隔水帷幕技術(shù)在非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)治理中的工程應(yīng)用

王志高 謝金亮 郝建青 侯矗岳

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

在我國(guó)，垃圾填埋場(chǎng)主要分為正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)和非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)兩種類型。正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)，即垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，是按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的垃圾填埋場(chǎng)；非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)一般是利用自然條件堆填，未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)的生活垃圾填埋場(chǎng)所[1]。非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的主要特征是基本上沒有設(shè)置任何環(huán)境保護(hù)措施，也無建設(shè)和使用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境的污染危害程度較高[2]。

截止2008年底，北京市垃圾填埋量在200 t以上的非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)共有1 011處，這些垃圾填埋場(chǎng)主要以生活垃圾和建筑渣土為主，垃圾總量約8 000萬t[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年底，國(guó)內(nèi)21個(gè)省計(jì)劃共治理非正規(guī)填埋場(chǎng)1 236座，垃圾總量約3.212 6億t。非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)極大地危害了生態(tài)環(huán)境，必須盡快對(duì)其進(jìn)行修復(fù)治理。

1 非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的治理

1.1 非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的危害

非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)都沒有采取防滲系統(tǒng)、導(dǎo)氣系統(tǒng)和封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)等環(huán)境保護(hù)措施，對(duì)填埋場(chǎng)周邊的大氣、水、土壤環(huán)境和社會(huì)環(huán)境等產(chǎn)生了較大的污染和影響，主要危害如下：

1)填埋垃圾發(fā)酵降解會(huì)產(chǎn)生大量的惡臭氣體和可燃?xì)怏w，造成了大氣污染和安全隱患，如填埋垃圾產(chǎn)生的甲烷與空氣混合比達(dá)到5%～15%時(shí)，極易引發(fā)爆炸和火災(zāi)事故。

2)填埋垃圾在發(fā)酵降解作用、降水淋濾作用、或地表水和地下水浸瀝作用下，將產(chǎn)生出高濃度的滲濾液，滲濾液將會(huì)對(duì)地下水體產(chǎn)生長(zhǎng)期的污染危害。

3)填埋垃圾中含有大量污染物質(zhì)和有害微生物，它們會(huì)對(duì)土壤環(huán)境和農(nóng)作物生長(zhǎng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4]。

4)非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)大多是自發(fā)填埋建設(shè)的，隨意性較大，在很大程度上占用了更多的土地資源，造成了土地資源的浪費(fèi)。

5)非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)大都無法進(jìn)行規(guī)范的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，填埋區(qū)垃圾大量暴露、填埋場(chǎng)周邊臭味彌漫、蚊蠅滋生，對(duì)城鎮(zhèn)的形象產(chǎn)生了不利影響[5]。

1.2 非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的治理技術(shù)

目前，非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的治理技術(shù)主要有搬遷減量技術(shù)、好氧穩(wěn)定化技術(shù)、原位封場(chǎng)治理技術(shù)等。治理技術(shù)的選擇，應(yīng)根據(jù)垃圾填埋場(chǎng)的危害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、垃圾污染源控制、垃圾污染途徑阻斷、填埋場(chǎng)土地利用、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等不同要求進(jìn)行確定。

1.2.1 搬遷減量技術(shù)

根據(jù)對(duì)垃圾填埋物是否進(jìn)行處理利用，搬遷減量技術(shù)分為整體搬遷減量技術(shù)和處理后搬遷減量技術(shù)。搬遷減量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)垃圾填埋物污染危害的治理較為徹底。

1)整體搬遷減量技術(shù)。不考慮填埋垃圾的成分和利用等因素，將已經(jīng)填埋的垃圾全部開挖，然后搬運(yùn)至正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)或垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行規(guī)范化處置。此技術(shù)沒有考慮垃圾的綜合利用、浪費(fèi)了部分有用資源，治理和處置成本也較高。

2)處理后搬遷減量技術(shù)。根據(jù)垃圾的成分情況采用相應(yīng)的處理措施，對(duì)其中的輕質(zhì)可燃篩上物、篩下腐殖土、無機(jī)骨料等進(jìn)行綜合利用，對(duì)無利用價(jià)值部分運(yùn)送至正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置。此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了垃圾資源的回收利用，但治理工程量較大、投資額高，綜合利用過程中也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

1.2.2 好氧穩(wěn)定化技術(shù)

