生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉原

（中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100000）

1 概述

防滲系統(tǒng)是生活垃圾衛(wèi)生填埋場的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)層及材料的設(shè)計(jì)和選擇決定了填埋場產(chǎn)生的污染物質(zhì)向外部環(huán)境排放的量，也就是符合生活垃圾衛(wèi)生填埋的防滲標(biāo)準(zhǔn)。滲漏的防止不是絕對的，不管采用何種結(jié)構(gòu)的防滲系統(tǒng)，都會存在滲漏，從環(huán)境保護(hù)的角度來說，只要這種滲漏不會對周邊的環(huán)境造成不可逆的破壞，都是可以接受的。作為工程應(yīng)用來說，其建設(shè)成本還必須是可接受的。防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮施工的因素，因?yàn)閷?shí)際上，生活垃圾衛(wèi)生填埋場的防滲系統(tǒng)最終是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，更重要的是對施工質(zhì)量的控制，這可以通過在后文中防滲襯墊的滲漏率的計(jì)算中予以體現(xiàn)。

我國在生活垃圾衛(wèi)生填埋場方面的設(shè)計(jì)及研究起步較晚，這與我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和環(huán)境保護(hù)要求有關(guān)，但發(fā)展較為迅速。1997年我國才正式頒布了第一個(gè)與生活垃圾填埋場有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889—1997）；2004年，第一部生活垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計(jì)技術(shù)的行業(yè)規(guī)范頒布（CJJ17—2004）；2007年，又頒布了專門針對防滲系統(tǒng)的行業(yè)技術(shù)規(guī)范（CJJ113—2007）；此后又相繼頒布了針對封場、填埋氣、巖土設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)、滲漏檢測等較為齊全的行業(yè)技術(shù)規(guī)范并對部分標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行了升版。其中，《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》已升版為GB16889—2008版；填埋技術(shù)規(guī)范升版為《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》（GB50869—2013）版（取代CJJ17—2004，并上升為國標(biāo)），封場技術(shù)規(guī)范升版為GB51220—2017（取代CJJ112—2007，并上升為國標(biāo)）。

相比較，國外則已有60多年的研究和發(fā)展歷史[1]。盡管如此，由于填埋對象的復(fù)雜性以及廢物在填埋場內(nèi)反應(yīng)的復(fù)雜性、綜合性，關(guān)于填埋場的各學(xué)科方面研究還在不斷的開展中。就填埋場防滲結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)及滲漏研究，不同學(xué)者也有不同的見解。我國在這方面的研究起步較晚且相對較少，其根本原因是由于國內(nèi)高校在這方面開設(shè)的課程較少，而且基本上把這一課程放在環(huán)境工程學(xué)科上。而本質(zhì)上，這一學(xué)科既涉及與環(huán)境工程學(xué)科有關(guān)的污水（滲濾液）處理研究，更重要的是，其還涉及土工材料的應(yīng)用。而環(huán)境工程學(xué)科基本不教授與土工材料有關(guān)的課程，而土木學(xué)科又不進(jìn)行系統(tǒng)的污水處理方面的課程教授。從而形成了中間空白地帶。根據(jù)筆者多年與同行設(shè)計(jì)人員的交流以及在施工圖設(shè)計(jì)的審查過程中，均發(fā)現(xiàn)從事這一方面的設(shè)計(jì)人員基本為環(huán)境工程專業(yè)，普遍存在不熟悉防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念，也不懂計(jì)算。實(shí)際設(shè)計(jì)中，均依據(jù)相關(guān)的規(guī)范直接選取相關(guān)的結(jié)構(gòu)層及材料，而沒有掌握科學(xué)的計(jì)算。

本文將通過對中外防滲系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的對比和對國內(nèi)外有關(guān)防滲系統(tǒng)滲漏計(jì)算方法的論述，在此基礎(chǔ)上，以斯里蘭卡科倫坡固廢項(xiàng)目防滲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)用為例，論述具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可作為國內(nèi)同行從事類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參考[1]。

2 中外防滲系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的對比

2.1 國外標(biāo)準(zhǔn)

歐盟《廢物填埋指令》[2]對廢物分為3類：①危險(xiǎn)廢物；②非危險(xiǎn)廢物；③惰性廢物。其中，生活垃圾歸類為非危險(xiǎn)廢物類，該指令對防滲結(jié)構(gòu)的具體規(guī)定如下：天然地質(zhì)屏障：ks≤1×10-9m/s，厚度≥1m；或當(dāng)天然地質(zhì)屏障不滿足上述要求時(shí)，可采用等效的人工加固防滲層，但厚度至少為0.5m；滲濾液導(dǎo)排層：不小于0.5m。歐盟《廢物填埋指令》是對各成員國規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)，不同成員國的標(biāo)準(zhǔn)又有不同，如愛爾蘭，則細(xì)化增加了雙層防滲襯墊系統(tǒng)的最低標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，對采用HDPE膜作為人工襯墊材料也做了具體的規(guī)定（厚度至少為2mm）；同時(shí)，為控制施工質(zhì)量，對下部壓實(shí)土壤襯墊的分層碾壓厚度做了規(guī)定：不大于250mm[3]。而德國則更為嚴(yán)格，其《垃圾法第三管理?xiàng)l例》（又稱《生活垃圾技術(shù)條例》）要求采用由人工膜襯層和黏土襯層組成的復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)。在人工膜襯層以上鋪設(shè)排水層和保護(hù)層，總厚度不得小于30cm，其中人工膜襯層如果是HDPE膜，則要求最小厚度為2.5mm；黏土防滲層厚度不得小于0.75m（至少3層），滲透系數(shù)K≤1.0×10-8cm/s。美國聯(lián)邦《城市固體廢物填埋場標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定如下：①壓實(shí)土壤襯墊：至少2ft（約60cm）。②必須采用柔性膜襯墊，當(dāng)采用HDPE膜時(shí)，最小厚度為1.5mm。③滲濾液導(dǎo)排層的最小厚度為300mm（約12in）。

