某城市生活垃圾填埋場防滲處理分析與探討

劉海燕 吳相會 王漢席

(1.長春市海威市政工程設(shè)計有限公司，吉林 長春 130062； 2.吉林東北建筑市政工程設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

某城市生活垃圾填埋場防滲處理分析與探討

劉海燕1吳相會2王漢席1*

(1.長春市海威市政工程設(shè)計有限公司，吉林 長春 130062； 2.吉林東北建筑市政工程設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

以中國東北地區(qū)某垃圾填埋場防滲處理為例，通過對該地區(qū)地基滲透性的分析，選擇了恰當(dāng)?shù)姆罎B處理方法，經(jīng)防滲處理設(shè)計計算分析，指出在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中摻入7.5%鈉質(zhì)膨潤土，處理厚度不小于1.5 m，能夠滿足規(guī)范規(guī)定的單層防滲結(jié)構(gòu)防滲條件，進(jìn)而達(dá)到降低成本的目的。

垃圾填埋場，滲透系數(shù)，防滲處理，膨潤土

0 引言

垃圾填埋場的防滲分為天然防滲和人工防滲，根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范[1]，采用天然粘土防滲襯層要求壓實(shí)后的粘土飽和滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s，且防滲層的厚度不小于2 m。對于人工防滲層又分為單層防滲和雙層防滲。對于天然基礎(chǔ)層飽和滲透系數(shù)小于1.0×10-5cm/s，且厚度不小于2 m的，可以采用單層人工合成防滲襯層；不能滿足要求的則采用雙層人工合成防滲襯層。對于人工合成防滲襯層，不論是單層防滲還是雙層防滲，其下都應(yīng)具有厚度不小于0.75 m，滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s的天然粘土防滲襯層。

對于壓實(shí)粘土防滲層土料的選擇，現(xiàn)行規(guī)范也有詳細(xì)的規(guī)定[2]。對于襯砌墊層的組成材料，主要是天然的粘土、人工土工膜、人工合成防滲材料[3]。土工膜包括高密聚乙烯(HDPE)、線性低密度聚乙烯土工膜(LLDPE)、聚氯乙烯土工膜等。人工合成防滲材料主要是土工聚合粘土襯墊(GCL)，主要由一層膨潤土和兩層土工布組成。

某垃圾填埋場位于中國東北地區(qū)，填埋體底部地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和粉土。天然地基不能滿足單層防滲結(jié)構(gòu)條件要求，擬對基底土進(jìn)行改性處理，使其滿足單層防滲結(jié)構(gòu)的要求，降低了防滲處理成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 地基滲透性分析

根據(jù)規(guī)范[4]要求進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場鉆孔抽水試驗(yàn)，各層土的滲透系數(shù)見表1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，垂直滲透系數(shù)小于水平滲透系數(shù)，各層土均為微透水性。垂直滲透容易引起地下水直接受到污染，水平滲透則容易造成周圍土層污染，進(jìn)而造成下游污染。

表1 滲透系數(shù)一覽表

2 防滲處理方法分析與選擇

2.1 防滲處理方法分析

規(guī)范[3]給出單層防滲4種結(jié)構(gòu)形式，雙層防滲給出1種。圖1～圖4為單層防滲結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為雙層防滲結(jié)構(gòu)示意圖。對于天然基礎(chǔ)層，不能滿足防滲要求的，首選考慮采用單層防滲結(jié)構(gòu)，不能滿足單層防滲要求，應(yīng)采用雙層防滲結(jié)構(gòu)。

分析該生活垃圾衛(wèi)生填埋場的地層，分布不均勻，采用單層防滲，不能滿足要求，采用雙層防滲結(jié)構(gòu)，成本又較高。若對地基進(jìn)行防滲處理后，采用單層防滲結(jié)構(gòu)，相比雙層防滲結(jié)構(gòu)將大大節(jié)約成本。

