山谷型垃圾填埋場(chǎng)地下水的影響與控制

垃圾填埋場(chǎng)按場(chǎng)址地形可分為山谷型、平原型和坡地型，我國(guó)城鎮(zhèn)垃圾填埋場(chǎng)以山谷型居多。一方面，選擇“兩山夾一溝”的山谷建設(shè)填埋場(chǎng)，可利用自然形成的庫(kù)容，容易滿(mǎn)足庫(kù)容和使用年限要求。另一方面，相對(duì)于可耕土地，山地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較低、遠(yuǎn)離居住區(qū)，土地更容易獲得。但從工程條件來(lái)看，山谷型填埋場(chǎng)并不是最優(yōu)的選址[1]，存在一些不利因素，如易受山洪威脅、堆體存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)、垃圾運(yùn)輸及施工難度大等。此外，山區(qū)地下水對(duì)填埋場(chǎng)的安全也存在一定的影響。在填埋場(chǎng)建設(shè)中，常常更關(guān)注如何控制填埋場(chǎng)對(duì)地下水的污染，而對(duì)地下水給填埋場(chǎng)帶來(lái)的影響往往重視不夠，特別是山谷型填埋場(chǎng)地下水具有賦存量小、水深淺等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和建設(shè)中更容易被忽略。此外，山谷型填埋場(chǎng)建設(shè)會(huì)改變?cè)械叵滤a(bǔ)、徑、排條件，實(shí)踐證明，如果忽視地下水的影響，可能出現(xiàn)安全問(wèn)題。因此，應(yīng)在設(shè)計(jì)和建設(shè)中采取有效的地下水控制措施以保證安全。

本研究根據(jù)遼寧等地區(qū)山谷型垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析地下水浮力和土力學(xué)性能改變所帶來(lái)的填埋場(chǎng)安全問(wèn)題，探討采取地下水導(dǎo)排盲溝、導(dǎo)流層等措施，有效控制地下水對(duì)填埋場(chǎng)影響的方法。

1.山谷型填埋場(chǎng)場(chǎng)址水文地質(zhì)條件特點(diǎn)

我國(guó)幅員遼闊，不同地域的山區(qū)水文地質(zhì)條件各有特點(diǎn)。以遼寧省為例，全省總體地勢(shì)北高南低，山地丘陵位列東西兩側(cè)，廣闊的遼河平原居于腹部。遼東山區(qū)山勢(shì)較陡、土層較厚、植被良好，巖體以古老的變質(zhì)巖和花崗巖為主、風(fēng)化裂隙發(fā)育，地下水為第四系沉積物孔隙潛水和風(fēng)化帶裂隙水；遼西山區(qū)以低山丘陵地貌為主，溝谷多、植被少，水土流失嚴(yán)重，巖體為中生代火山巖與碎屑巖，地下水類(lèi)型為碎屑巖孔隙裂隙水和基巖風(fēng)化帶裂隙水；遼北地區(qū)低丘波狀起伏，丘陵和盆地相間、地勢(shì)平緩，松散巖層中含孔隙水。大氣降水是山區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源，降水沿巖石裂隙下滲匯集成地下徑流，以潛流或泉水的形式注入河流。

山谷型垃圾填埋場(chǎng)一般為“兩山夾一溝”的地貌形態(tài)，是相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。從地貌來(lái)看，有的邊坡較陡，溝谷較窄，呈V字形；有的邊坡較緩，溝谷開(kāi)闊平緩，呈U字形。從地質(zhì)條件來(lái)看，基巖風(fēng)化帶裂隙一般較大，第四系覆蓋層為坡積型、洪積型，邊坡較淺，粗顆粒較多，有的地方基巖裸露；溝谷沉積物較厚，一般以黏土、粉質(zhì)黏土的細(xì)顆粒為主。從地下水的賦存條件來(lái)看，東部山區(qū)降雨量較大，植被良好，地下水較豐富，埋藏較淺，在坡腳或溝谷多存在泉涌；西部山區(qū)降雨量小，地下水主要為碎屑巖裂隙水，排泄條件好，枯水期一般無(wú)地下水。

2.山谷型填埋場(chǎng)地下水的影響

山谷型垃圾填埋場(chǎng)多在溝口修建垃圾壩并利用山體合圍成填埋庫(kù)區(qū)，在庫(kù)區(qū)場(chǎng)底和邊坡鋪設(shè)人工防滲層。同時(shí)，為保證邊坡穩(wěn)定和便于防滲膜的鋪設(shè)，需要對(duì)場(chǎng)底和邊坡進(jìn)行一些開(kāi)挖和修整，山谷的地貌也會(huì)隨之發(fā)生一定的改變。典型的山谷型填埋場(chǎng)縱剖面，如圖1所示。

