垃圾土的流态化本构模型与流滑机理

Compared with ordinary debris flow, flow slide of municipal solid waste (MSW) is highly desired to be comprehensively studied. Due to highly complex and time-dependent composition and large porosity, compressibility and heterogeneity of MSW, the rheological properties of MSW are quite different from those of debris flow mixture. Therefore, existing fluidization constitutive models and flow slide analysis methods are not able to properly describe the movement characteristics of MSW and reasonably assess flow slide hazards. This project will adopt rheometer to study the rheological properties of typical MSW in China. Quantitative relationship between the rheological properties and governing factors will be developed and a fluidization constitutive model will be established. By incorporating the fluidization constitutive model and solid-fluid coupling theory, a quasi-three-dimensional depth-integrated numerical model for flow slide will be established which will be verified using analytical solutions and results of flume tests. Based on results of flume tests and numerical simulation, the spatial and temporal movement characteristics of MSW flow slide will be studied. Afterwards, flow slide mechanism and hazard assessment criteria of MSW will be proposed. This project will greatly contribute to reasonable analysis and assessment of the impact of MSW flow slide and scientific design of modern sanitary landfills.

与土石流滑灾害不同，人们对垃圾土的流滑灾害还缺乏深入的认识。由于垃圾土的成分复杂，具有大孔隙、高压缩性，在空间上变化很大，且成分随时间逐渐变化，因此垃圾土的流变特性不同于普通的土石流滑体，采用已有的流态化本构模型和流滑分析方法很难解释其运动特性，更难合理评估其流滑灾害。本课题利用流变仪试验研究我国典型垃圾土流变特性的变化规律及其与各主要影响因素的定量关系。在此基础上提出垃圾土的流态化本构模型。基于流态化本构模型、固液耦合理论和深度均化原理建立模拟垃圾土流滑过程的数值模型，并用解析解和水槽模型试验结果验证模型。利用水槽模型试验结果和数值模拟结果，研究垃圾土流滑全过程运动特性及其时空演化规律，提出垃圾土的流滑机理，建立垃圾土流滑灾害评估准则。本课题的研究对现代卫生填埋场的流滑影响和环境效应的合理分析与评价，以及现代卫生填埋场的科学设计都有重大的意义。

垃圾填埋场内存在大量有机质，会发生强烈的生化降解，产气、产液、发生变形，在填埋场内容易产生高水头、高气压，极易诱发失稳流滑灾害。本项目结合室内试验、数值模拟、理论分析等方法，深入研究垃圾填埋场的失稳流滑灾害。建立了填埋场内根据含氧条件确定好氧-厌氧生化降解过程的多场耦合计算模型，揭示了填埋场内的生化降解和液气运移机理；结合多场耦合计算模型和强度折减法，建立了考虑渗滤液回灌、曝气等复杂工况的填埋场三维稳定性分析方法，研究了曝气压力、回灌压力、垃圾土性质、边坡坡度、井布置位置和方式等因素对边坡稳定性的影响，揭示了填埋场在高液气压力下的失稳破坏机制，提出了回灌井和曝气井的优化设计方法；开展了垃圾土流变特性试验，研究了含水量、粒径变化、降解程度等因素对垃圾土流变特性的影响，基于试验结果和理论分析，建立了垃圾土流态化本构模型；针对流滑灾害对结构的冲击现象，利用光滑粒子流体动力学方法（SPH）模拟流滑体，利用有限单元法（FEM）模拟结构，耦合SPH-FEM方法建立了流滑体和结构的相互作用数值模型，采用大型水槽模型试验结果验证了模型的正确性，进一步利用模型开展数值模拟，揭示了流滑灾害的时空演化规律，探明了建（构）筑物的破坏模式，并提出考虑建（构）筑物几何构型、材料参数、流滑特征等因素的易损性评价方法以及流滑灾害评估准则。项目开展期间项目组成员总共参加学术会议11次，做学术报告8场。基于以上研究成果，已发表或接收SCI检索论文8篇，EI检索论文2篇，授权国家发明专利1项，申请国家发明专利4项，获得省部级科技进步奖2项，入选国家和省部级人才计划各1人次，培养研究生5名。部分成果已经应用于上海老港、无锡桃花山等填埋场，解决了填埋场安全扩容、失稳流滑灾变控制等关键技术难题，创造了良好的经济、社会和环境效益。