卫生填埋场防渗系统设计与材料选用
摘要：根据工程实例，介绍卫生填埋场防渗方式的设计和各种防渗材料在工程设计中的应用。
关键词:卫生填埋场；防渗设计；防渗衬垫。
近年来，随着生产垃圾、生活垃圾、商业垃圾和旅游垃圾等大量城市固体废弃物的产生，卫生填埋场成为城市垃圾最终处理的方式之一。卫生填埋场简言之就是在铺设良好防渗性能衬垫的场地上，将固体废弃物铺成一定厚度的薄层，加以机械压实，并分层加土覆盖消毒。卫生填埋场工程设计主要包括：场区道路，场地平整，防渗工程，坝体工程，洪雨水及地下水导排，渗滤液收集、处理和排放，填埋气导排、收集处理或利用，垃圾计量设施，防飞散设施，封场工程，水质监测等。其中防渗系统的处理及材料的选用是填埋场设计的主要核心所在。
填埋场防渗设计方式按场地水文地质类型可采用天然防渗、人工防渗和复合防渗方式。同时按防渗处理类型可采用水平防渗和垂直防渗两种方式。水平防渗是指防渗层水平方向布置，防止垃圾渗滤液向下渗透污染地下水；垂直防渗是指防渗层竖向布置，防止垃圾渗滤液向四周横向渗透污染地下水。填埋场防渗处理通常要运用各种防渗衬垫将水平防渗和垂直防渗两种方式结合考虑。
1 各种防渗方式采用的前提条件
1.1 天然防渗
对场地的土壤、水文地质要求较高，一般自然蒸发量要超过降水量5Ocm，粘土衬垫的厚度大于2m，填埋场地为可溶性场地，具有不透水或低透水的粘土层（渗透率＜10-7cm/s），可将渗滤液截留在垃圾中以免扩散。
1.2 人工防渗
当填埋场天然地基不能满足渗透性要求时，为确保渗滤液不渗漏或者把渗滤液的渗漏量降低到最低而采取人工防渗材料作防渗衬层。
1.3 天然、人工结合的防渗方式
场地天然地质条件较好，即地基粘土液体传导性很低，但在长期运行中不能完全防止渗滤液渗透，为使填埋场的建设既符合标准又经济，大多填埋场根据场址条件采用天然和人工结合的防渗方式。这种防渗方式多用于山谷型填埋场，具体情况如下：
1)当场地底部粘土较厚、渗透系数较低，可满足防渗要求，而侧向由于岩石裂隙发育等原因达不到要求时。采用垂直天然防渗和水平人工防渗结合的方式。
2)当场地底部粘土及地质能满足防渗要求，考虑周边环境为进一步提高衬层安全性;采用人工衬层为主、天然衬层为辅的防渗结构。
3)当场地底部粘土或地质部分满足防渗要求时，考虑节省投资，可按区域采用天然和人工结合防渗方式。
2 防渗材料的设计选用
当填埋场天然条件不能满足防渗要求时，就必须采用人工防渗材料进行处理。人工防渗材料的选用主要有两种，一种是采用天然材料防渗衬层，如粘土防渗衬层，粘土与钠基膨润土混合防渗衬层和沥青混凝土防渗衬层等；另一种是采用人工合成材料防渗衬层，如氯乙烯系、橡胶系、乙烯系和土工合成粘土衬垫等。
一般氯乙烯系多用于产业废弃物填埋场，而合成橡胶系、乙烯系多用于一般废弃物填埋场，土工合成粘土衬垫多用于封场或地基变形较大的场地，沥青混凝土衬层适用于当地砂石料便宜、地基条件稳定的填埋场。
按有关规定，选用的人工衬垫系统需满足的一般要求为：a)衬垫和其他结构材料必须与渗滤液相容，衬垫的完整性和渗透性不因与渗滤液接触而发生变化；b)衬垫(包括沥青、橡胶或聚乙烯等)应该满足一定的标准。如:渗透率＜10-7cm/s；具有适宜的强度和厚度;衬垫抗压强度必须大于0.6MPa，不因填埋碾压而产生断裂;应具有可焊性或粘接性以保证接缝处不渗漏，能抗臭氧、紫外线、土壤细菌和真菌的侵蚀;具有适当的耐候性，经得起急剧的冷热变化;具有足够的抗拉强度，可抵御垃圾中坚硬物体的刺、划；厚度均匀及无薄点、裂缝、磨损、气泡和外来颗粒;便于施工和维护。
2.1 天然防渗材料压实粘土衬层
2.1.1 压实粘土概念
压实粘土是指在工程实施中将衬层粘土在一定的含水量范围内压实，达到设计最小干密度(通常用压实度来表示)。压实粘土早期广泛应用于填埋场衬垫以及作为城市固体废弃物封闭，同时在公路地基、建筑填方、堤防和垃圾土坝等方面也有应用。