圖1 山谷型填埋場(chǎng)縱剖面示意圖

由于土方清整和筑壩會(huì)改變?cè)械牡叵滤a(bǔ)、徑、排條件，導(dǎo)致原有的局部地下水位及泉眼位置發(fā)生變化，此時(shí)如果地下水疏導(dǎo)不暢，會(huì)對(duì)填埋場(chǎng)帶來(lái)以下幾個(gè)方面的影響：

（1）對(duì)場(chǎng)底防滲層的影響

對(duì)場(chǎng)底防滲層的影響易出現(xiàn)在下游溝谷位置（垃圾壩附近），原因在于這個(gè)區(qū)域標(biāo)高最低、地下水水位較淺，開(kāi)挖可能導(dǎo)致場(chǎng)底標(biāo)高下降、水位升高。潛水主要受大氣降水補(bǔ)給，水位變化較大，暴雨期間水位上升、水量增加，溝口平緩區(qū)域水位可能上升至填埋場(chǎng)場(chǎng)底標(biāo)高以上。如果地下水導(dǎo)排不暢，在地下水浮力作用下，可能造成HDPE膜的隆起、開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致GCL的失效。

（2）對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

山谷型垃圾填埋場(chǎng)邊坡可能會(huì)失穩(wěn)、滑坡，造成防滲層的破壞?；碌男螒B(tài)有平面滑動(dòng)和圓弧滑動(dòng)兩大類(lèi)，山谷型填埋場(chǎng)易發(fā)生土層沿基巖面的滑動(dòng)，該滑動(dòng)為非弧形滑動(dòng)，可采用不平衡推力傳遞法進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算公式[2]如下：

式中，Pi、Pi-1為第 i塊、i-1塊滑體的剩余下滑力；Wi為滑體自重；K為安全系數(shù)；φ為土的內(nèi)摩擦角；c為土的粘聚力；li為滑體沿滑動(dòng)面的長(zhǎng)度。

滑坡推力計(jì)算示意圖如圖2所示：

圖2 滑坡推力計(jì)算示意圖

如果計(jì)算結(jié)果剩余下滑力Pi≤0，說(shuō)明該段以上邊坡是穩(wěn)定的。由公式可知，邊坡穩(wěn)定與場(chǎng)址的地形地貌、巖土性質(zhì)等有關(guān)，巖土性質(zhì)會(huì)因地下水（滲流）發(fā)生改變。因此，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成的影響不容忽視。

山谷型填埋場(chǎng)一般沿庫(kù)區(qū)周邊設(shè)置截洪溝，截流場(chǎng)外雨水，但截洪溝只能截流地表徑流，部分降雨會(huì)滲入地下。滲入地下的徑流量與植被、巖土滲透性等因素有關(guān)，當(dāng)植被茂盛、土層松散時(shí)，截洪溝截流的地表徑流量較小，除了植被的蒸騰作用，大部分雨水會(huì)形成地下滲流由邊坡進(jìn)入庫(kù)區(qū)底部。地下滲流增加了巖土重量，土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力發(fā)生改變，巖土的抗剪強(qiáng)度降低、穩(wěn)定性下降，暴雨期間容易造成巖土滑坡。邊坡開(kāi)挖可能造成局部泉涌出露，如果排泄通道受阻，滲流壓力更容易造成邊坡失穩(wěn)，給防滲層造成破壞。

（3）對(duì)滲瀝液調(diào)節(jié)池的影響

調(diào)節(jié)池一般設(shè)置在垃圾壩下游，有土池（鋪設(shè)HDPE膜防滲）和鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)形式。山谷型填埋場(chǎng)一般利用重力流收集垃圾滲瀝液，因此，調(diào)節(jié)池池底標(biāo)高一般較低，受地下水浮力的影響更大。如果鋼筋混凝土池體在設(shè)計(jì)時(shí)忽略了抗浮設(shè)計(jì)，或在施工時(shí)未采取有效的基坑降水措施，可能會(huì)造成池體的開(kāi)裂和滲漏。土池抗浮能力很差，如果地下水未能有效導(dǎo)排，地下水位較高，HDPE膜將會(huì)浮起。

