衛生填埋場防滲系統設計與材料選用
摘要：根據工程實例，介紹衛生填埋場防滲方式的設計和各種防滲材料在工程設計中的應用。
關鍵詞:衛生填埋場；防滲設計；防滲襯墊。
近年來，隨著生產垃圾、生活垃圾、商業垃圾和旅游垃圾等大量城市固體廢棄物的產生，衛生填埋場成為城市垃圾最終處理的方式之一。衛生填埋場簡言之就是在鋪設良好防滲性能襯墊的場地上，將固體廢棄物鋪成一定厚度的薄層，加以機械壓實，并分層加土覆蓋消毒。衛生填埋場工程設計主要包括：場區道路，場地平整，防滲工程，壩體工程，洪雨水及地下水導排，滲濾液收集、處理和排放，填埋氣導排、收集處理或利用，垃圾計量設施，防飛散設施，封場工程，水質監測等。其中防滲系統的處理及材料的選用是填埋場設計的主要核心所在。
填埋場防滲設計方式按場地水文地質類型可采用天然防滲、人工防滲和復合防滲方式。同時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。填埋場防滲處理通常要運用各種防滲襯墊將水平防滲和垂直防滲兩種方式結合考慮。
1 各種防滲方式采用的前提條件
1.1 天然防滲
對場地的土壤、水文地質要求較高，一般自然蒸發量要超過降水量5Ocm，粘土襯墊的厚度大于2m，填埋場地為可溶性場地，具有不透水或低透水的粘土層（滲透率＜10-7cm/s），可將滲濾液截留在垃圾中以免擴散。
1.2 人工防滲
當填埋場天然地基不能滿足滲透性要求時，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、人工結合的防滲方式
場地天然地質條件較好，即地基粘土液體傳導性很低，但在長期運行中不能完全防止滲濾液滲透，為使填埋場的建設既符合標準又經濟，大多填埋場根據場址條件采用天然和人工結合的防滲方式。這種防滲方式多用于山谷型填埋場，具體情況如下：
1)當場地底部粘土較厚、滲透系數較低，可滿足防滲要求，而側向由于巖石裂隙發育等原因達不到要求時。采用垂直天然防滲和水平人工防滲結合的方式。
2)當場地底部粘土及地質能滿足防滲要求，考慮周邊環境為進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構。
3)當場地底部粘土或地質部分滿足防滲要求時，考慮節省投資，可按區域采用天然和人工結合防滲方式。
2 防滲材料的設計選用
當填埋場天然條件不能滿足防滲要求時，就必須采用人工防滲材料進行處理。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業廢棄物填埋場，而合成橡膠系、乙烯系多用于一般廢棄物填埋場，土工合成粘土襯墊多用于封場或地基變形較大的場地，瀝青混凝土襯層適用于當地砂石料便宜、地基條件穩定的填埋場。
按有關規定，選用的人工襯墊系統需滿足的一般要求為：a)襯墊和其他結構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生變化；b)襯墊(包括瀝青、橡膠或聚乙烯等)應該滿足一定的標準。如:滲透率＜10-7cm/s；具有適宜的強度和厚度;襯墊抗壓強度必須大于0.6MPa，不因填埋碾壓而產生斷裂;應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、土壤細菌和真菌的侵蝕;具有適當的耐候性，經得起急劇的冷熱變化;具有足夠的抗拉強度，可抵御垃圾中堅硬物體的刺、劃；厚度均勻及無薄點、裂縫、磨損、氣泡和外來顆粒;便于施工和維護。
2.1 天然防滲材料壓實粘土襯層
2.1.1 壓實粘土概念
壓實粘土是指在工程實施中將襯層粘土在一定的含水量范圍內壓實，達到設計最小干密度(通常用壓實度來表示)。壓實粘土早期廣泛應用于填埋場襯墊以及作為城市固體廢棄物封閉，同時在公路地基、建筑填方、堤防和垃圾土壩等方面也有應用。
