衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與材料選用

衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與材料選用填埋場(chǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，防滲，衛(wèi)生作者：姚慶（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院）摘要：根據(jù)工程實(shí)例，介紹衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲方式的設(shè)計(jì)和各種防滲材料在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:衛(wèi)生填埋場(chǎng)；防滲設(shè)計(jì)；防滲襯墊。近年來(lái)，隨著生產(chǎn)垃圾、生活垃圾、商業(yè)垃圾和旅游垃圾等大量城市固體廢棄物的產(chǎn)生，衛(wèi)生填埋場(chǎng)成為城市垃圾最終處理的方式之一。衛(wèi)生填埋場(chǎng)簡(jiǎn)言之就是在鋪設(shè)良好防滲性能襯墊的場(chǎng)地上，將固體廢棄物鋪成一定厚度的薄層，加以機(jī)械壓實(shí)，并分層加土覆蓋消毒。衛(wèi)生填埋場(chǎng)工程設(shè)計(jì)主要包括：場(chǎng)區(qū)道路，場(chǎng)地平整，防滲工程，壩體工程，洪雨水及地下水導(dǎo)排，滲濾液收集、處理和排放，填埋氣導(dǎo)排、收集處理或利用，垃圾計(jì)量設(shè)施，防飛散設(shè)施，封場(chǎng)工程，水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。其中防滲系統(tǒng)的處理及材料的選用是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)的主要核心所在。填埋場(chǎng)防滲設(shè)計(jì)方式按場(chǎng)地水文地質(zhì)類型可采用天然防滲、人工防滲和復(fù)合防滲方式。同時(shí)按防滲處理類型可采用水平防滲和垂直防滲兩種方式。水平防滲是指防滲層水平方向布置，防止垃圾滲濾液向下滲透污染地下水；垂直防滲是指防滲層豎向布置，防止垃圾滲濾液向四周橫向滲透污染地下水。填埋場(chǎng)防滲處理通常要運(yùn)用各種防滲襯墊將水平防滲和垂直防滲兩種方式結(jié)合考慮。1各種防滲方式采用的前提條件天然防滲對(duì)場(chǎng)地的土壤、水文地質(zhì)要求較高，一般自然蒸發(fā)量要超過(guò)降水量5Ocm，粘土襯墊的厚度大于2m，填埋場(chǎng)地為可溶性場(chǎng)地，具有不透水或低透水的粘土層（滲透率V10-7cm/s），可將滲濾液截留在垃圾中以免擴(kuò)散。人工防滲當(dāng)填埋場(chǎng)天然地基不能滿足滲透性要求時(shí)，為確保滲濾液不滲漏或者把滲濾液的滲漏量降低到最低而采取人工防滲材料作防滲襯層。1.3天然、人工結(jié)合的防滲方式場(chǎng)地天然地質(zhì)條件較好，即地基粘土液體傳導(dǎo)性很低，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中不能完全防止?jié)B濾液滲透，為使填埋場(chǎng)的建設(shè)既符合標(biāo)準(zhǔn)又經(jīng)濟(jì)，大多填埋場(chǎng)根據(jù)場(chǎng)址條件采用天然和人工結(jié)合的防滲方式。這種防滲方式多用于山谷型填埋場(chǎng)，具體情況如下：1） 當(dāng)場(chǎng)地底部粘土較厚、滲透系數(shù)較低，可滿足防滲要求，而側(cè)向由于巖石裂隙發(fā)育等原因達(dá)不到要求時(shí)。采用垂直天然防滲和水平人工防滲結(jié)合的方式。2） 當(dāng)場(chǎng)地底部粘土及地質(zhì)能滿足防滲要求，考慮周邊環(huán)境為進(jìn)一步提高襯層安全性；