3.山谷垃圾填埋場(chǎng)地下水影響的控制方法

填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)前，應(yīng)對(duì)場(chǎng)址水文地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)，掌握地下水的賦存形式，地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，地下水的運(yùn)動(dòng)特征及水量變化規(guī)律等[3]，并結(jié)合庫(kù)區(qū)土方清整、壩體工程設(shè)計(jì)，評(píng)估地下水可能造成的影響。地下水影響控制的主要方法是修建地下水導(dǎo)排系統(tǒng)，其目的首先是對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水進(jìn)行疏導(dǎo)，避免地下水在場(chǎng)區(qū)底部、邊坡、壩體等處滯留，有效降低場(chǎng)區(qū)地下水水位。根據(jù)山谷型填埋場(chǎng)特點(diǎn)，地下水導(dǎo)排系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）地下水導(dǎo)排系統(tǒng)的布置及結(jié)構(gòu)形式

地下水導(dǎo)排系統(tǒng)一般由主盲溝、支盲溝和地下水導(dǎo)流層組成。山谷型垃圾填埋場(chǎng)的形狀一般為沿山谷縱向較長(zhǎng)、橫向較窄。地下徑流沿山體兩側(cè)向溝谷匯流，在溝谷底部地下徑流較為集中，因此，地下水導(dǎo)排主盲溝一般沿山谷縱向鋪設(shè)。根據(jù)場(chǎng)底寬度和水力計(jì)算結(jié)果，可鋪設(shè)一條或多條主盲溝。沿主盲溝方向間隔20m～40m設(shè)置支盲溝。同時(shí)，為保證地下水導(dǎo)排效果、更安全地控制地下水水位，可在場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)層底部鋪設(shè)地下水導(dǎo)流層。

導(dǎo)排盲溝一般由HDPE穿孔管外包卵（礫）石反濾層組成。導(dǎo)流層由卵（礫）石鋪設(shè)而成，粒徑20mm～50mm，厚度不小于30cm。導(dǎo)流層和基礎(chǔ)層之間鋪設(shè)200g/m2非織造土工布作為反濾層。

地下水導(dǎo)排系統(tǒng)的具體布置應(yīng)根據(jù)場(chǎng)址的水文地質(zhì)條件、地下水徑流和排泄條件進(jìn)行設(shè)置。同一山谷由于填埋場(chǎng)所處位置的不同，所受地下水的影響情況也不盡相同。如果填埋場(chǎng)位于地勢(shì)較高的山谷上游，匯水面積小、地下徑流排泄條件好，填埋場(chǎng)將不受地下水的影響或影響很小，地下水導(dǎo)排系統(tǒng)可相應(yīng)地進(jìn)行簡(jiǎn)化；相反，若填埋場(chǎng)位于山谷下游，靠近洪積層、沖積層，地下水的影響相對(duì)較大，地下水導(dǎo)排系統(tǒng)就應(yīng)當(dāng)?shù)玫郊訌?qiáng)?；诖?，設(shè)計(jì)時(shí)就不能機(jī)械地照搬一個(gè)模式布置地下水導(dǎo)排系統(tǒng)，這樣不僅可能會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，而且會(huì)達(dá)不到導(dǎo)排效果。

另外，對(duì)于邊坡地下滲流的影響也應(yīng)當(dāng)引起重視。如果邊坡地勢(shì)高、水力坡降大，第四系覆蓋層和巖石透水性較好，地下滲流一般將不會(huì)由邊坡滲出，就不需要設(shè)置地下水導(dǎo)排系統(tǒng)。但是，當(dāng)土層滲透性差，特別是局部形成泉涌時(shí)，邊坡的地下水導(dǎo)排就顯得十分重要。由于邊坡鋪設(shè)HDPE防滲膜，邊坡滲水被阻隔，只能導(dǎo)流至場(chǎng)底地下水導(dǎo)排系統(tǒng)。針對(duì)這一情況，一般可鋪設(shè)復(fù)合排水網(wǎng)和卵（礫）石盲溝進(jìn)行導(dǎo)排。其中，采用卵（礫）石盲溝對(duì)局部泉涌導(dǎo)排的效果更好。同時(shí)，對(duì)于透水性差、易塌陷的淤泥土，可更換填透水性較好的材料。山谷型填埋場(chǎng)地下水收集系統(tǒng)的做法，如圖3所示。