好氧穩(wěn)定化技術(shù)是通過在垃圾堆體中設(shè)置注氣井、注液井及抽氣井，向垃圾堆體內(nèi)注入空氣，并將收集的滲濾液和其他液體回注至垃圾堆體內(nèi)，使堆體中有機(jī)物在適宜的含氧量、溫度、濕度條件下，經(jīng)好氧微生物作用快速降解，縮短垃圾分解時(shí)間，從而使垃圾堆體最快達(dá)到穩(wěn)定化[6-7]。

1)好氧穩(wěn)定化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：垃圾降解速度快，使填埋場(chǎng)盡早進(jìn)入穩(wěn)定化狀態(tài)；垃圾中有機(jī)物好氧處理的產(chǎn)物是CO2、H2O等，減少甲烷氣體和惡臭氣體的產(chǎn)量，有利于降低氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)，減少惡臭；滲濾液在垃圾堆體內(nèi)循環(huán)，可減少滲濾液產(chǎn)量和滲濾液中的污染物含量，降低處理難度和處理費(fèi)用，也有助于垃圾降解。

2)好氧穩(wěn)定化技術(shù)缺點(diǎn)：垃圾堆體達(dá)到穩(wěn)定化程度的時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要3～4年，甚至更久；污染治理不徹底，穩(wěn)定化后的垃圾堆體中仍有少量的有機(jī)質(zhì)、滲濾液和填埋氣體等；治理工程費(fèi)用較高。

1.2.3 原位封場(chǎng)治理技術(shù)

原位封場(chǎng)治理技術(shù)是通過對(duì)垃圾堆體進(jìn)行邊坡整形，修建坡面平臺(tái)、馬道、截水溝、排水溝，并建設(shè)滲濾液定向收集導(dǎo)排系統(tǒng)、填埋氣體收集處理系統(tǒng)，然后對(duì)垃圾堆體進(jìn)行封場(chǎng)覆蓋及植被恢復(fù)，最終達(dá)到消除垃圾堆體安全隱患及產(chǎn)生的臭味，減少滲濾液產(chǎn)生量，控制填埋氣體及滲濾液對(duì)周邊環(huán)境的污染，改善場(chǎng)區(qū)景觀，恢復(fù)生態(tài)的目的[8-9]。

原位封場(chǎng)治理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工工期短、見效快、費(fèi)用低，操作比較容易，建成后可減少對(duì)周圍環(huán)境造成的污染，土地資源可得到開發(fā)利用；其缺點(diǎn)是滲濾液污染雖然可以得到有效控制，但短期內(nèi)還會(huì)有少量滲瀝液滲入地下和橫向遷移。

2 垃圾填埋場(chǎng)中的隔水帷幕技術(shù)

隔水帷幕是用于阻截或減少基坑側(cè)壁及基坑地下水流入基坑而采用的連續(xù)隔水體[10]。實(shí)際上，隔水帷幕相當(dāng)于垃圾填埋場(chǎng)中的垂直防滲帷幕。

2.1 應(yīng)用隔水帷幕技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

隔水帷幕技術(shù)在非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)治理中可以有較多的應(yīng)用。

1)在搬遷減量技術(shù)中，如果垃圾填埋場(chǎng)所在區(qū)域地下水貯存較為豐富，且垃圾填埋土已經(jīng)侵入到地下含水層中時(shí)，最好采用隔水措施。隔水帷幕可有效阻止垃圾填埋場(chǎng)與周邊地層之間的水力聯(lián)系，減少垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液污染的擴(kuò)散。在治理時(shí)的開挖篩分施工中，大大減少了地下水和滲濾液的抽出量，降低環(huán)境治理費(fèi)用。

2)在好氧穩(wěn)定化技術(shù)和原位封場(chǎng)治理技術(shù)中，隔水帷幕可以阻止垃圾填埋土、滲濾液與填埋場(chǎng)周邊土層和地下水的聯(lián)系。一方面可有效減少垃圾填埋場(chǎng)的污染范圍；另一方面也為垃圾填埋場(chǎng)提供一個(gè)更加獨(dú)立封閉的穩(wěn)定化空間，加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化速度。

2.2 隔水帷幕技術(shù)的適用范圍

1)垃圾填埋土種類。如果垃圾填埋場(chǎng)不是以生活垃圾為主，沒有必要進(jìn)行隔水帷幕處理；只有存在大量垃圾滲濾液產(chǎn)生的填埋場(chǎng)，才適合采用垂直防滲帷幕技術(shù)。