采用人工襯層為主、天然襯層為輔的防滲結(jié)構(gòu)。3）當(dāng)場(chǎng)地底部粘土或地質(zhì)部分滿足防滲要求時(shí)，考慮節(jié)省投資，可按區(qū)域采用天然和人工結(jié)合防滲方式。2防滲材料的設(shè)計(jì)選用當(dāng)填埋場(chǎng)天然條件不能滿足防滲要求時(shí)，就必須采用人工防滲材料進(jìn)行處理。人工防滲材料的選用主要有兩種，一種是采用天然材料防滲襯層，如粘土防滲襯層，粘土與鈉基膨潤(rùn)土混合防滲襯層和瀝青混凝土防滲襯層等；另一種是采用人工合成材料防滲襯層，如氯乙烯系、橡膠系、乙烯系和土工合成粘土襯墊等。一般氯乙烯系多用于產(chǎn)業(yè)廢棄物填埋場(chǎng)，而合成橡膠系、乙烯系多用于一般廢棄物填埋場(chǎng)，土工合成粘土襯墊多用于封場(chǎng)或地基變形較大的場(chǎng)地，瀝青混凝土襯層適用于當(dāng)?shù)厣笆媳阋?、地基條件穩(wěn)定的填埋場(chǎng)。按有關(guān)規(guī)定，選用的人工襯墊系統(tǒng)需滿足的一般要求為：a）襯墊和其他結(jié)構(gòu)材料必須與滲濾液相容，襯墊的完整性和滲透性不因與滲濾液接觸而發(fā)生變化；b）襯墊（包括瀝青、橡膠或聚乙烯等）應(yīng)該滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)。如:滲透率V10-7cm/s；具有適宜的強(qiáng)度和厚度；襯墊抗壓強(qiáng)度必須大于0.6MPa，不因填埋碾壓而產(chǎn)生斷裂;應(yīng)具有可焊性或粘接性以保證接縫處不滲漏，能抗臭氧、紫外線、土壤細(xì)菌和真菌的侵蝕;具有適當(dāng)?shù)哪秃蛐?，?jīng)得起急劇的冷熱變化;具有足夠的抗拉強(qiáng)度，可抵御垃圾中堅(jiān)硬物體的刺、劃；厚度均勻及無(wú)薄點(diǎn)、裂縫、磨損、氣泡和外來(lái)顆粒;便于施工和維護(hù)。2.1天然防滲材料壓實(shí)粘土襯層2.1.1壓實(shí)粘土概念壓實(shí)粘土是指在工程實(shí)施中將襯層粘土在一定的含水量范圍內(nèi)壓實(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)最小干密度（通常用壓實(shí)度來(lái)表示）。壓實(shí)粘土早期廣泛應(yīng)用于填埋場(chǎng)襯墊以及作為城市固體廢棄物封閉，同時(shí)在公路地基、建筑填方、堤防和垃圾土壩等方面也有應(yīng)用。2.1.2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和土料試驗(yàn)壓實(shí)粘土的主要技術(shù)參數(shù)---滲透系數(shù)值必須小于或等于lxl0-7cm/s。除此之外，在設(shè)計(jì)中還要考慮其它因素，如抗干裂性能、抗剪強(qiáng)度、抵抗化學(xué)侵蝕能力、壓實(shí)度、含水量、與其面上覆蓋的其它防滲材料界面摩擦和發(fā)生沉降時(shí)不產(chǎn)生裂縫的抗變形能力等。