圖3 山谷型填埋場(chǎng)地下水收集系統(tǒng)典型斷面圖

（2）山谷型填埋場(chǎng)地下水導(dǎo)排系統(tǒng)的水力計(jì)算

《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》 （GB50869-2013）規(guī)定，地下水水量的計(jì)算宜根據(jù)填埋場(chǎng)址的地下水水力特征和不同埋藏條件分不同情況計(jì)算，計(jì)算方法可參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ120-2012）附錄E“基坑涌水量計(jì)算”。此方法比較適合場(chǎng)底面積大、場(chǎng)底位于地下水位下的平原型填埋場(chǎng)。山谷型填埋場(chǎng)一般通過(guò)盲溝導(dǎo)排地下水，可參照給水工程中無(wú)壓含水層滲渠計(jì)算公式，其包括完整式滲渠和非完整式滲渠。計(jì)算公式如下：

式中，Q為滲渠出水量(m3/d)；K為滲透系數(shù) (m/d)；R為影響半徑 (m)；L為滲渠長(zhǎng)度(m)；H為含水層厚度 (m)；h0為滲渠水位距含水層底板的高度(m)。

設(shè)置地下水導(dǎo)排盲溝的主要目的在于收集地下水，降低填埋區(qū)底部地下水水位?！渡罾l(wèi)生填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》 （GB16889-2008）規(guī)定，地下水導(dǎo)排系統(tǒng)應(yīng)確保填埋場(chǎng)的運(yùn)行期地下水水位距離填埋區(qū)基礎(chǔ)層底部1m以下。應(yīng)用上述公式通過(guò)計(jì)算來(lái)確定地下水導(dǎo)排盲溝的管徑、標(biāo)高，以滿(mǎn)足上述規(guī)定。通常地下水導(dǎo)排干管外徑不小于250mm，支管外徑不小于200mm。

4.山谷型填埋場(chǎng)地下水影響與控制案例分析

（1）桓仁縣垃圾填埋場(chǎng)

桓仁縣位于遼寧省東南部，垃圾填埋場(chǎng)一期工程于2007年建成，二期于工程2014年完成。場(chǎng)址位于地勢(shì)較高、起伏較大的山谷。場(chǎng)址基巖為安山巖和凝灰?guī)r，第四系松散堆積物主要為坡積層，厚度為3m～6m，主要為碎石土、黏土。地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，孔隙潛水埋藏于山坡下部和溝底覆蓋層內(nèi)。

一期工程沿溝底縱向設(shè)計(jì)了地下水導(dǎo)排盲溝。施工開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)垃圾壩壩址處東側(cè)山體存在泉涌，由于征地限制壩址無(wú)法移位，所以在壩址東側(cè)增加了下水導(dǎo)排支盲溝，將泉水導(dǎo)排到下游，一期工程運(yùn)行至今壩體未出現(xiàn)問(wèn)題。但庫(kù)區(qū)東側(cè)邊坡出現(xiàn)局部坍塌、防滲膜接口開(kāi)裂的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查以及結(jié)合地質(zhì)條件分析，本場(chǎng)址第四系沉積物以黏土為主，滲透性差，局部易形成泉涌。由于設(shè)計(jì)和施工中未對(duì)邊坡泉涌進(jìn)行導(dǎo)排，暴雨期間徑流量增大，造成邊坡坍塌、防滲層破壞，后又增設(shè)了碎石盲溝將泉涌導(dǎo)排至場(chǎng)底主盲溝，處理后邊坡至今未出現(xiàn)問(wèn)題。

（2）黑山垃圾填埋場(chǎng)

黑山縣位于遼寧省西部，垃圾填埋場(chǎng)于2011年建成，地處該縣北部的尖子山南側(cè)坡地。填埋庫(kù)區(qū)利用坡地兩條自然沖溝開(kāi)挖而成，地表土層較厚，以粉質(zhì)黏土為主，基巖為凝灰?guī)r、砂巖、花崗巖，風(fēng)化程度高，地下水為基巖裂隙水，坡腳平緩地帶為上層滯水。