2)地層類型。當(dāng)垃圾場(chǎng)底部土層是由散體顆粒狀的砂、礫、卵石、碎石等組成的透水性較強(qiáng)的砂質(zhì)地基透水層時(shí)，不適合采用隔水帷幕的方式處理；垃圾底部如果位于裂隙發(fā)育區(qū)或灰?guī)r區(qū)，也不適合采用隔水帷幕的方式處理；如果垃圾場(chǎng)底部是防滲效果較好的黏土層，則可以考慮采用隔水帷幕的方式處理。

3)土層厚度。如果垃圾場(chǎng)底部土層是黏性土層，則可視土層厚度而定；如果黏性土層上部土層超過40 m時(shí)，則不建議采用帷幕防滲的方式，因其造價(jià)昂貴，施工質(zhì)量難以控制，不利于工程實(shí)施。

2.3 隔水帷幕的分類

巖土工程中的隔水帷幕大致可分為三類：利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身形成隔水帷幕，如地下連續(xù)墻、SMW墻和重力式擋墻；獨(dú)立設(shè)置隔水帷幕，如注漿帷幕、攪拌樁帷幕以及冷凍墻帷幕；圍護(hù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)間隔水帷幕聯(lián)合形成隔水帷幕，如灌注樁+旋噴樁、灌注樁+攪拌樁、鉆孔咬合樁等[10]。

非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)多位于城市的郊區(qū)及城鎮(zhèn)邊緣處，周邊環(huán)境簡(jiǎn)單，無重要的建筑物等。因此，非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)治理中的隔水帷幕多采用注漿帷幕、攪拌樁帷幕等獨(dú)立設(shè)置隔水帷幕。隔水帷幕又分為懸掛式帷幕和落底式帷幕。為了減少垃圾填埋土和滲濾液的污染范圍，非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)治理中的隔水帷幕多采用落底式帷幕。

2.4 落底式帷幕插入深度和墻體厚度的計(jì)算

1)落底式豎向隔水帷幕應(yīng)插入垃圾填埋場(chǎng)下臥不透水層中，其插入深度宜按式(1)計(jì)算，且不宜小于1.50 m[11]：

l≥0.2Δhw-0.5D

(1)

式中：l——帷幕進(jìn)入隔水層的深度，m；

Δhw——基坑內(nèi)外的水頭差值，m；

D——帷幕的墻體厚度，m。

2)隔水帷幕墻體厚度D可按式(2)計(jì)算，并應(yīng)結(jié)合施工要求綜合分析確定[12]：

(2)

式中：ΔH——上下游水頭差，m；

J允——墻體材料的允許比降。

非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)周邊地層一般受擾動(dòng)較大，導(dǎo)致隔水帷幕的施工區(qū)域分布有深厚的填土，甚至局部區(qū)域還會(huì)有生活垃圾和建筑垃圾等，這些會(huì)大大影響隔水帷幕的施工質(zhì)量和工程成本。因此，如何解決填埋場(chǎng)的深厚填土問題，也是隔水帷幕技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 隔水帷幕技術(shù)的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

1)某非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)位于北京市大興區(qū)，所在區(qū)域位于永定河沖積扇中下部，場(chǎng)地內(nèi)地勢(shì)較為平坦。自然地面以下40 m深度范圍內(nèi)地層巖性以粉土、黏性土和砂土為主，主要分布2層地下水，含水層巖性以中細(xì)砂為主；填埋場(chǎng)東側(cè)緊鄰一公路，周邊其他區(qū)域?yàn)楦亍⑼谅泛托⌒徒ㄖ?；?chǎng)地中部分布有一積水坑塘。該非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)原為采砂坑，停止采砂后于2002年左右開始填埋垃圾，垃圾成分主要為生活垃圾和建筑渣土，填埋方式為混合填埋。

2)該非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)在勘查時(shí)共劃分為5個(gè)區(qū)，即生活垃圾土填埋區(qū)(A區(qū))、混合垃圾土填埋區(qū)(B區(qū))、混合垃圾土浸泡區(qū)(C區(qū))、建筑渣土填埋區(qū)(D區(qū))和其他填埋土填埋區(qū)(E區(qū))，具體劃分情況如圖1所示。本垃圾填埋場(chǎng)擬采用處理后搬遷減量治理技術(shù)，即開挖篩分治理技術(shù)。治理范圍為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，面積為90 815 m2，占勘查區(qū)總面積的21%。

3)場(chǎng)地自然地面平均標(biāo)高為26.40 m，垃圾土埋深1.80～15.00 m，垃圾土底板標(biāo)高為11.81～24.62 m。垃圾土周邊的地層巖性以粉土、黏性土和中細(xì)砂為主，垃圾土底板下臥層為2.60～9.00 m的黏性土層。垃圾土與周邊地層的關(guān)系如圖2所示。