為獲得合格壓實(shí)粘土襯墊，必須建立良好的土料干密度、含水量和滲透系數(shù)三者的關(guān)系，其方法主要是用擊實(shí)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。2.1.3施工要求低滲水率的粘土襯墊在衛(wèi)生填埋場(chǎng)中施工時(shí)，必須對(duì)土進(jìn)行合理的重塑和壓實(shí)，使其壓實(shí)后壓實(shí)層厚度不大于15cm，壓實(shí)度為90%-95%，含水量略高于最優(yōu)含水量，以達(dá)到滲透率V1x10-7cm/s，滿足抗干裂和高抗剪強(qiáng)度的要求。壓實(shí)粘土襯墊由于不可能在任何地點(diǎn)都能找到合適的材料，同時(shí)施工和質(zhì)量保證步驟復(fù)雜、易干裂和會(huì)產(chǎn)生固結(jié)水，應(yīng)用上受到限制。2.2人工合成土工膜防滲襯層2.2.1土工膜類型土工膜是由一種或幾種聚合物加上如碳黑、色料等附加劑制成的不透水性材料，它是近年來(lái)廣泛用于填埋場(chǎng)建設(shè)中的三大材料之一(其它兩種為土工網(wǎng)和土工織物)。目前用來(lái)生產(chǎn)土工膜的聚合材料有熱塑塑料，如聚氯乙烯(PVC);晶體熱塑材料，如高密度聚乙烯(HDPE)、超低密度聚乙烯(VLDPE)以及線性低密度聚乙烯(LLDPE)；熱塑合成橡膠，如氯化聚乙烯(CPE)和氯磺化聚乙烯(CSPE)。其中HDPE和VLDPE最為普及。土工膜的厚度從0.5?3.Omm不等，衛(wèi)生填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)采用厚度＞1.5mm、滲透系數(shù)在0.5x10-10?0.5x10-13cm/s之間的材料。1)高密度聚乙烯(HDPE)土工膜高密度聚乙烯(HDPE)土工膜是衛(wèi)生填埋場(chǎng)中應(yīng)用最廣泛的土工膜，它是由高分子聚乙烯通過(guò)吹塑或平擠制成的具有很強(qiáng)耐久性的防滲材料。主要特征：化學(xué)性能穩(wěn)定，垃圾滲濾液不會(huì)對(duì)其構(gòu)成威脅;低滲透性，確保地下水和雨水滲透液不會(huì)滲過(guò)襯墊，甲烷氣不會(huì)溢出排放系統(tǒng);抗紫外線性能穩(wěn)定，HDPE中的碳黑加強(qiáng)了抗紫外線能力，不含增塑劑，解決了暴露在紫外線下被分解的問(wèn)題。HDPE土工膜按規(guī)格幅寬一般為3m、3.5m、4m、6m、7m，衛(wèi)生填埋場(chǎng)鋪設(shè)面積較大，考慮減少焊縫和施工周期，設(shè)計(jì)要求幅寬大于6m。對(duì)于力學(xué)性能，主要指標(biāo)要求如表1。2)超低密度聚乙烯(VLDPE)土工膜超低密度聚乙烯(VLDPE)土工膜是由聚乙烯樹(shù)脂壓制而成的具有良好柔韌彈性的襯

墊材料，它適用于不平整的填埋場(chǎng)地和垃圾封場(chǎng)。其特性表現(xiàn)為:多軸拉伸性，它的高延伸

率能使之適用于不均勻沉降和不平整地面，抗開(kāi)拉性，它能承受多種環(huán)境應(yīng)力；抗穿刺能

力，能適用基底巖層；同時(shí)還具有化學(xué)穩(wěn)定性、低滲透性和抗紫外線性能。表1填埋場(chǎng)用HDPE土工膜主要力學(xué)性能項(xiàng)H措標(biāo)拉仲呢度加險(xiǎn)斷裂伸長(zhǎng)率^550直角撕裂3SJS(N/win)^110炭黑含量水蒸汽滲透系數(shù)WIOmIOr|〔g, r■Ph)]尺寸穩(wěn)定性533)織物土工膜織物土工膜是在土工膜表面加一層粗糙織物的防滲材料。這種織物土工膜目前正開(kāi)始推

