一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体为一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，促进了规模化养殖业的快速发展。规模化养殖产生了大量的废水，直接排放给环境带来一系列严重污染。根据第一次全国污染源普查公告，我国畜禽养殖业粪便产生量2.43亿吨、尿液产生量1.63亿吨。主要的水污染物排放化学需氧量(COD)1268.26万吨、总氮102.48万吨、总磷16.04万吨、铜2397.23吨和锌4756.94万吨。其中化学需氧量、总氮、总磷分别占全国总排放量的41.9％、21.7％、37.7％。畜禽养殖废水已经成为我国重要的污染源之一，主要来源于畜禽排泄物以及冲洗废水，具有悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)和NH

目前，主要采用厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水，能耗低、同时降解有机物同时产生沼气，沼气作为可回收能源具有很好的经济效益。厌氧塘是稳定塘系统中厌氧处理阶段的构筑物，在厌氧条件下利用厌氧微生物把大分子有机物降解为简单的溶解性有机物，一般设置在多级稳定塘的前段作为预处理。随着我国规模化畜禽养殖场的发展，废水量大、集中排放等特点需要有针对性处理，厌氧塘建设成本低、有效容积大、稳定性高，对原料SS要求低等特点，此外发酵后产生的沼液沼渣可以用作有机肥料灌溉农田，因此厌氧塘被广泛应用于规模化畜禽养殖废水资源化处置。

多数研究主要关注厌氧塘的建造类型、有效容积、水力停留时间(HRT)、COD去除率以及影响有机物去除率的pH值、传质和温度等因素；但是，强降雨、冻融循环和地下水渗入等可能造成边坡体抗剪强度急剧降低，尤其是黏聚力下降对边坡稳定性影响较大可能导致塘厌氧垮塌污水漫灌，严重威胁养殖场的人员和防疫安全。特别是地上部厌氧塘承受巨大压力情况下根据边坡设计安全的要求，综合考虑服务年限、边坡尺寸规模的设计安全系数、并引入失稳概率拓展不同尺寸边坡稳定性的设计标准和有效提升地上厌氧塘边坡稳定性评价的科学性与合理性，进一步完善厌氧塘边坡稳定边坡设计理论和方法，对提高厌氧塘的稳定使用年限降低养殖成本具有显著效果。设计安全系数作为边坡稳定性评价关键指标，其合理取值对厌氧塘的安全稳定具有重要影响。目前，厌氧塘边坡稳定性评价一般采用确定的参数进行计算分析，但是由于实际工程中地质条件、试验设备和其它因素影响，边坡参数难以精确测定，稳定性难以准确反映边坡稳定性状态，可靠性分析方法采用概率统计方式对稳定性评价结果的准确性和真实性进行评判，是分析厌氧塘边坡不确定的有效方法，并建立边坡稳定性评价的设计安全系数取值标准。目前，厌氧塘边坡稳定性常常被忽略，其治理方法主要参考借鉴土木工程和露天矿山领域的混凝土喷射、削方减载、设立排水系统、锚固技术和锚索加格构梁和绿化技术等工程措施；厌氧塘边坡稳定性评价的方法处于空白，建立针对厌氧塘土质边坡的设计安全系数建议标准，为厌氧塘土质边坡稳定性评价和设计优化提供科学依据，供国内养殖企业厌氧塘设计与生产单位作为参考使用，因此本领域的技术人员提供了一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法，解决了无法对厌氧塘边坡稳定性评价和治理措施的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法，包括确定厌氧塘工程设计安全系数、边坡危害等级划分及边坡失稳概率分析与安全系数建议取值标准，包括以下步骤：

S1.厌氧塘工程设计安全系数确定主要依据边坡稳定要求和服务年限不同，借鉴土木工程边坡的设计安全系数取值对厌氧塘边坡稳定性进行评价，主要参考土木工程行业的边坡设计安全系数取值标准，具体边坡设计安全系数取值标准参考图1，考虑到养殖场厌氧塘所处位置一般远离居民区，同时厌氧塘边坡为土质结构，垂直高度不大于10m，主要受降雨排水能力影响，设定工况Ⅰ-考虑基本荷载+降雨荷载；设计安全系数的荷载应根据具体情况进行适当调整；