2.1.2 设计标准和土料试验
压实粘土的主要技术参数---渗透系数值必须小于或等于l×l0-7cm/s。除此之外,在设计中还要考虑其它因素，如抗干裂性能、抗剪强度、抵抗化学侵蚀能力、压实度、含水量、与其面上覆盖的其它防渗材料界面摩擦和发生沉降时不产生裂缝的抗变形能力等。
为获得合格压实粘土衬垫，必须建立良好的土料干密度、含水量和渗透系数三者的关系，其方法主要是用击实试验和渗透试验进行测试。
2.1.3 施工要求
低渗水率的粘土衬垫在卫生填埋场中施工时，必须对土进行合理的重塑和压实，使其压实后压实层厚度不大于15cm，压实度为90%-95%，含水量略高于最优含水量，以达到渗透率≤1×10-7cm/s，满足抗干裂和高抗剪强度的要求。
压实粘土衬垫由于不可能在任何地点都能找到合适的材料，同时施工和质量保证步骤复杂、易干裂和会产生固结水，应用上受到限制。
2.2 人工合成土工膜防渗衬层
2.2.1 土工膜类型
土工膜是由一种或几种聚合物加上如碳黑、色料等附加剂制成的不透水性材料，它是近年来广泛用于填埋场建设中的三大材料之一(其它两种为土工网和土工织物）。目前用来生产土工膜的聚合材料有热塑塑料，如聚氯乙烯(PVC);晶体热塑材料，如高密度聚乙烯（HDPE)、超低密度聚乙烯(VLDPE)以及线性低密度聚乙烯(LLDPE）；热塑合成橡胶，如氯化聚乙烯(CPE)和氯磺化聚乙烯(CSPE)。其中HDPE和VLDPE最为普及。土工膜的厚度从 0.5～3.Omm不等，卫生填埋场设计采用厚度≥1.5mm、渗透系数在0.5×10-10～0.5×10-13cm/s之间的材料。
1)高密度聚乙烯(HDPE)土工膜
高密度聚乙烯(HDPE)土工膜是卫生填埋场中应用最广泛的土工膜，它是由高分子聚乙烯通过吹塑或平挤制成的具有很强耐久性的防渗材料。主要特征：化学性能稳定，垃圾渗滤液不会对其构成威胁;低渗透性，确保地下水和雨水渗透液不会渗过衬垫，甲烷气不会溢出排放系统;抗紫外线性能稳定，HDPE中的碳黑加强了抗紫外线能力，不含增塑剂，解决了暴露在紫外线下被分解的问题。
HDPE土工膜按规格幅宽一般为3m、3.5m、4m、6m、7m，卫生填埋场铺设面积较大，考虑减少焊缝和施工周期，设计要求幅宽大于6m。对于力学性能，主要指标要求如表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)土工膜是由聚乙烯树脂压制而成的具有良好柔韧弹性的衬垫材料，它适用于不平整的填埋场地和垃圾封场。其特性表现为:多轴拉伸性，它的高延伸率能使之适用于不均匀沉降和不平整地面，抗开拉性，它能承受多种环境应力；抗穿刺能力，能适用基底岩层；同时还具有化学稳定性、低渗透性和抗紫外线性能。
3)织物土工膜
织物土工膜是在土工膜表面加一层粗糙织物的防渗材料。这种织物土工膜目前正开始推广使用。它的主要特性是:加强了合成纤维衬垫与土、无纺布以及其它土工合成纤维的表面摩擦，增强了抗滑稳定性。
织物土工膜与粘土的最高摩擦系数:摩擦角29°时，凝聚力为6.0kPa;与无纺土工织物最高摩擦系数:摩擦角32°时，凝聚力为2.2kPa。织物土工膜的厚度一般有1.5mm、2.0mm和2.5mm三种。
2.2.2 土工膜衬垫的渗漏量计算
填埋场中垃圾液体和垃圾成分从不破坏、不被刺穿、没有加筋破坏的土工膜透过的主要方式为分子扩散，这种扩散主要发生在梯度集中处，如由于土工膜内部结构缺陷引起的不连续纤维或针孔。假定土工膜衬垫中有一个或多个缺陷小圆孔，而且彼此隔开，那么依据伯努利方程［式（1）］可估算出土工膜上的渗漏率。参见图1
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Q＝Cb a (2gh) 0.5 (1)式中:
Q--土工膜的渗漏量，cm3/s;
Cb--渗流系数，对圆孔为0.6;
a--士工膜中一个圆孔面积,cm2;