2.1.2 設計標準和土料試驗
壓實粘土的主要技術參數---滲透系數值必須小于或等于l×l0-7cm/s。除此之外,在設計中還要考慮其它因素，如抗干裂性能、抗剪強度、抵抗化學侵蝕能力、壓實度、含水量、與其面上覆蓋的其它防滲材料界面摩擦和發生沉降時不產生裂縫的抗變形能力等。
為獲得合格壓實粘土襯墊，必須建立良好的土料干密度、含水量和滲透系數三者的關系，其方法主要是用擊實試驗和滲透試驗進行測試。
2.1.3 施工要求
低滲水率的粘土襯墊在衛生填埋場中施工時，必須對土進行合理的重塑和壓實，使其壓實后壓實層厚度不大于15cm，壓實度為90%-95%，含水量略高于最優含水量，以達到滲透率≤1×10-7cm/s，滿足抗干裂和高抗剪強度的要求。
壓實粘土襯墊由于不可能在任何地點都能找到合適的材料，同時施工和質量保證步驟復雜、易干裂和會產生固結水，應用上受到限制。
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，它是近年來廣泛用于填埋場建設中的三大材料之一(其它兩種為土工網和土工織物）。目前用來生產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，衛生填埋場設計采用厚度≥1.5mm、滲透系數在0.5×10-10～0.5×10-13cm/s之間的材料。
1)高密度聚乙烯(HDPE)土工膜
高密度聚乙烯(HDPE)土工膜是衛生填埋場中應用最廣泛的土工膜，它是由高分子聚乙烯通過吹塑或平擠制成的具有很強耐久性的防滲材料。主要特征：化學性能穩定，垃圾滲濾液不會對其構成威脅;低滲透性，確保地下水和雨水滲透液不會滲過襯墊，甲烷氣不會溢出排放系統;抗紫外線性能穩定，HDPE中的碳黑加強了抗紫外線能力，不含增塑劑，解決了暴露在紫外線下被分解的問題。
HDPE土工膜按規格幅寬一般為3m、3.5m、4m、6m、7m，衛生填埋場鋪設面積較大，考慮減少焊縫和施工周期，設計要求幅寬大于6m。對于力學性能，主要指標要求如表1。
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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地和垃圾封場。其特性表現為: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，抗開拉性，它能承受多種環境應力；抗穿刺能力，能適用基底巖層；同時還具有化學穩定性、低滲透性和抗紫外線性能。
3)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始推廣使用。它的主要特性是:加強了合成纖維襯墊與土、無紡布以及其它土工合成纖維的表面摩擦，增強了抗滑穩定性。
織物土工膜與粘土的最高摩擦系數:摩擦角29°時，凝聚力為6.0kPa;與無紡土工織物最高摩擦系數:摩擦角32°時，凝聚力為2.2kPa。織物土工膜的厚度一般有1.5mm、2.0mm和2.5mm三種。
2.2.2 土工膜襯墊的滲漏量計算
填埋場中垃圾液體和垃圾成分從不破壞、不被刺穿、沒有加筋破壞的土工膜透過的主要方式為分子擴散，這種擴散主要發生在梯度集中處，如由于土工膜內部結構缺陷引起的不連續纖維或針孔。假定土工膜襯墊中有一個或多個缺陷小圓孔，而且彼此隔開，那么依據伯努利方程［式（1）］可估算出土工膜上的滲漏率。參見圖1
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Q＝Cb a (2gh) 0.5 (1)式中:
Q--土工膜的滲漏量，cm3/s;
Cb--滲流系數，對圓孔為0.6;
a--士工膜中一個圓孔面積,cm2;
g--重力加速度，9.8m/s2
h--襯墊上水頭，cm。
