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Barth, Christoph (2003): Die Wirksamkeit der Kapillarsperre als Deponieoberflächenabdichtung: Feldversuche auf der Deponie Bayreuth. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

The principles of capillary barriers are well known from many laboratory studies. A limited number of large-scale applications are known, in particular for the sealing of past pollution and demolition waste. This study investigates the suitability of a capillary barrier for the sealing of a municipal landfill. Laboratory tests have shown the fundamental applicability of the selected materials. The sealing effect of the material combination as a capillary barrier was examined in a large scale tipping trough under step increasing hydraulic load and two differential slopes. The materials showed drain capacities suitable for an effective capillary barrier. For a long-term study under natural weather conditions, two experimental fields with integrated large scale lysimeters and slopes of 10 % and 26 % have been constructed on site at the landfill. The lysimeter data of three subsequent years were used for the analysis. After the growth of a closed cover of vegetation the surface runoff was negligible. Only in wet years it exceeded 2 % of the annual precipitation. In 2000 and 2001 the evapotranspiration was between 55 % and 65 %. In the very wet year 2002, however, it was significantly below 50 %. The predominant part of the lysimeter runoff was drained by the capillary layer. Only heavy precipitation caused a relevant drain into the capillary block. Except for the very wet year 2002 the effectiveness of the whole system exceeded 95 % of the annual precipitation. As expected the efficiency of the steeper lysimeter clearly surpassed 95 %. In order to verify the possibility to reduce the effort for the experimental determination of the efficacy of the capillary barrier by numerical simulations, it was tried to calculate the measured results by numerical models for the water balance layer and the capillary barrier. The results show that in principle a realistic prediction is possible. However, a reliable prediction of the measured results can only be achieved by using parameters that were calculated by inverse modeling for the unsaturated hydraulic conductivity. Because of the high sensitivity of the model, calculations with parameters predicted by standard methods did not lead to plausible results, but overestimated the effectiveness of the capillary barrier. Therefore it is not advised to substitute large scale tipping experiments by numerical modeling. Although the capillary barrier is not gas proof, the closed water coating above the boundary to the capillary block largely restricts the movement of gas. Laboratory experiments resulted in very low permeability for gas through an aqueous capillary barrier. Measurements at the experimental fields showed that the capillary barrier significantly reduces the emission of gas at the surface compared to the non-sealed landfill surface. However, under adverse air pressure conditions low gas emissions are still measurable. Considering the present investigations, the capillary barrier is a competitive and secure alternative especially for the fracture-prone clay liner. For demolition waste it can be used as single sealing. For municipal waste, as in the underlying landfill of Bayreuth, the combination with an additional sealing element, e. g. a synthetic liner is recommended.

Abstract

Die grundsätzliche Wirkungsweise der Kapillarsperre ist bereits aus zahlreichen Laborversuchen bekannt. Darüber hinaus gibt es auch schon praktische Anwendungen, vor allem zur Abdichtung von Altlasten und Bauschuttdeponien. In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung der Kapillarsperre zur Oberflächenabdichtung einer Hausmülldeponie untersucht. Nachdem durch Laboruntersuchungen die prinzipielle Eignung der ausgewählten Materialien bestätigt wurde, erfolgte die Prüfung der Kapillarsperrenwirkung der Materialkombination anhand mehrwöchiger Großrinnenversuche mit stufenförmig gesteigerter Belastung und zwei unterschiedlichen Neigungen. Die daraus resultierenden Dränkapazitäten zeigten, dass die ausgewählte Materialkombination über wirksame Kapillarsperreneigenschaften verfügt. Für die Langzeituntersuchung unter natürlichen Witterungsverhältnissen wurden auf der Deponie Bayreuth unter baupraktischen Bedingungen zwei Versuchsfelder mit integrierten Großlysimetern mit Hangneigungen von 10 % und 26 % errichtet. Für die Auswertung der Lysimeterabflüsse standen drei Messjahre zur Verfügung. Der Oberflächenabfluss war nach der Ausbildung einer durchgehenden Pflanzendecke vernachlässigbar. Er überschritt nur bei überdurchschnittlichen Niederschlagsjahren 2 % des gesamten Jahresniederschlages. Die Evapotranspiration lag in den Jahren 2000 und 2001 zwischen 55 % und 65 %. Im sehr niederschlagsreichen Jahr 2002 sank sie allerdings erheblich unter 50 %. Der überwiegende Teil der Lysimeterabflüsse wurde von der Kapillarschicht abgeführt. Lediglich bei sehr starken Niederschlagsereignissen traten auch im Kapillarblock nennenswerte Abflussmengen auf. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems übertraf, abgesehen vom flachen Versuchsfeld im sehr niederschlagsreichen Messjahr 2002, immer 95 % des Jahresniederschlages. Der Wirkungsgrad des steilen Versuchsfeldes betrug erwartungsgemäß noch deutlich mehr als 95 %. Um zu prüfen, ob sich der versuchstechnische Aufwand für die Bestimmung der Effektivität einer Kapillarsperre durch numerische Simulationen verringern lässt, wurde versucht die gemessenen Ergebnisse mit Simulationsmodellen für die Wasserhaushaltsschicht und die Kapillarsperre nachzurechnen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine realitätsnahe Simulation grundsätzlich möglich ist. Die Messergebnisse waren jedoch nur mit durch inverse Modellierung bestimmten Parametern für die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit zuverlässig vorhersagbar. Aufgrund der großen Sensitivität der Modelle führten Berechnungen mit durch Standardmethoden bestimmten Parametern zu unplausiblen Ergebnissen. Die Effektivität der Kapillarsperre wurde damit überschätzt. Von einem Verzicht auf Großrinnenversuche zugunsten der numerischen Modellierung muss deshalb abgeraten werden. Obwohl die Kapillarsperre an sich nicht gasdicht ist, kann durch den zusammenhängenden Wasserfilm über der Grenze zum Kapillarblock die Gaswegsamkeit stark eingeschränkt werden. In Laborversuchen wurde gezeigt, dass die Gasdurchlässigkeit in einer wasserführenden Kapillarsperre gering ist. Gasmessungen auf den Versuchsfeldern ergaben, dass die Entgasung an der Oberfläche im Vergleich zu den nicht mit der Kapillarsperre abgedeckten Bereichen erheblich reduziert wurde. Geringe Deponiegasaustritte sind jedoch, vor allem unter ungünstigen Luftdruckeinwirkungen, noch messbar. Nach den vorliegenden Untersuchungen ist die Kapillarsperre als kostengünstige und sichere Alternative, vor allem für die unter Umständen rissempfindliche mineralische Abdichtung gut geeignet. Für Deponieklasse I kann sie als einfaches Dichtungssystem eingesetzt werden. Für Deponieklasse II, wie sie in der untersuchten Deponie Bayreuth vorliegt, wird die Kombination mit einem weiteren Dichtungselement, z. B. einer Kunststoffdichtungsbahn, empfohlen.