2.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國的防滲標(biāo)準(zhǔn)相對混亂，有住建部國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 50869—2013），住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ113—2007），還有環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)（GB16889—2008）。環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)和住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，只是住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的更為詳細(xì)。同時(shí)，對于單層襯墊，還細(xì)分為單層防滲和單層復(fù)合防滲，其區(qū)別主要在于壓實(shí)土壤的滲透系數(shù)，后者較前者小2個(gè)數(shù)量級。此外，住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和住建部國家標(biāo)準(zhǔn)相比，前者更為嚴(yán)格，其主要區(qū)別在于前者的單層防滲和雙層防滲標(biāo)準(zhǔn)中的膜下壓實(shí)土壤厚度均為75cm，而后者為50cm。從頒布的時(shí)間上，前者較后者早頒布，而后者標(biāo)準(zhǔn)相對放寬，不能不說是一種倒退現(xiàn)象。另，環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)對于結(jié)構(gòu)層的選擇有明確的規(guī)定，而住建部的標(biāo)準(zhǔn)則相對模糊，因此，在標(biāo)準(zhǔn)的選擇上較為混亂。

3 襯墊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理念

3.1 壓實(shí)黏土襯墊的滲漏率計(jì)算

壓實(shí)黏土襯墊的滲漏率可以通過達(dá)西定律來計(jì)算，達(dá)西定律是流體通過多孔介質(zhì)的基本方程，方程式如下：

式中：Q——通過襯里的滲漏量，m3/s；ks——土體的滲透系數(shù)，m/s；i——水力梯度，無量綱；A——流體穿過的面積，m2。

如果土體飽和，沒有土壤吸收，則水力梯度為：

式中：h——襯里上方水頭，m；D——壓實(shí)黏土襯墊厚度，m。

3.2 防滲理念

滲濾液透過壓實(shí)黏土襯墊的時(shí)間可按下式計(jì)算：

按照天然黏土防滲結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)（GB16889—2008），即：天然黏土的滲透系數(shù)為1×10-9m/s，厚度為2m考慮，則計(jì)算不同滲濾液水頭下滲濾液透過黏土防滲層的時(shí)間如表1所示。

表1 不同水頭下滲濾液透過黏土襯墊的時(shí)間

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，生活垃圾衛(wèi)生填埋場應(yīng)控制在填埋期間的襯層上方滲濾液深度不大于30cm。表中計(jì)算了襯里上方水頭從0.3~2.0m之間的穿透時(shí)間，這是因?yàn)?，?shí)際在運(yùn)行中，防滲襯層上方的水頭均高于標(biāo)準(zhǔn)值。

我國《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)導(dǎo)則》（RISN—TG 014—2012）中提及“不同防滲系統(tǒng)的防滲有效年限應(yīng)大于40年”，“防滲系統(tǒng)的安全性可參考滲漏率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估”。這是目前筆者所能查詢到的關(guān)于防滲設(shè)計(jì)理念的出處，限于經(jīng)驗(yàn)水平，目前未見國外標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)有此報(bào)道。

4 土工膜襯墊及復(fù)合襯墊的滲漏率計(jì)算

4.1 土工膜襯墊

土工膜襯墊是假設(shè)土工膜襯墊中有一個(gè)或多個(gè)小圓孔（缺陷），這些孔彼此分隔開，每個(gè)孔的滲漏都獨(dú)立于其他孔。襯墊上的水頭為常量，而土工膜下方的土體透水性相當(dāng)高，即土體對膜上小孔的滲漏沒有阻力。

伯努利方程如下：

式中：Q——土工膜的滲漏率，cm3/s；Cb——滲透系數(shù)，對圓孔約值0.6；a——土工膜中圓孔的面積，cm2；g——重力加速度，981cm/s2；h——襯墊上水頭，cm。

4.2 復(fù)合襯墊的滲漏率計(jì)算

4.2.1 Giroudetal模型

該方法可針對土工膜襯墊上產(chǎn)生圓形、方形、無限長及矩形缺陷的狀況計(jì)算，以圓形缺陷為例，公式如下：

式中：Q=滲濾液通過土工膜缺陷的滲漏率，m3/s；Cq0——接觸質(zhì)量因子，無量綱；h——膜上水頭，m；ts——膜下低透水層的厚度，m；d——膜上圓孔的直徑，m；ks——膜下低透水層的滲透系數(shù)，m/s。