2.2.3 施工鋪設
土工膜鋪設相對于其它合成材料施工較為復雜。首先必須對土工膜各項指標(密度、拉伸強度、延伸率及撕裂強度等)在現場進行檢測，然后開展場地處理、膜體接合焊接、試驗焊接、缺陷修復、破壞性測試和回填保護等。
1)基層處理：鋪設前應去除表面廢渣、樹根和突起的巖石等，以保證面層光滑;所需填料應由級配良好的材料組成，不含有機物、垃圾、粘土塊或其它有害物質，以免引起土工膜的破壞;同時地基應根據設計要求壓實到一定密實度，確保提供一個堅固、不屈服的基礎以允許運行車輛和焊接設備通行，不產生壓痕或其它破壞。
2)除利用材料與土之間的摩擦力外，為充分發揮密實填土作用下的抗拔力，在土工膜放置之前要按設計位置和寬度開挖錨固溝，同時在土工膜的施工鋪設過程中，必須按要求在坡面(或山坡)中間平臺和坡頂端末端收口處有一段水平伸出;并伸進錨固溝用壓密回填土覆蓋。見圖2
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3)土工膜接合焊接和測試
土工膜的接合焊接是成功阻止滲漏的關鍵環節。通常情況接縫應與斜坡平行(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，并調整好膜塊以減少褶皺，這樣通過預先設置的壓力齒輪使得兩個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脂焊條，用熱空氣熔化材料使薄層表面均勻粘結。
完成焊接的土工膜必須按設計要求分段或分片進行空壓試驗(雙軌熔焊)和真空試驗(單焊縫焊接)并按一定長度取樣進行破壞性測試。
2.3 膨潤土防滲材料
在衛生填埋場中設計和應用的膨潤土防滲材料主要有兩種:膨潤土防水板和土工聚合粘土襯墊(GCL)。
2.3.1 膨潤土防水板
膨潤土防水板構造是以瓦楞紙板為外殼，內填裝特定配方的膨潤土。其原理是鋪設回填土后，膨潤土粒子吸水膨脹，在添加劑作用下形成膠體并充滿整個紙板空間，膨脹后起到防水和抗滲作用。這種材料的設計參數及特性:膨潤土防水板一般長1100～1450mm、寬720～860mm、厚3.5～5mm，具體可依據設計要求和設備能力確定;滲透系數值為l×10-8cm/s,無壓膨脹值＞7mL/g,耐干裂，耐低溫。施工相對簡便，以自然搭接方式鋪設，搭接寬度＞5cm。這種材料主要適用于平原填埋場，對于山區或溝谷填理場應用則受到一定限制。
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)簡稱鈉基膨潤土墊，是膨潤土夾在土工織物中間或連接在土工膜上復合制成的，它是目前國內外填埋場應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土、上覆粘絲土工織物構成，三重復合型，以細粒鈉基膨潤土機縫在兩層針刺無紡聚丙烯土工織物間構成;膜土復合型，將膠結膨潤土固定在HDPE土工膜上;三重合成物，以無紡針刺土工織物為頂層、膨潤土(膠溶)和無紡針刺土工織物為底層構成。最后一種在填埋場中應用最為適合和普及。
2)技術參數及特性
填埋場設計GCL的主要技術要求:膨潤土含水量＜8%，單位面積質量＞4.5kg/m2，滲透系數＜1×10-9cm/s。總厚度5～6mm和幅寬＞6m。它的突出特點是利用高性能混土水反應時體積膨脹13～16倍的特性對損傷部位及3mm體內裂紋進行自我修補，同時它具有永久防水效果、高強度、高延伸率、耐腐蝕及耐沖擊性。
3)施工鋪設
GCL施工相對簡便，不受氣溫影響，不需特殊設備，工期短。施工中GCL的連接通常重疊即可，重疊區域為150～300mm,如有補丁或顆粒移動缺損，則至少搭接300mm。鋪設后要在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產生不均勻膨脹。施工后不需要特別的檢查。