廣使用。它的主要特性是:加強(qiáng)了合成纖維襯墊與土、無(wú)紡布以及其它土工合成纖維的表面

摩擦，增強(qiáng)了抗滑穩(wěn)定性?？椢锿凉つづc粘土的最高摩擦系數(shù):摩擦角29°時(shí)，凝聚力為6.0kPa;與無(wú)紡?fù)凉た椢镒罡吣Σ料禂?shù):摩擦角32°時(shí)，凝聚力為2.2kPa?？椢锿凉つさ暮穸纫话阌?.5mm、2.0mm和2.5mm三種。2.2.2土工膜襯墊的滲漏量計(jì)算填埋場(chǎng)中垃圾液體和垃圾成分從不破壞、不被刺穿、沒(méi)有加筋破壞的土工膜透過(guò)的主要方式為分子擴(kuò)散，這種擴(kuò)散主要發(fā)生在梯度集中處，如由于土工膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷引起的不連續(xù)纖維或針孔。假定土工膜襯墊中有一個(gè)或多個(gè)缺陷小圓孔，而且彼此隔開(kāi)，那么依據(jù)伯努利方程［式（1）］可估算出土工膜上的滲漏率。參見(jiàn)圖1V . %h-面積注圖1滲漏量計(jì)算示意圖Q=Cba（2gh）0.5（1）式中：Q--土工膜的滲漏量，cm3/s;Cb--滲流系數(shù)，對(duì)圓孔為0.6;a--士工膜中一個(gè)圓孔面積,cm2;g--重力加速度，9.8m/s2h--襯墊上水頭，cm。2.2.3施工鋪設(shè)土工膜鋪設(shè)相對(duì)于其它合成材料施工較為復(fù)雜。首先必須對(duì)土工膜各項(xiàng)指標(biāo)（密度、拉伸強(qiáng)度、延伸率及撕裂強(qiáng)度等）在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，然后開(kāi)展場(chǎng)地處理、膜體接合焊接、試驗(yàn)焊接、缺陷修復(fù)、破壞性測(cè)試和回填保護(hù)等。1） 基層處理：鋪設(shè)前應(yīng)去除表面廢渣、樹(shù)根和突起的巖石等，以保證面層光滑;所需填料應(yīng)由級(jí)配良好的材料組成，不含有機(jī)物、垃圾、粘土塊或其它有害物質(zhì)，以免引起土工膜的破壞;同時(shí)地基應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求壓實(shí)到一定密實(shí)度，確保提供一個(gè)堅(jiān)固、不屈服的基礎(chǔ)以允許運(yùn)行車輛和焊接設(shè)備通行，不產(chǎn)生壓痕或其它破壞。2） 除利用材料與土之間的摩擦力外，為充分發(fā)揮密實(shí)填土作用下的抗拔力，在土工膜

放置之前要按設(shè)計(jì)位置和寬度開(kāi)挖錨固溝，同時(shí)在土工膜的施工鋪設(shè)過(guò)程中，必須按要求在坡面（或山坡）中間平臺(tái)和坡頂端末端收口處有一段水平伸出;并伸進(jìn)錨固溝用壓密回填土覆蓋。見(jiàn)圖2回填土夯實(shí)無(wú)紡?fù)烈徊级烈荒ひ惶旒復(fù)烈徊蓟靥钔梁粚?shí)無(wú)紡?fù)烈徊级烈荒ひ惶旒復(fù)烈徊紙D2錨固溝3） 土工膜接合焊接和測(cè)試土工膜的接合焊接是成功阻止?jié)B漏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常情況接縫應(yīng)與斜坡平行（沿斜坡并盡可能使水平接縫放在單元底部，距坡腳＞1.5m。土工膜焊接有兩種方式：熔化焊接（雙軌熔焊），它要求膜塊焊前必須重疊10?l5cm，并調(diào)整好膜塊以減少褶皺，這樣通過(guò)預(yù)先設(shè)置的壓力齒輪使得兩個(gè)彎起的膜塊被焊接在一起;另一種為熱壓角焊接（單焊縫焊接），它要求膜塊焊前至少重疊7.5cm，然后在兩層土工膜彎曲邊緣插入熔化樹(shù)脂焊條，用熱空氣熔化材料使薄層表面均勻粘結(jié)。