g--重力加速度，9.8m/s2
h--衬垫上水头，cm。
2.2.3 施工铺设
土工膜铺设相对于其它合成材料施工较为复杂。首先必须对土工膜各项指标(密度、拉伸强度、延伸率及撕裂强度等)在现场进行检测，然后开展场地处理、膜体接合焊接、试验焊接、缺陷修复、破坏性测试和回填保护等。
1)基层处理：铺设前应去除表面废渣、树根和突起的岩石等，以保证面层光滑;所需填料应由级配良好的材料组成，不含有机物、垃圾、粘土块或其它有害物质，以免引起土工膜的破坏;同时地基应根据设计要求压实到一定密实度，确保提供一个坚固、不屈服的基础以允许运行车辆和焊接设备通行，不产生压痕或其它破坏。
2)除利用材料与土之间的摩擦力外，为充分发挥密实填土作用下的抗拔力，在土工膜放置之前要按设计位置和宽度开挖锚固沟，同时在土工膜的施工铺设过程中，必须按要求在坡面(或山坡)中间平台和坡顶端末端收口处有一段水平伸出;并伸进锚固沟用压密回填土覆盖。见图2
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3)土工膜接合焊接和测试
土工膜的接合焊接是成功阻止渗漏的关键环节。通常情况接缝应与斜坡平行(沿斜坡并尽可能使水平接缝放在单元底部，距坡脚≥1.5m。土工膜焊接有两种方式：熔化焊接(双轨熔焊)，它要求膜块焊前必须重叠10～l5cm，并调整好膜块以减少褶皱，这样通过预先设置的压力齿轮使得两个弯起的膜块被焊接在一起;另一种为热压角焊接(单焊缝焊接）,它要求膜块焊前至少重叠7.5cm，然后在两层土工膜弯曲边缘插入熔化树脂焊条，用热空气熔化材料使薄层表面均匀粘结。
完成焊接的土工膜必须按设计要求分段或分片进行空压试验(双轨熔焊)和真空试验(单焊缝焊接)并按一定长度取样进行破坏性测试。
2.3 膨润土防渗材料
在卫生填埋场中设计和应用的膨润土防渗材料主要有两种:膨润土防水板和土工聚合粘土衬垫(GCL)。
2.3.1 膨润土防水板
膨润土防水板构造是以瓦楞纸板为外壳，内填装特定配方的膨润土。其原理是铺设回填土后，膨润土粒子吸水膨胀，在添加剂作用下形成胶体并充满整个纸板空间，膨胀后起到防水和抗渗作用。这种材料的设计参数及特性:膨润土防水板一般长1100～1450mm、宽720～860mm、厚3.5～5mm，具体可依据设计要求和设备能力确定;渗透系数值为l×10-8cm/s,无压膨胀值＞7mL/g,耐干裂，耐低温。施工相对简便，以自然搭接方式铺设，搭接宽度＞5cm。这种材料主要适用于平原填埋场，对于山区或沟谷填理场应用则受到一定限制。
2.3.2 土工聚合粘土衬垫(GCL)
1)材料种类
土工聚合粘土衬垫(GCL)简称钠基膨润土垫，是膨润土夹在土工织物中间或连接在土工膜上复合制成的，它是目前国内外填埋场应用最广泛的防渗材料之一，通常与土工膜配合使用。其种类由不同的土工合成聚合物组成，主要有四类：三重组合粘土衬垫，以有纺聚丙烯土工织物为底、铺上胶接粒状钠基膨润土、上覆粘丝土工织物构成，三重复合型，以细粒钠基膨润土机缝在两层针刺无纺聚丙烯土工织物间构成;膜土复合型，将胶结膨润土固定在HDPE土工膜上;三重合成物，以无纺针刺土工织物为顶层、膨润土(胶溶)和无纺针刺土工织物为底层构成。最后一种在填埋场中应用最为适合和普及。
2)技术参数及特性
填埋场设计GCL的主要技术要求:膨润土含水量＜8%，单位面积质量＞4.5kg/m2，渗透系数＜1×10-9cm/s。总厚度5～6mm和幅宽＞6m。它的突出特点是利用高性能混土水反应时体积膨胀13～16倍的特性对损伤部位及3mm体内裂纹进行自我修补，同时它具有永久防水效果、高强度、高延伸率、耐腐蚀及耐冲击性。
3)施工铺设
GCL施工相对简便，不受气温影响，不需特殊设备，工期短。施工中GCL的连接通常重叠即可，重叠区域为150～300mm,如有补丁或颗粒移动缺损，则至少搭接300mm。铺设后要在GCL上覆盖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变化，造成压缩或剪切荷载时产生不均匀膨胀。施工后不需要特别的检查。
