垃圾填埋场屏障概念模型的研究综述

1.1 屏障墙材料的研究

近几年来，从垃圾土的基本力学性质[7]，到污染质在饱和土和半饱和土中运移模型的研究[8～11];从对污染运移规律的数值模拟到污染扩散系数，吸附系数的实验研究等基础研究工作均有开展。由于污染质运移过程的随机性和土壤环境诸多不可预知因素，目前的讨论还很不成熟，尤其对垃圾填埋场屏障(垂直屏障，水平屏障)材料和结构的应用型基础研究非常有限。

国外发达国家对屏障材质及其施工技术的应用型研究非常重视[12]。欧洲一般采用水泥拌和膨润土和炉渣做屏障，美国一般采用添加膨润土的黏土做屏障，随着淋滤作用的进行，垃圾生化降解作用会明显减弱，终极无机元素含量会明显增多，垃圾将进入较稳定的分解阶段，垃圾渗滤液服从负指数函数规律衰减或降解，对屏障墙的侵蚀作用趋于稳定，经验表明这两种方式做的屏障因其经久耐用受到推崇。

低渗透率是屏障材料追求的首要目标，可以控制污染质的对流弥散。但在低水流污染区，来自亚表面的对流并不是污染迁移的主要方式，而是由浓度梯度造成的污染扩散。提高屏障材料的吸附能力，对阻止污染扩散有很大作用。建议改造膨润土，使其具有较高吸附能力，达到减少污染扩散的目的[12]。对添加有机土，腐植土铁基材料的膨润土的吸附性进行了研究，并对其吸附能力进行了评价，认为这些材料对有机污染如1，2，4-三氯苯和水中苯胺是有效的吸附剂，改良后的膨润土吸附能力比先前要大好几个数量级。模型实验也证明，改良后的膨润土屏障对因污染浓度梯度造成的扩散的阻止作用十分明显。预测这种改良后的膨润土在百年后甚至更长时间，穿透其屏障的污染只会是一个很小的数，而改进材料产生的费用与施工比起来要少的多。

垃圾填埋结束进行封顶时，对垃圾覆盖层的研究也是很重要的。在降水量大的地区，地表水大量渗入到填埋场内部，会使场内渗滤液产生量增大，给填埋场底部防渗及渗滤液的处理带来极大困难，封顶层的防渗设计非常重要。如果在植被密度很低，暴风雨强度较高的地区，因暴风雨产生的水流和水沟对垃圾场封顶层的损害作用可以导致其失效，丧失防渗能力。利用地形学，根据国家气象局对美国西南一垃圾场地区气象的频率和强度估计资料，经统计处理，建立了对垃圾填埋场封顶层表面侵蚀评价的经验模型，并对此进行数值模拟来描述大暴雨对封顶层的侵蚀行为，编制了相应软件，量化侵蚀结论[13]。计算结果与用土壤流失的经验公式计算的结果相近，两者相对误差不超过15%，在对封顶层由于暴风雨形成的水流和水沟使其恶化的定量估计中，得出了对单一事件的预测结果，预计该地区十年一遇的暴风雨产生的侵蚀程度是年均侵蚀的3倍，百年一遇的暴风雨产生的侵蚀程度是年均侵蚀的5倍，从另一个侧面向屏障材料的强度，抗冲击性和结构的优化设计提出了新的课题。

英国DerbyPride公园是1995年施工建造的[14]，占废地96 hm2，靠近市中心。其中1/3为封闭的生活垃圾填埋场，其余部分为金属渣，碎石坑和以前废弃的厂矿，废地两边有河流围绕。为阻止污染质往附近的河水中迁移，决定在公园与河流之间建一堵600 mm宽的垂直屏障。屏障墙全长3 km2，最深处达10 m，平均深度为7。4 m，墙体采用水泥加膨润土和HDPE(高密度聚乙烯)薄膜两种材料构成复合型结构，墙体顶部由1 m深的黏土做帽封顶(见图1)。对屏障墙浆体材料，在28 d龄期，对水的最大渗透率要求为1×10-8cm/s，在14 d龄期，其剪切强度最小值为25 kPa;90 d龄期，立方体抗压强度最小值为150 kPa，在大于120 kPa的压力作用下破坏时，最小应变要求为3%。垂直屏障内部HDPE薄膜厚度不小于2 mm。HDPE薄膜具有很好的防渗性能，对水的渗透率不超过1×10-9cm/s，对大部分化学物质具有抗腐能力，低温下具有良好的工作特性，不易老化，是用做防渗的极好材料，考虑其强度不是很高，耐穿刺能力较差，将其置于浆体材料中间，优化屏障结构，使该复合结构防渗，抗腐蚀，抗穿刺强度和抗拉压能力都得以提高。 


图1 垂直屏障构造示意图
对污染区屏障的要求：(1)渗透率，水力结构的渗透系数为1×10-6cm/s，对污染区的屏障要求至少要达到1×10-7cm/s，方可对因对流造成的污染弥散起有效的阻止作用;(2)强度，垂直屏障两边作用的横向压力是相等的，强度要求通常不是最关键的因素，屏障墙厚度的设计更多考虑的是防渗透因素而不是强度。但是考虑到屏障材料通常由黏土加膨润土或水泥加膨润土组成，黏土的收缩和膨胀导致材料开裂，氧化钙从水泥材料中析出也会产生材料薄弱处，致使屏障材料的强度有较大分散性，实验表明其强度通常在50 kPa<σ<1000 kPa，大多数在100～300 kPa，因此一般根据破坏时的应变来定屏障墙的强度;(3)破坏时的应变，屏障墙的破坏应变一般规定在0.2%～2.0%，如地基不均匀沉降，开裂将不可避免，比较起来，黏土加膨润土材料应变能力较强，水泥加膨润土材料虽然应变能力差一点，如果开裂不太严重的话，该材料开裂后有自愈能力，由于碳化钙的析出和进一步水化，或者水泥相的迁移，可以游离到裂缝中阻挡污染质的渗透;(4)耐久性，这是阻止污染迁移的屏障墙的另一个主要设计要求。考虑污染何时穿透屏障，除像水一样渗透外，特别要考查的是污染的化学侵蚀作用。拿水泥基添加膨润土作屏障材料来说，氧化钙可能从水泥中析出，从而减少材料中的pH，导致硅酸盐水化作用发生变化，引起氧化钙的进一步释放，直到所有的钙都消失，只剩下水化的硅酸盐。这种现象不但不会提高材料的渗透系数，反而会使其有明显的下降，估计渗透超过一年，渗透系数会下降2个数量级，这一结论似乎告诫人们，渗透系数有可能无限度地衰减下去，使得污染易于穿透屏障，导致屏障的控制作用失效。有机污染对屏障的腐蚀作用知之甚少，还需要做更多的研究。有些成分如硫酸盐，会引起水泥基加膨润土的屏障材料膨胀。这种膨胀对不受约束的试样会有明显的损伤，甚至破坏。如果试样被约束起来，即使在相当大的压力作用下，情况都会有所不同，约束可以使膨胀在试样内部进行，而不是使整个试样发生膨胀，会使试样内部结构有所调整，变得更加致密。因此，在约束条件下，硫酸盐的作用会引起渗透系数有所增加。