GCL可大大解決粘土的缺乏問題，同時減少墊層系統厚度，增大庫容。我國具有豐富的鈣、鈉基膨潤土粘土礦物，因此GCL從性能價格比分析有廣闊的發展前景。
2.4 無紡土工織物
2.4.1 無紡土工織物類型
無紡土工織物簡稱無紡布，是衛生填埋場防滲設計和施工必備材料，它是由聚脂紡織纖維制成，用機械（針刺)或加熱或化學方法加固的織物。按材料類型分為長纖無紡土工布和短纖無紡土工布，衛生填埋場考慮到力學性能(拉伸強度、撕裂強度、頂破強度及拉伸延伸率)等因素，大多采用長纖無紡土工布。
2.4.2 設計應用
在填埋場設計中主要考慮三個方面的應用:
1)無紡土工布鋪設在滲濾液導排層上或熱粘在HDPE滲濾液排水管上形成三維復合排水單元，截留垃圾顆粒而使液體透過無紡布，起到隔離和反濾作用。
2)在垃圾場邊坡，無紡布鋪設在主防滲襯墊的上面和下面，起到加筋和保護防滲襯墊不被頂破的作用，同時也增加邊坡上的摩擦角和山體徑流導水。
3)在垃圾場底部，無紡布鋪設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
無紡布的鋪設方法比較簡便，一般直接鋪放在預處理好的地基表面或溝槽中，搭接采用一片無紡布的末端自由壓在另一片的始端上。為防止地基變形時和外力作用下造成無紡布位移使有效搭接寬度減小，設計中要根據基礎條件計算安全搭接寬度。
搭接寬度可用式(2)計算確定(參見圖3)。
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Lu≥Z·f/(σ·tg·ΨGG) (2) 式中，
Lu--搭接寬度,m;
f---安全系數，最小為2.0;
Z---土工織物的工作負荷,kN/m;
σ--作用于土工織物上的標準力上,kN/m2;
ΨGG--土工織物材料間的摩擦(角)，對一般光滑結構為20～25°或更小。
通常搭接計算寬度在0.15～0.3m之間。可用手提縫紉機(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無紡布邊緣被掀起，又可節省材料。
3 工程防滲的應用實例
我國衛生填埋場在防滲襯墊系統鋪設和設計方面的研究發展起步較晚。大量例子表明，除少數天然條件好的場地外，絕大多數不設防滲襯墊的填埋場滲濾液必定透過土壤，進入地下含水層而污染地下水。隨著環保意識的加強，防滲襯墊系統越來越廣泛地被應用，大大消除了滲濾液的漏失，使填埋場處于完好的封閉狀態。下面結合本人工程實踐簡述幾種工程防滲系統。
3.1 單層襯墊防滲系統
在地質和其它條件較好(無地下水)的場地，設計中一般采用單層土工膜防滲襯墊系統，并用無紡布作為保護層。貴州遵義填埋場防滲系統應用實例：將場底平整壓實到設計密實度后，鋪設一層無紡布墊底；上鋪主防滲HDPE土工膜；主防滲層上再鋪設無紡布或粘土保護層，保護層上面為滲濾液導流層。
3.2 混合式(復合襯墊)防滲系統
在地質條件不理想或環境重點保護區，為確保運行安全大多采用復合襯墊，復合襯墊是用無紡土工織物、土工膜和土工聚合粘土襯墊等形成的隔水設施。
重慶某縣填埋場工程應用實例(見圖4)：在垃圾填埋坑底作好基礎處理后，先鋪設地下水導流層(由卵石和碎石組成)，用無紡布反濾;地下水導流層上鋪一層粘土基層；粘土層上鋪設膨潤土墊和HDPE土工膜主防滲層;主防滲層上再鋪設一層粘土保護層;最上面一層是滲濾液導排層(由卵石和碎石組成)，通過無紡土工布和織質土工布進行反濾和減少污染物的運移。有時在襯墊底部也加土工格柵起加筋作用，防止過大的壓縮變形和局部的不均勻沉降。建議在工程實施中條件允許情況下，盡量提高標準，采取多層防滲襯墊和多層滲濾液收集的措施，確保衛生填埋場的使用安全。
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