GCL可大大解决粘土的缺乏问题，同时减少垫层系统厚度，增大库容。我国具有丰富的钙、钠基膨润土粘土矿物，因此GCL从性能价格比分析有广阔的发展前景。
2.4 无纺土工织物
2.4.1 无纺土工织物类型
无纺土工织物简称无纺布，是卫生填埋场防渗设计和施工必备材料，它是由聚脂纺织纤维制成，用机械（针刺)或加热或化学方法加固的织物。按材料类型分为长纤无纺土工布和短纤无纺土工布，卫生填埋场考虑到力学性能(拉伸强度、撕裂强度、顶破强度及拉伸延伸率)等因素，大多采用长纤无纺土工布。
2.4.2 设计应用
在填埋场设计中主要考虑三个方面的应用:
1)无纺土工布铺设在渗滤液导排层上或热粘在HDPE渗滤液排水管上形成三维复合排水单元，截留垃圾颗粒而使液体透过无纺布，起到隔离和反滤作用。
2)在垃圾场边坡，无纺布铺设在主防渗衬垫的上面和下面，起到加筋和保护防渗衬垫不被顶破的作用，同时也增加边坡上的摩擦角和山体径流导水。
3)在垃圾场底部，无纺布铺设在主防渗衬垫的上面和下面，防止防渗衬垫层被外力顶破。
2.4.3 施工铺设
无纺布的铺设方法比较简便，一般直接铺放在预处理好的地基表面或沟槽中，搭接采用一片无纺布的末端自由压在另一片的始端上。为防止地基变形时和外力作用下造成无纺布位移使有效搭接宽度减小，设计中要根据基础条件计算安全搭接宽度。
搭接宽度可用式(2)计算确定(参见图3)。
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Lu≥Z·f/(σ·tg·ΨGG) (2) 式中，
Lu--搭接宽度,m;
f---安全系数，最小为2.0;
Z---土工织物的工作负荷,kN/m;
σ--作用于土工织物上的标准力上,kN/m2;
ΨGG--土工织物材料间的摩擦(角)，对一般光滑结构为20～25°或更小。
通常搭接计算宽度在0.15～0.3m之间。可用手提缝纫机(采用一般缝法、丁缝法或蝶形缝法)线缝搭接处，这样既可防止铺料时无纺布边缘被掀起，又可节省材料。
3 工程防渗的应用实例
我国卫生填埋场在防渗衬垫系统铺设和设计方面的研究发展起步较晚。大量例子表明，除少数天然条件好的场地外，绝大多数不设防渗衬垫的填埋场渗滤液必定透过土壤，进入地下含水层而污染地下水。随着环保意识的加强，防渗衬垫系统越来越广泛地被应用，大大消除了渗滤液的漏失，使填埋场处于完好的封闭状态。下面结合本人工程实践简述几种工程防渗系统。
3.1 单层衬垫防渗系统
在地质和其它条件较好(无地下水)的场地，设计中一般采用单层土工膜防渗衬垫系统，并用无纺布作为保护层。贵州遵义填埋场防渗系统应用实例：将场底平整压实到设计密实度后，铺设一层无纺布垫底；上铺主防渗HDPE土工膜；主防渗层上再铺设无纺布或粘土保护层，保护层上面为渗滤液导流层。
3.2 混合式(复合衬垫)防渗系统
在地质条件不理想或环境重点保护区，为确保运行安全大多采用复合衬垫，复合衬垫是用无纺土工织物、土工膜和土工聚合粘土衬垫等形成的隔水设施。
重庆某县填埋场工程应用实例(见图4)：在垃圾填埋坑底作好基础处理后，先铺设地下水导流层(由卵石和碎石组成)，用无纺布反滤;地下水导流层上铺一层粘土基层；粘土层上铺设膨润土垫和HDPE土工膜主防渗层;主防渗层上再铺设一层粘土保护层;最上面一层是渗滤液导排层(由卵石和碎石组成)，通过无纺土工布和织质土工布进行反滤和减少污染物的运移。有时在衬垫底部也加土工格栅起加筋作用，防止过大的压缩变形和局部的不均匀沉降。建议在工程实施中条件允许情况下，尽量提高标准，采取多层防渗衬垫和多层渗滤液收集的措施，确保卫生填埋场的使用安全。
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