圖1 非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的勘查分區(qū)圖

圖2 垃圾土與周邊地層的關(guān)系

4)積水坑塘水面標(biāo)高為22.97 m，滲濾液水位埋深在4.00～7.00 m之間，水位標(biāo)高在19.32～21.51 m之間(靠近積水坑塘的個(gè)別區(qū)域滲濾液水位標(biāo)高為22.62 m)。填埋場(chǎng)周邊地層共分布2層地下水，第1層地下水為潛水，埋深為5.53～7.81 m，標(biāo)高為18.83～19.64 m，3～5年最高水位標(biāo)高為22.00 m；第2層地下水為承壓水，水位埋深為7.40～9.80 m，水位標(biāo)高16.91～18.56 m。

3.2 隔水帷幕的設(shè)置

3.2.1 采用隔水帷幕技術(shù)的必要性

坑塘積水與填埋區(qū)垃圾土及周邊土層主要通過垃圾或砂類土直接接觸，其間存在較密切的水力聯(lián)系，且坑塘積水補(bǔ)給滲濾液和地下水。垃圾填埋土已侵入到第1層含水層中，產(chǎn)生了大量的滲濾液，并污染到填埋場(chǎng)周邊的地下水。

當(dāng)垃圾填埋場(chǎng)采用開挖篩分治理技術(shù)時(shí)，若不采取止水措施，將大大增加地下水的抽出量，同時(shí)也加劇了垃圾土和滲濾液污染的擴(kuò)散。基于環(huán)境保護(hù)要求，抽出水均需處理達(dá)標(biāo)后排放，由此將增大填埋場(chǎng)治理經(jīng)濟(jì)成本。綜合考慮，該垃圾填埋場(chǎng)治理采取隔水帷幕技術(shù)。

3.2.2 隔水帷幕的設(shè)置情況

本填埋場(chǎng)內(nèi)分2個(gè)區(qū)段設(shè)置隔水帷幕，Ⅰ-Ⅰ區(qū)段隔水帷幕深度為15.50 m，Ⅱ-Ⅱ區(qū)段隔水帷幕深度為18.00 m；隔水帷幕中心線布置如圖1示。隔水帷幕選用高壓旋噴樁，設(shè)置兩排，樁徑800 mm，樁間咬合250 mm，兩排樁間相互咬合250 mm，墻體厚度為1.057 m，樁身進(jìn)入填埋土之下的相對(duì)隔水的黏土層中，且不小于1.50 m。

為了避免高壓旋噴樁在垃圾土和填埋土中成樁，影響隔水帷幕的效果，填埋區(qū)先進(jìn)行一級(jí)邊坡開挖，再進(jìn)行高壓旋噴樁的施工，樁頂標(biāo)高為22.00 m，成樁范圍內(nèi)均為自然土層。隔水帷幕樁的地層概化圖如圖3所示。隔水帷幕樁施工完成后，進(jìn)行垃圾土填埋區(qū)內(nèi)的降水施工；然后進(jìn)行二級(jí)邊坡開挖，至填埋土底板標(biāo)高。

圖3 隔水帷幕樁地層概化圖

4 結(jié)術(shù)語

非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)的治理技術(shù)一般包括搬遷減量技術(shù)、好氧穩(wěn)定化技術(shù)、原位封場(chǎng)治理技術(shù)等。搬遷減量技術(shù)屬于異位修復(fù)技術(shù)，好氧穩(wěn)定化技術(shù)和原位封場(chǎng)治理技術(shù)屬于原位修復(fù)技術(shù)。異位修復(fù)技術(shù)對(duì)污染的治理較為徹底，但成本較高，同時(shí)又在受納處增加了新的污染源；原位修復(fù)技術(shù)相對(duì)易于操作，成本適當(dāng)，但污染治理不徹底。

通過工程應(yīng)用詳述了隔水帷幕技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)搬遷減量治理中的適用性，有效阻止垃圾填埋場(chǎng)與周邊地層之間的水力聯(lián)系，減少垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)垃圾土和滲濾液對(duì)周邊地層污染的擴(kuò)散，也可為垃圾填埋場(chǎng)提供一個(gè)更加獨(dú)立封閉的穩(wěn)定化空間，加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化速度等。隔水帷幕技術(shù)在非正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)治理中有著較多的應(yīng)用，但隔水帷幕技術(shù)也有其適宜性，隔水帷幕應(yīng)用的基本條件是垃圾填埋場(chǎng)底部要有合適的防滲性較好的黏性土層。