完成焊接的土工膜必須按設(shè)計(jì)要求分段或分片進(jìn)行空壓試驗(yàn)（雙軌熔焊）和真空試驗(yàn)（單焊縫焊接）并按一定長(zhǎng)度取樣進(jìn)行破壞性測(cè)試。2.3膨潤(rùn)土防滲材料在衛(wèi)生填埋場(chǎng)中設(shè)計(jì)和應(yīng)用的膨潤(rùn)土防滲材料主要有兩種:膨潤(rùn)土防水板和土工聚合粘土襯墊（GCL）。2.3.1膨潤(rùn)土防水板膨潤(rùn)土防水板構(gòu)造是以瓦楞紙板為外殼，內(nèi)填裝特定配方的膨潤(rùn)土。其原理是鋪設(shè)回填土后，膨潤(rùn)土粒子吸水膨脹，在添加劑作用下形成膠體并充滿整個(gè)紙板空間，膨脹后起到防水和抗?jié)B作用。這種材料的設(shè)計(jì)參數(shù)及特性:膨潤(rùn)土防水板一般長(zhǎng)1100?1450mm、寬720?860mm、厚3.5?5mm，具體可依據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)備能力確定;滲透系數(shù)值為lx10-8cm/s,無(wú)壓膨脹值＞7mL/g,耐干裂，耐低溫。施工相對(duì)簡(jiǎn)便，以自然搭接方式鋪設(shè)，搭接寬度＞5cm。這種材料主要適用于平原填埋場(chǎng)，對(duì)于山區(qū)或溝谷填理場(chǎng)應(yīng)用則受到一定限制。2.3.2土工聚合粘土襯墊（GCL）1） 材料種類土工聚合粘土襯墊（GCL）簡(jiǎn)稱鈉基膨潤(rùn)土墊，是膨潤(rùn)土夾在土工織物中間或連接在土工膜上復(fù)合制成的，它是目前國(guó)內(nèi)外填埋場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的防滲材料之一，通常與土工膜配合使用。其種類由不同的土工合成聚合物組成，主要有四類：三重組合粘土襯墊，以有紡聚丙烯土工織物為底、鋪上膠接粒狀鈉基膨潤(rùn)土、上覆粘絲土工織物構(gòu)成，三重復(fù)合型，以細(xì)粒鈉基膨潤(rùn)土機(jī)縫在兩層針刺無(wú)紡聚丙烯土工織物間構(gòu)成；膜土復(fù)合型，將膠結(jié)膨潤(rùn)土固定在HDPE土工膜上;三重合成物，以無(wú)紡針刺土工織物為頂層、膨潤(rùn)土（膠溶）和無(wú)紡針刺土工織物為底層構(gòu)成。最后一種在填埋場(chǎng)中應(yīng)用最為適合和普及。2） 技術(shù)參數(shù)及特性填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)GCL的主要技術(shù)要求:膨潤(rùn)土含水量V8%，單位面積質(zhì)量＞4.5kg/m2,滲透系數(shù)＜1x10-9cm/s。總厚度5?6mm和幅寬＞6m。它的突出特點(diǎn)是利用高性能混土水反應(yīng)時(shí)體積膨脹13?16倍的特性對(duì)損傷部位及3mm體內(nèi)裂紋進(jìn)行自我修補(bǔ)，同時(shí)它具有永久防水效果、高強(qiáng)度、高延伸率、耐腐蝕及耐沖擊性。3） 施工鋪設(shè)GCL施工相對(duì)簡(jiǎn)便，不受氣溫影響，不需特殊設(shè)備，工期短。施工中GCL的連接通常重疊即可，重疊區(qū)域?yàn)?50?300mm,如有補(bǔ)丁或顆粒移動(dòng)缺損，則至少搭接300mm。鋪設(shè)后要在GCL上覆蓋一定厚度的土或土工合成材料（常用土工膜），以免水化作用引起厚度變化，造成壓縮或剪切荷載時(shí)產(chǎn)生不均勻膨脹。