對于防滲層處理，國內(nèi)外學(xué)者開展大量的研究，推動防滲處理技術(shù)革新。李穎等人[5]對垃圾填埋場防滲層人工合成防滲膜的性能對比研究表明，高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、氯丁橡膠(CBR)等防滲材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前國內(nèi)較多選用防滲性能好、抗腐蝕能力強(qiáng)、具有良好的機(jī)械和焊接特性的高密度聚乙烯(HDPE)，該材料的主要成分為約97%的高密度聚乙烯，約2%的炭黑，0.5%～1.0%的穩(wěn)定劑和抗氧化劑[6,7]。但這種材料抗不均勻沉降能力較差，抗穿刺能力較差。不均勻沉降問題，可以通過地基處理解決，而防止垃圾場地基地層中含有的碎石和磚塊等易將防滲層的滲透膜刺穿，可通過粘土隔離措施或采用土工膜與無紡布結(jié)合使用提高穿刺能力[8]。對于北方嚴(yán)寒地區(qū)凍融作用改變粘土的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，使結(jié)構(gòu)疏松，孔隙增大，滲透性增大，可采用降低含水量的方法降低凍融作用，同時避免摻入石灰材質(zhì)[9-13]。

膨潤土在全國各地儲量多分布廣，研究表明，在天然土壤層中加入膨潤土可以大大改善滲透性能，鄧寅生等人[14,15]研究表明，在普通粘土中摻入膨潤土量為6%～8%(質(zhì)量份數(shù))時，滲透性提高顯著。彭玉林等人[16]經(jīng)過研究，在昆明的紅粘土中加入膨潤土6%，很好的改善抗?jié)B性能。在襯墊施工過程中，應(yīng)采用性能良好的機(jī)具和成熟可靠的施工方法，保證質(zhì)量[7,17]。

2.2 防滲處理方法選擇

從以上分析可知，該城市垃圾衛(wèi)生填埋場應(yīng)首先考慮采用在②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中加入鈉質(zhì)膨潤土改善防滲性能。通過在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中加入鈉質(zhì)膨潤土4%～10%，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，摻入比為7.5%時，防滲處理厚度1.5 m，滲透系數(shù)為3.2×10-6cm/s～5.9×10-6cm/s，滿足采用單層防滲結(jié)構(gòu)條件。針對地基第②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土較厚，挖填成本高的情況，通過設(shè)置灰土樁的方法，提高強(qiáng)度，減少壓縮性，同時增強(qiáng)防滲性能。根據(jù)規(guī)范[18]要求，同時結(jié)合本工程的特點(diǎn)，灰土樁應(yīng)穿透第②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

3 防滲處理設(shè)計計算分析

通過分析，地基防滲處理的方法是采用在②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中加入鈉質(zhì)膨潤土進(jìn)行處理。處理厚度為1.5 m，形成防滲墊層，滿足防滲要求。墊層下為灰土樁，降低第②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的沉降量。墊層以上設(shè)置單層防滲結(jié)構(gòu)，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為保證土工膜的安全，考慮當(dāng)土工膜上層剪應(yīng)力不等于下層剪應(yīng)力時，也即τu≠τd時，土工膜處于純剪切狀態(tài)，此時土工膜就存在破壞的可能，進(jìn)而可能會造成滲濾液的滲漏，污染地下水和土。特別是垃圾邊坡，存在土工膜破壞的可能性，應(yīng)通過計算確定其安全性，采用的計算公式如下[6]：

(1)

其中，F(xiàn)s為抗滑安全系數(shù)；Tw為土工膜上的總拉力，kN；ω為土工膜寬度，m；τL為土工膜和下層土間剪應(yīng)力，kN/m2；τu為土工膜和上層土間剪應(yīng)力，kN/m2；L為土工膜長，m。

顯然，當(dāng)Fs>1時，土工膜是安全的；Fs>1.5時，能夠滿足長期運(yùn)營安全的要求。計算過程中，通常采用土工膜允許張拉力與上下面剪切應(yīng)力差之比(Tmax/Trept)，計算安全系數(shù)。針對本項(xiàng)目，土工膜的抗拉安全性計算過程如下：

上覆土厚度為H=1.2 m，上覆土重度按γs=17.5 kN/m3。坡長按L=120 m考慮，坡角按β=18.4°考慮，土工膜允許抗拉強(qiáng)度Tmax=30 kN，土工膜對上層土的剪應(yīng)力參數(shù)δu=12°和CaU=0，對下層土δL=6°和CaL=2.0 kPa，安全系數(shù)計算過程如下：

Trept=[(CaU-CaL)+γs·H·cosβ(tanδu-tanδL)]·L=[(0-2.0)+17.5×1.2×cos18.4°×(tan12°-tan6°)]×120=16.9 kN/m