由于厌氧塘内采用厚度>1.5mm的防渗土工膜，同时厌氧塘位于地表位置，因此忽略地下水对边坡稳定的影响；基于此，厌氧塘边坡稳定的主要限制性因子为排水工程设计应在滑坡防治总体方案基础上结合降雨条件进行；主要考虑堤坝和外坡面排水设计标准应满足工程等级所确定的降雨强度重现期标准。地表排水工程水力设计应首先对排水系统坡面的汇流面积进行分割计算，根据设计降雨强度和校核标准计算坡面汇流量和输水量，以确定坡面汇水流量，坡面主要为梯形断面即图7和图8，可按公式下述公式计算：

式中：

厌氧塘外边坡设计径流量可按下述公式计算：

式中，

厌氧塘外边坡水力平均流速可按下述公式计算：

ν＝R

式中，ν为坡面平均流速，单位为m/s；R为水力半径，单位为m，即R＝A

根据厌氧塘边坡工程情况，本申请将设计安全系数简化为采用坡面实际汇水流量与设计径流量的比值，用于衡量可按照下述公式计算：

式中：α为设计安全系数；

S2.边坡危害等级划分，在确定厌氧塘边坡的设计安全系数标准时，主要根据人员伤亡、潜在经济损失划分边坡危害等级，参照图2所示；

S3.厌氧塘边坡失稳概率分析评价主要由设计安全系数决定，对于土壤参数及内部结构的不确定性欠缺考虑，通过可靠性分析方法既可进行风险分析，也能考虑不确定性因素的影响，弥补定量分析方法的不足，不用收集坡度、坡高、重度、初始饱和度、孔隙水压力比、透水系数、内摩擦角、内聚力、含水量、边坡安全系数等参数，成为科学和定量的研究及保证厌氧塘工程安全性的重要方法；失稳概率作为可靠性分析方法的重要指标，通过计算土体参数的标准差和变异系数推导出可靠指标和可靠度，失稳概率对设计安全系数合理取值具有参考价值；

土体参数的平均值和标准差通过下述两个公式进行计算：

其中，

边坡安全系数采用严格的极限平衡法，均值安全系数及标准差可按照下述的两个公式进行计算：

其中，

均值安全系数的变异系数可用下述公式进行计算：

其中，ν

安全系数对数正态分布时，可靠指标按照下述公式进行计算：

其中，β

可靠度可用下述公式进行计算：

其中，P

均值安全系数小于1的失稳概率P

P

通过计算设计安全系数与失稳概率的关系，根据经验厌氧塘边坡可接受的失稳概率，最小可接受的失稳概率为5％，一般的失稳概率可允许15％-30％，参照图3所示；

基于前述分析，建议厌氧塘土质边坡设计安全和失稳概率的取值标准如图4所示，且在厌氧塘边坡稳定性评价过程中，设计安全系数和失稳概率需同时满足；边坡安全系数宜采用严格极限平衡条分法的计算结果为依据。

优选的，所述厌氧塘外边坡水力平均流速在计算时可通过配合地理信息系统GIS；利用数字地图等基础数据和GIS技术进行数据分析和综合评估，以确定厌氧塘的地理和环境条件，并制定合理的规划和建设方案。

优选的，所述地理信息系统GIS通过数字化处理和分析地理空间数据，具体操作步骤包括：数据采集、数据准备和处理、数据导入和管理、空间数据分析和结果可视化和输出；通过将采集的数据进行统一的准备和处理，其中包括数据格式转换和数据清洗，随后将处理后的数据导入到GIS软件中进行管理和存储，在GIS中分析空间数据的方法有很多，包括空间查询、制图和空间模型，GIS最终的结果通过生成地图、图表和报告的形式进行展示。