施工后不需要特別的檢查。GCL可大大解決粘土的缺乏問(wèn)題，同時(shí)減少墊層系統(tǒng)厚度，增大庫(kù)容。我國(guó)具有豐富的鈣、鈉基膨潤(rùn)土粘土礦物，因此GCL從性能價(jià)格比分析有廣闊的發(fā)展前景。2.4無(wú)紡?fù)凉た椢?.4.1無(wú)紡?fù)凉た椢镱愋蜔o(wú)紡?fù)凉た椢锖?jiǎn)稱無(wú)紡布，是衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲設(shè)計(jì)和施工必備材料，它是由聚脂紡織纖維制成，用機(jī)械（針刺）或加熱或化學(xué)方法加固的織物。按材料類型分為長(zhǎng)纖無(wú)紡?fù)凉げ己投汤w無(wú)紡?fù)凉げ迹l(wèi)生填埋場(chǎng)考慮到力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度及拉伸延伸率）等因素，大多采用長(zhǎng)纖無(wú)紡?fù)凉げ肌?.4.2設(shè)計(jì)應(yīng)用在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)中主要考慮三個(gè)方面的應(yīng)用：1） 無(wú)紡?fù)凉げ间佋O(shè)在滲濾液導(dǎo)排層上或熱粘在HDPE滲濾液排水管上形成三維復(fù)合排水單元，截留垃圾顆粒而使液體透過(guò)無(wú)紡布，起到隔離和反濾作用。2） 在垃圾場(chǎng)邊坡，無(wú)紡布鋪設(shè)在主防滲襯墊的上面和下面，起到加筋和保護(hù)防滲襯墊不被頂破的作用，同時(shí)也增加邊坡上的摩擦角和山體徑流導(dǎo)水。3）在垃圾場(chǎng)底部，無(wú)紡布鋪設(shè)在主防滲襯墊的上面和下面，防止防滲襯墊層被外力頂破。2.4.3施工鋪設(shè)無(wú)紡布的鋪設(shè)方法比較簡(jiǎn)便，一般直接鋪放在預(yù)處理好的地基表面或溝槽中，搭接采用一片無(wú)紡布的末端自由壓在另一片的始端上。為防止地基變形時(shí)和外力作用下造成無(wú)紡布位移使有效搭接寬度減小，設(shè)計(jì)中要根據(jù)基礎(chǔ)條件計(jì)算安全搭接寬度。搭接寬度可用式（2）計(jì)算確定（參見(jiàn)圖3）。搭接長(zhǎng)度圖3搭接長(zhǎng)度計(jì)算示意圖LuNZ?f/（6tg?/GG）（2）式中，Lu--搭接寬度,m;f---安全系數(shù)，最小為2.0;Z---土工織物的工作負(fù)荷,kN/m;o--作用于土工織物上的標(biāo)準(zhǔn)力上,kN/m2;WGG--土工織物材料間的摩擦（角），對(duì)一般光滑結(jié)構(gòu)為20?25°或更小。通常搭接計(jì)算寬度在0.15?0.3m之間。可用手提縫紉機(jī)（采用一般縫法、丁縫法或蝶形縫法）線縫搭接處，這樣既可防止鋪料時(shí)無(wú)紡布邊緣被掀起，又可節(jié)省材料。3工程防滲的應(yīng)用實(shí)例我國(guó)衛(wèi)生填埋場(chǎng)在防滲襯墊系統(tǒng)鋪設(shè)和設(shè)計(jì)方面的研究發(fā)展起步較晚。大量例子表明，除少數(shù)天然條件好的場(chǎng)地外，絕大多數(shù)不設(shè)防滲襯墊的填埋場(chǎng)滲濾液必定透過(guò)土壤，進(jìn)入地下含水層而污染地下水。隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，防滲襯墊系統(tǒng)越來(lái)越廣