(2)

Fs=Tmax/Trept=30/16.9=1.78>1.5，能夠滿足安全運(yùn)營的要求。

從以上計算可知，本工程采用土工膜受力結(jié)構(gòu)能夠滿足安全要求。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，效果較好。經(jīng)計算，防滲處理相對傳統(tǒng)方法節(jié)約成本約27%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

通過對東北某城市生活垃圾填埋場防滲處理進(jìn)行深入研究，得出的主要結(jié)論如下：

1)針對該填埋場防滲處理，采用在②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中摻入鈉質(zhì)膨潤土，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，確定經(jīng)濟(jì)合理的摻入比為7.5%，處理層厚不小于1.5 m，能夠滿足單層防滲結(jié)構(gòu)處理的技術(shù)要求。

2)采用摻入鈉質(zhì)膨潤土的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土墊層，與現(xiàn)行規(guī)范提供的防滲層相比，可以大大降低處理成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3)對于填埋場四周邊坡，為確保采用HDPE膜單層防滲結(jié)構(gòu)的安全，對土工膜鋪設(shè)后的耐張拉性進(jìn)行安全驗(yàn)算，安全系數(shù)大于1.5，能夠滿足安全運(yùn)營的要求。

[1] GB 16889—2008，生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] CJJ 176—2012，生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3] CJJ 113—2007，生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB 50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[5] 李 穎,郭愛軍.城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[6] 錢學(xué)德,施建勇,劉曉東.現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場的設(shè)計與施工[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[7] 譚家聲,張立國.HDPE防滲膜在垃圾填埋場中的施工[J].中國科技博覽，2010(12)：13.

[8] 許四法,張 勇,王 哲.垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)穿刺性能評價[J].巖土力學(xué)，2011,32(6)：1697-1700.

[9] 竇國強(qiáng).垃圾填埋場采用鈉基膨潤土防水毯防滲技術(shù)的探討[J].北方環(huán)境，2011(12)：81-83.

[10] 董 軍,王淳立,殷 宇,等.凍融作用對垃圾填埋場防滲層性能的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,41(2)：541-544.

[11] Qi Jilin，Cheng Guodong，Vermeer PA. State-of-the-art of freeze-thaw on engineering properties of soils[J].Advances in Earth Sciences,2005,20(8):887-894.

[12] Chanberlain E J， Gow A J. Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils[J]. Engineering Geology,1979,13(1/4):73-92.

[13] Viklander P. Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze-thaw[J].Canadian Geotechnical Journal,1998,35(3):471-477.

[14] 鄧寅生,黃 研,李武斐,等.膨潤土對垃圾填埋場天然土壤襯墊的改性研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2011,19(1):19-21.

[15] 鄧寅生,黃 研,李武斐.垃圾填埋場天然土壤襯墊改性的對比研究[J].無機(jī)鹽工業(yè),2011,43(4):58-60.

[16] 彭玉林,龔愛民,孫海燕,等.垃圾填埋場中改性紅粘土防滲料的性能研究[J].人民長江,2011,42(z2):163-169.

[17] 周海娜.垃圾填埋場工程防滲技術(shù)的設(shè)計與施工[J].新型建筑材料,2012,39(7):56-58.

[18] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

Analysis and discussion on the treatment of seepage treatment on some landfill for municipal solid waste

Liu Haiyan1Wu Xianghui2Wang Hanxi1*

(1.ChangchunHaiweiCivilWorksDesignCo.,Ltd,Changchun130062,China;2.JilinNortheastArchitecturalMunicipalEngineeringDesignInstituteCo.,Ltd,Changchun130021,China)

Taking the rubbish landfill seepage resisting treatment in northeastern region as an example, through analyzing the foundation seepage, the paper selects suitable seepage resisting methods. Through seepage-resisting treatment design and computation analysis, it points out that: mixing 7.5% of sodic expansive soil in slurry powder cohesive soil will achieve less than 1.5 m of treatment thickness, which can meet single-layer seepage-resisting structure seepage-preventing conditions and to achieve the goal of reducing cost.

rubbish landfill, seepage coefficient, seepage-resisting treatment, expansive soil

1009-6825(2015)28-0177-03

2015-07-21

劉海燕(1982- )，女，工程師； 吳相會(1982- )，男，工程師

王漢席(1978- )，男，工程師

X705

A