需注意，該模型的應(yīng)用具有如下的前提：對于圓形缺陷，其孔徑應(yīng)不小于0.5mm且不大于25mm，對于非圓形，缺陷的寬度也應(yīng)滿足該要求；膜下低透水層的滲透系數(shù)應(yīng)不大于一定的限值。

4.2.2 Rowe模型

Giroud模型中，對土工膜與下部低透水襯墊的結(jié)合分為“好”和“差”兩種情形，Rowe則提出了另外一種觀點(diǎn)，其采用“界面?zhèn)鬟f率”來計(jì)算滲濾液穿過土工膜的滲透率，根據(jù)Rowe的研究，土工膜在鋪設(shè)過程中產(chǎn)生的褶皺是引起滲濾液透過土工膜的主要因素之一。

Rowe模型如下：

式中：Q——滲濾液通過土工膜缺陷的滲漏率，m3/s；L——褶皺長度，m；2b——褶皺寬度，m；ks——膜下低透水層的滲透系數(shù)，m/s；θ——界面?zhèn)鬟f系數(shù)，m2/s；hd——(hw+HL+HA-ha)，透過襯墊的水頭損失，m；ts——（HL+HA），膜下低透水層的厚度，m。

目前，我國《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)導(dǎo)則》（RISNTG014—2012）中對復(fù)合襯墊的滲濾液計(jì)算推薦采用Giroud模型，導(dǎo)則應(yīng)引用自USEPA93，因?yàn)樵撃Ｐ蜑镚iroud1989模型。J&W環(huán)境咨詢公司受南非廢物研究所（ISWMSA）委托對某項(xiàng)目的滲濾液滲漏風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告的評估中對未采用最新的Giround模型進(jìn)行了嚴(yán)厲的批評。這一事例充分說明，設(shè)計(jì)人應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)和掌握最新的設(shè)計(jì)理念和計(jì)算模型，否則在國際項(xiàng)目中將會遭遇極大挑戰(zhàn)[2]。

5 黏土襯墊的改性

5.1 改性的目的

國外的標(biāo)準(zhǔn)對膜下低透水層的滲透系數(shù)要求不大于1×10-7cm/s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滿足如此低滲透系數(shù)的土壤一般都是粉質(zhì)性黏土。因此，都會涉及改性或者在設(shè)計(jì)上采用具有同等防滲性能的結(jié)構(gòu)調(diào)整，需要小心控制工作參數(shù)，布置設(shè)備和控制壓實(shí)程序。按Giroud模型，防滲膜與低透水層結(jié)合差的情形下的滲漏率是較結(jié)合好的情形的5倍多。采用GCL+壓實(shí)黏土（CCL）的結(jié)構(gòu)層則較單純的CCL更容易控制施工質(zhì)量且施工方便，因?yàn)镚CL通常是扁平安裝的，而且如果施加足夠的壓應(yīng)力，從水化GCL中滲出的膨潤土泥漿有助于土工膜和GCL之間建立緊密的接觸。

5.2 黏土襯墊的改性

通過在黏土中添加膨潤土粉進(jìn)行黏土改性是最普遍的一種方法，N.K.Ameta通過在沙土中添加膨潤土粉的研究得出：滲透率受膨潤土的影響較大，在最佳含水率下、最大干密度下加入10%的壓實(shí)膨潤土后，滲透率由10-4cm/s降至10-8cm/s。DitaIndahLestari通過對印度尼西亞Batulayang的土壤改性研究發(fā)現(xiàn)，50%膨潤土和75%原狀土的混合物的滲透系數(shù)大于50%高嶺土和75%的原狀土的混合物的滲濾液。實(shí)際上，通過在土壤中混合膨潤土還可以增加混合土的固結(jié)強(qiáng)度。

5.3 科倫坡固廢項(xiàng)目防滲結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化

該項(xiàng)目招標(biāo)文件中防滲結(jié)構(gòu)層規(guī)定為HDPE膜單層復(fù)合襯里，膜下低透水層的滲透系數(shù)要求為不大于10-7cm/s，厚度不小于30cm。該場地周邊土壤以粉質(zhì)性沙土為主，室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)測得場地土體的滲透系數(shù)約3.95×10-8~1.01×10-7m/s。本項(xiàng)目防滲黏土總用量約37000m3，如按采用膨潤土改性（10%的投加量），則需膨潤土量為3700m3，根據(jù)填埋場的使用要求，需采用納基改性膨潤土，綜合考慮施工成本，調(diào)整后節(jié)省投資約100萬元[3]。

6 結(jié)語

本文主要對中外國家的生活垃圾衛(wèi)生填埋場技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，同時(shí)，說明了填埋場襯墊設(shè)計(jì)的基本理念，文中提到的防滲襯墊滲漏的計(jì)算模型均為當(dāng)前的最新進(jìn)展和成果，這些成果的總結(jié)有助于我國的生活垃圾衛(wèi)生填埋設(shè)計(jì)工作者在從事國外項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作時(shí)使用。