庫(kù)區(qū)北側(cè)開(kāi)挖遇風(fēng)化巖，局部裂隙出現(xiàn)滲水，設(shè)計(jì)采用碎石盲溝進(jìn)行導(dǎo)排。西北側(cè)按設(shè)計(jì)庫(kù)區(qū)邊界對(duì)現(xiàn)狀沖溝上游進(jìn)行了回填。2012年夏季遼寧地區(qū)發(fā)生特大暴雨，庫(kù)區(qū)回填處發(fā)生滑坡，防滲層局部破壞，原因在于回填未采用設(shè)計(jì)要求的透水性好的土料，而是以庫(kù)區(qū)黏土回填，回填處邊坡巖石裂隙水未進(jìn)行導(dǎo)排處理。暴雨導(dǎo)致巖石裂隙水增多、黏土滲透性變差、飽和后抗剪強(qiáng)度降低，地下徑流導(dǎo)排不暢最終導(dǎo)致回填土滑坡、防滲層破壞。為此，采取了如下處理措施：將回填土全部挖除，采用透水性好的材料回填，并分層設(shè)置碎石盲溝與場(chǎng)底地下水導(dǎo)流層相連，同時(shí)在回填后的坡面設(shè)置復(fù)合排水網(wǎng)。處理后邊坡至今未出現(xiàn)問(wèn)題。

（3）內(nèi)蒙古扎蘭屯市垃圾填埋場(chǎng)

扎蘭屯市垃圾填埋場(chǎng)位于扎蘭屯市東南部，為低山丘陵地貌，地勢(shì)平緩開(kāi)闊。第四系沉積物以殘積松散堆積物為主，由粉砂、粉質(zhì)土、黏土砂礫、角礫等組成?；鶐r為第三系殘積巖，巖石破碎，呈碎塊狀。地下水埋深在5m～10m之間，大氣降水直接滲入補(bǔ)給，排泄方式以側(cè)向徑流為主。

由于填埋場(chǎng)場(chǎng)底設(shè)計(jì)標(biāo)高高于地下水位，該工程未設(shè)計(jì)地下水導(dǎo)排系統(tǒng)。但滲瀝液調(diào)節(jié)池標(biāo)高較低，設(shè)計(jì)中忽略了調(diào)節(jié)池的地下水導(dǎo)排問(wèn)題。調(diào)節(jié)池位于垃圾壩下游，采用HDPE膜防滲的土池結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)60m×寬40m），運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)池東北角池底防滲膜鼓起，其原因?yàn)檎{(diào)節(jié)池建在地質(zhì)條件不均勻的場(chǎng)地，池底部大部分為粉質(zhì)土、無(wú)地下水，但東北角為礫石土，存在地下徑流。采取的補(bǔ)救措施是在調(diào)節(jié)池東北角上游打出一眼管井，放置潛水泵自動(dòng)抽水，以降低地下水水位，調(diào)節(jié)池防滲膜鼓起問(wèn)題得到解決。該案例說(shuō)明如果地下水位于防滲層上，即使地下徑流不大，如果不及時(shí)導(dǎo)排，也會(huì)對(duì)防滲襯層造成破壞。

5.結(jié)論

在垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和施工中，人們更多地關(guān)注如何控制填埋場(chǎng)對(duì)地下水的污染，而地下水對(duì)填埋場(chǎng)的影響往往重視不夠。特別是山谷型填埋場(chǎng)的地下水問(wèn)題更容易被忽視。實(shí)踐證明，如果對(duì)地下水的情況考慮不周、導(dǎo)排措施不當(dāng)，山谷型填埋場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題，影響填埋場(chǎng)的正常運(yùn)行，甚至造成較大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

山谷型垃圾填埋場(chǎng)地下水帶來(lái)的影響與場(chǎng)址地形地貌、水文地質(zhì)條件、人工開(kāi)挖回填及降雨強(qiáng)度等因素有關(guān)，地下水導(dǎo)排系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)在查明場(chǎng)址水文地質(zhì)情況下，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要措施包括設(shè)置地下水導(dǎo)流層、導(dǎo)排盲溝等。設(shè)計(jì)中不能忽視庫(kù)區(qū)邊坡的地下滲流導(dǎo)排，特別是庫(kù)區(qū)匯水面積較大、巖石裂隙發(fā)育、坡積物較厚、存在泉涌的場(chǎng)址。邊坡地下水導(dǎo)排措施可采用復(fù)合排水網(wǎng)，局部集中滲流采用卵（礫）石盲溝效果較好。

《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》 （GB50869-2013）規(guī)定了地下水導(dǎo)排系統(tǒng)設(shè)置的條件、形式、收集管管徑等，但對(duì)山谷型垃圾填埋場(chǎng)地下水水力計(jì)算、邊坡導(dǎo)排形式等內(nèi)容沒(méi)有具體的規(guī)定和參考，這方面的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程中不斷總結(jié)和完善。