坡度，将将要模拟的气候参数（不同时段降雨强度、风速、光照强度等）与垃圾填埋场内部环境参数（温度）输入环境参数控制与采集分析系统中，试验时，由环境参数控制与采集分析系统发给人工气候系统1与加热板13的指定模拟封场覆盖系统顶部与底部的动态变化环境，通过径流泥沙收集槽7与雨水收集槽6分别收集封场覆盖系统表面的径流、泥沙和底部下渗雨水，通过水流泥沙监测系统10动态测量径流、泥沙和底部下渗雨水量，通过均布在封场覆盖系统模型体内的应力-水分-温度传感器组4动态监测封场覆盖系统内部应力、水分、温度的分布，通过垂直摄像头2与水平摄像头3动态监测封场覆盖系统表面植被叶片与裂隙形态参数以及封场覆盖系统内部植被根系与裂隙的延伸形态参数，由水流泥沙监测系统10、应力-水分-温度-基质吸力传感器组4和数值成像系统采集的参数，均通过多通道转换器17传入环境参数控制与采集分析系统16进行动态采集和分析。