(三)有益效果

本发明提供了一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法。具备以下

有益效果：

1、本发明中，通过规定了厌氧塘边坡的设计安全系数范围，引入了以实际汇水流量与设计径流量比值作为评价边坡稳定性的方法，相关参数易于获取且计算简单，极大方便了施工人员参考使用；同时，解决了静态参数难以反映动态土体强度变化的问题，克服了厌氧塘工程中边坡监测和稳定性独立分析独立发展的缺陷，而且本方法具有实时、快捷和准确的优点。

2、本发明中，通过划定边坡危害等级并引入失稳概率系数，考虑了实际工程中土体结构面状态与土体强度的可变性和不确定性，从风险分析的角度评估边坡安全性能，是设计安全系数的有效补充；将设计安全系数和失稳概率同时作为边坡稳定性评价指标，可以提高厌氧塘边坡稳定性的工作效率，节省了时间成本，为边坡稳定性预测和评价提供了一种新的研究方法和思路。

附图说明

图1为本发明中厌氧塘边坡的设计安全系数表格示意图；

图2为本发明中厌氧塘土质边坡危害等级分类表格示意图；

图3为本发明中厌氧塘土质边坡可接受的失稳概率范围的表格示意图；

图4为本发明中厌氧塘土质边坡设计安全系数与失稳概率建议值的表格示意图；

图5为本发明中边坡设计安全系数、危害等级与失稳概率表格的示意图；

图6为本发明中厌氧塘边稳定性评价与优化设计流程图；

图7为本发明中厌氧塘外边坡主要断面形状示意图；

图8为本发明中厌氧塘边坡现场工程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-8所示，本发明实施例提供一种处理畜禽污水厌氧塘边坡稳定性评价方法，包括确定厌氧塘工程设计安全系数、边坡危害等级划分及边坡失稳概率分析与安全系数建议取值标准，包括以下步骤：

S1.厌氧塘工程设计安全系数确定主要依据边坡稳定要求和服务年限不同，借鉴土木工程边坡的设计安全系数取值对厌氧塘边坡稳定性进行评价，主要参考土木工程行业的边坡设计安全系数取值标准，具体边坡设计安全系数取值标准参考图1，考虑到养殖场厌氧塘所处位置一般远离居民区，同时厌氧塘边坡为土质结构，垂直高度不大于10m，主要受降雨排水能力影响，设定工况Ⅰ-考虑基本荷载+降雨荷载；设计安全系数的荷载应根据具体情况进行适当调整；

由于厌氧塘内采用厚度>1.5mm的防渗土工膜，同时厌氧塘位于地表位置，因此忽略地下水对边坡稳定的影响；基于此，厌氧塘边坡稳定的主要限制性因子为排水工程设计应在滑坡防治总体方案基础上结合降雨条件进行；主要考虑堤坝和外坡面排水设计标准应满足工程等级所确定的降雨强度重现期标准。地表排水工程水力设计应首先对排水系统坡面的汇流面积进行分割计算，根据设计降雨强度和校核标准计算坡面汇流量和输水量，以确定坡面汇水流量，坡面主要为梯形断面(图7和图8)，可按公式下述公式计算：

式中：

厌氧塘外边坡设计径流量可按下述公式计算：

式中，

厌氧塘外边坡水力平均流速可按下述公式计算：

ν＝R

式中，ν为坡面平均流速，单位为m/s；R为水力半径，单位为m，即R＝A

根据厌氧塘边坡工程情况，本申请将设计安全系数简化为采用坡面实际汇水流量与设计径流量的比值，用于衡量可按照下述公式计算：

式中：α为设计安全系数；

S2.边坡危害等级划分，在确定厌氧塘边坡的设计安全系数标准时，主要根据人员伤亡、潜在经济损失划分边坡危害等级，参照图2所示；

S3.厌氧塘边坡失稳概率分析评价主要由设计安全系数决定，对于土壤参数及内部结构的不确定性欠缺考虑，通过可靠性分析方法既可进行风险分析，也能考虑不确定性因素的影响，弥补定量分析方法的不足，不用收集坡度、坡高、重度、初始饱和度、孔隙水压力比、透水系数、内摩擦角、内聚力、含水量、边坡安全系数等参数，成为科学和定量的研究和保证厌氧塘工程安全性的重要方法；失稳概率作为可靠性分析方法的重要指标，通过计算土体参数的标准差和变异系数推导出可靠指标和可靠度，失稳概率对设计安全系数合理取值具有参考价值；

