垃圾填埋场的结构设计及渗漏分析

摘要：介绍了国内外垃圾填埋场防渗技术的研究现状及存在问题。借鉴发达国家的应用经验和研究成果，对我国垃圾填埋场的结构设计进行分析，包括填埋场防渗衬垫的选材，结构布置和施工方法，填埋场封顶系统的设计，渗沥液收集与排放系统和填埋气收集与处理系统的设计。预估填埋场渗沥液渗漏量的计算方法，分析了渗沥液在压实黏土、土工膜中的渗漏特点，提出了对各种防渗衬垫的优化布置方法。
关键词：垃圾填埋场；结构设计；渗漏
我国城市垃圾处理的主要方式是填埋，占全部处理量的70%以上，其次是高温堆肥，占20%以上，焚烧量甚微[1]。一些城市建成了一些大、中型垃圾卫生填埋场，如日处理量2000t的北京阿苏卫卫生填埋场，上海、杭州、深圳、广州、重庆、长沙等城市也已建成垃圾填埋场。但是，大部分城市的垃圾填埋场存在设计简易、机械设备不达标、资金不到位等问题，致使垃圾填埋场难以达到无害化指标，严重威胁城市环境。
1垃圾填埋场防渗技术研究现状
在国外发达国家，大部分填埋场工程都采用垂直隔离墙。隔离墙可用土-膨润土、水泥-膨润土和预制混凝土等材料制成。生物增强隔离墙以及其它矿物隔离墙等技术目前还在研究中。德国等欧洲国家一般用水泥-膨润土作材料，美国一般用土-膨润土作材料，日本则用深层搅拌技术[2-3]。通常在这些材料中掺入炉灰或粉煤灰等，以使隔离墙的渗透系数小于10-7cm/s，并使之有足够的强度和耐久性。土-水泥混合物的渗透系数仅为10-10cm/s，其防渗性能更好。
在国内，现有的填埋场约70%为山谷型填埋场。大多数填埋场十分重视填埋场的选址，将填埋场建在工程地质和水文地质条件比较好的三面环山的盆地或山谷中，充分利用有利场地条件，以达到保护环境和减少工程投资费用的目的。而在技术上则多采用垂直防渗技术，在地质条件较好的基岩上设置截污坝及帷幕灌浆垂直防渗墙，防止产生的渗沥液污染地下水[4]。
2垃圾填埋场的结构设计分析
2.1衬垫系统分析
填埋场底部常用的防渗材料有低渗透性的天然黏土层、压实黏土、土工膜和黏土垫。防渗层往往是这些防渗材料的组合，如目前国外多采用的复合衬垫，它是由土工膜和1层低渗透性材料紧密接触而成，即土工膜+压实黏土或土工膜+黏土垫。为了及时排出渗沥液，减小防渗衬垫上的渗沥液水头，还须在衬垫系统中布置排水层。
2.1.1垂直帷幕注浆防渗
垂直帷幕注浆防渗法多用于山谷型填埋场的底部防渗。其设计原理是对垃圾渗沥液的主要渗漏途径进行局部帷幕注浆，降低整个过水断面岩土层的平均渗透系数，将垃圾渗沥液的渗漏量控制在允许的范围内。垂直防渗设计的关键如下：
1)选择合适的填埋场址。填埋场地应该是一个相对独立的水文地质单元，单元内地下水贫乏、径流模数小，地下水分水岭与地表水分水岭基本吻合，两者径流方向一致，排泄口断面小，排泄途径简单，场内岩层风化裂隙不发育，沟通场区内外的断裂构造不发育，且透水性较差，场址周边及底部岩层富水性差，渗透系数约为10-5cm/s。
2)选择合理的注浆材料。要求具有良好的分散性、沉降稳定性，渗透系数低，成本低。浆液结石体具塑性，抗震性好，抗渗沥液腐蚀性好，具有一定的抗水稀释性。
3)结合场区工程勘察资料及注浆试验报告合理配置注浆的孔位、孔深和孔距以及注浆压力、浆液水灰比等。
4)根据防渗要求严格控制灌注标准。垂直防渗法的设计思路是通过延长渗漏路径延缓渗漏，而不能避免渗漏，其无法阻挡填埋场内气体向场外的横向迁移。因此，选用垂直防渗法一定要慎重，除非是场地条件很好且投资受限制，否则必须采取水平防渗措施。
2.1.2黏土衬垫
根据CJJ17—2001城市生活垃圾卫生填埋技术规范要求，压实黏土衬垫透水率应≤10-7cm/s，厚度≥2m。由于制作工艺和施工方法的原因，国内的黏土衬垫很少能满足上述要求，为此，对黏土衬垫的设计和施工可采取如下处理：选择低渗透性土料；通过击实实验确定含水率、干密度与黏土的透水性、抗剪强度的关系，进而确定含水率和干密度；压碎土块；对土块进行恰当的压实；消除压实层界面；避免脱水干燥。
2.1.3土工膜防渗
土工膜由一种或多种聚合物制成，常用HDPE土工膜，根据不同的场址情况选用不同厚度的膜，通常选用1.5、2.0mm。HDPE膜防渗具有抗化学腐蚀性强、抚渗性好、抗紫外线性能好等优点，但对边坡稳定性不利。
波纹面土工膜是将土工膜表面压成波纹状或格栅状以此增加衬垫与土体、土工织物及其它土工合成材料之间的密合程度，从而改善填埋场边坡的稳定性，在国外已经得到了推广。
2.1.4复合衬垫
将土工膜和1层低透水性材料紧密接触制成复合衬垫，广泛用于危险品填埋场和城市固体废物填埋场。在美国[5]，城市固体废物填埋场中广泛使用了带有主、次2层渗沥液收集系统的双层复合衬垫。该衬垫从底到顶由下列部分组成：至少3m厚的天然黏土基底或90cm厚次层(第2层)压实黏土衬垫；第2层柔性薄膜衬垫；次层渗沥液收集系统；90cm厚主层(第1层)压实黏土衬垫；第1层柔性薄膜衬垫；主层渗沥液收集系统，顶部是60cm厚的砂质保护层。渗沥液收集系统由2层土工网和土工织物构成，基底及压实黏土衬垫的渗透系数应≤10-7cm/s。