土体参数的平均值和标准差通过下述两个公式进行计算：

其中，

边坡安全系数采用严格的极限平衡法，均值安全系数及标准差可按照下述的两个公式进行计算：

其中，

均值安全系数的变异系数可用下述公式进行计算：

其中，ν

安全系数对数正态分布时，可靠指标按照下述公式进行计算：

其中，β

可靠度可用下述公式进行计算：

其中，P

均值安全系数小于1的失稳概率P

P

通过计算设计安全系数与失稳概率的关系，根据经验厌氧塘边坡可接受的失稳概率，最小可接受的失稳概率为5％，一般的失稳概率可允许15％-30％，参照图3所示；

基于前述分析，建议厌氧塘土质边坡设计安全和失稳概率的取值标准如图4所示，且在厌氧塘边坡稳定性评价过程中，设计安全系数和失稳概率需同时满足；边坡安全系数宜采用严格极限平衡条分法的计算结果为依据。

厌氧塘外边坡水力平均流速在计算时可通过配合地理信息系统GIS；利用数字地图等基础数据和GIS技术进行数据分析和综合评估，以确定厌氧塘的地理和环境条件，并制定合理的规划和建设方案，地理信息系统GIS通过数字化处理和分析地理空间数据，具体操作步骤包括：数据采集、数据准备和处理、数据导入和管理、空间数据分析和结果可视化和输出；通过将采集的数据进行统一的准备和处理，其中包括数据格式转换和数据清洗，随后将处理后的数据导入到GIS软件中进行管理和存储，在GIS中分析空间数据的方法有很多，包括空间查询、制图和空间模型，GIS最终的结果通过生成地图、图表和报告的形式进行展示。

一种厌氧塘边坡稳定性评价与安全取值方法，包括以下步骤：

S1.选定所需分析的厌氧塘边坡作为研究对象，开展该边坡的工程地质现场调查，测量并记录边坡重要参数，查明边坡范围内结构面发育情况；

S2.采用收集资料法和现场测定法对研究对象的稳定性进行分析；结合评价期内边坡实际工况条件，计算得到边坡设计安全系数α，此时存在随机误差，即随机误差不为0；

S3.基于厌氧塘边坡稳定性危害等级分类分析与前述确定的设计安全系数，保证边坡安全的基本设计要求，实现厌氧塘建设的安全与经济最优平衡，达到风险水平最低的边坡设计方案；

S4.根据边坡工程地质调查结果，分析边坡稳定状态和根据厌氧塘周边人员分布和可能造成的经济损失状况，进而确定研究对象事故风险等级；

S5.根据S2步骤中求解得到的边坡设计安全系数α，S3和S4步骤中确定的研究对象事故风险等级，确定研究对象边坡的最佳设计安全系数α；

S6.为弥补基于土壤参数及内部结构的定量分析方法的不足，通过引入失稳概率P

S7.工程实践中，根据前述数据计算研究对象厌氧塘边坡设计安全系数、危害等级和失稳概率结果如图5所示；砚山县平均年降水量1113mm、月最高降雨量226mm；泰和县平均年降水量1441mm、月最高降雨量243mm；黄龙县平均年降水量603mm，月最高降雨量148mm；其中，场景1、2和3分别位于云南省文山州砚山县迷底邑猪场、江西省吉安市泰和县石山猪场和陕西省延安市黄龙县正能一场。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。