某城市生活垃圾填埋场防渗处理分析与探讨

刘海燕 吴相会 王汉席

(1.长春市海威市政工程设计有限公司，吉林 长春 130062； 2.吉林东北建筑市政工程设计院有限公司，吉林 长春 130021)

某城市生活垃圾填埋场防渗处理分析与探讨

刘海燕1吴相会2王汉席1*

(1.长春市海威市政工程设计有限公司，吉林 长春 130062； 2.吉林东北建筑市政工程设计院有限公司，吉林 长春 130021)

以中国东北地区某垃圾填埋场防渗处理为例，通过对该地区地基渗透性的分析，选择了恰当的防渗处理方法，经防渗处理设计计算分析，指出在淤泥质粉质粘土中掺入7.5%钠质膨润土，处理厚度不小于1.5 m，能够满足规范规定的单层防渗结构防渗条件，进而达到降低成本的目的。

垃圾填埋场，渗透系数，防渗处理，膨润土

0 引言

垃圾填埋场的防渗分为天然防渗和人工防渗，根据我国现行规范[1]，采用天然粘土防渗衬层要求压实后的粘土饱和渗透系数小于1.0×10-7cm/s，且防渗层的厚度不小于2 m。对于人工防渗层又分为单层防渗和双层防渗。对于天然基础层饱和渗透系数小于1.0×10-5cm/s，且厚度不小于2 m的，可以采用单层人工合成防渗衬层；不能满足要求的则采用双层人工合成防渗衬层。对于人工合成防渗衬层，不论是单层防渗还是双层防渗，其下都应具有厚度不小于0.75 m，渗透系数小于1.0×10-7cm/s的天然粘土防渗衬层。

对于压实粘土防渗层土料的选择，现行规范也有详细的规定[2]。对于衬砌垫层的组成材料，主要是天然的粘土、人工土工膜、人工合成防渗材料[3]。土工膜包括高密聚乙烯(HDPE)、线性低密度聚乙烯土工膜(LLDPE)、聚氯乙烯土工膜等。人工合成防渗材料主要是土工聚合粘土衬垫(GCL)，主要由一层膨润土和两层土工布组成。

某垃圾填埋场位于中国东北地区，填埋体底部地层主要为淤泥质粉质粘土、粉质粘土和粉土。天然地基不能满足单层防渗结构条件要求，拟对基底土进行改性处理，使其满足单层防渗结构的要求，降低了防渗处理成本，经济效益显著。

1 地基渗透性分析

根据规范[4]要求进行室内土工试验及现场钻孔抽水试验，各层土的渗透系数见表1。根据实验结果，垂直渗透系数小于水平渗透系数，各层土均为微透水性。垂直渗透容易引起地下水直接受到污染，水平渗透则容易造成周围土层污染，进而造成下游污染。

表1 渗透系数一览表

2 防渗处理方法分析与选择

2.1 防渗处理方法分析

规范[3]给出单层防渗4种结构形式，双层防渗给出1种。图1～图4为单层防渗结构示意图，图5为双层防渗结构示意图。对于天然基础层，不能满足防渗要求的，首选考虑采用单层防渗结构，不能满足单层防渗要求，应采用双层防渗结构。

分析该生活垃圾卫生填埋场的地层，分布不均匀，采用单层防渗，不能满足要求，采用双层防渗结构，成本又较高。若对地基进行防渗处理后，采用单层防渗结构，相比双层防渗结构将大大节约成本。

对于防渗层处理，国内外学者开展大量的研究，推动防渗处理技术革新。李颖等人[5]对垃圾填埋场防渗层人工合成防渗膜的性能对比研究表明，高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、氯丁橡胶(CBR)等防渗材料各有优缺点。目前国内较多选用防渗性能好、抗腐蚀能力强、具有良好的机械和焊接特性的高密度聚乙烯(HDPE)，该材料的主要成分为约97%的高密度聚乙烯，约2%的炭黑，0.5%～1.0%的稳定剂和抗氧化剂[6,7]。但这种材料抗不均匀沉降能力较差，抗穿刺能力较差。不均匀沉降问题，可以通过地基处理解决，而防止垃圾场地基地层中含有的碎石和砖块等易将防渗层的渗透膜刺穿，可通过粘土隔离措施或采用土工膜与无纺布结合使用提高穿刺能力[8]。对于北方严寒地区冻融作用改变粘土的结构和物理性质，使结构疏松，孔隙增大，渗透性增大，可采用降低含水量的方法降低冻融作用，同时避免掺入石灰材质[9-13]。

膨润土在全国各地储量多分布广，研究表明，在天然土壤层中加入膨润土可以大大改善渗透性能，邓寅生等人[14,15]研究表明，在普通粘土中掺入膨润土量为6%～8%(质量份数)时，渗透性提高显著。彭玉林等人[16]经过研究，在昆明的红粘土中加入膨润土6%，很好的改善抗渗性能。在衬垫施工过程中，应采用性能良好的机具和成熟可靠的施工方法，保证质量[7,17]。

2.2 防渗处理方法选择

从以上分析可知，该城市垃圾卫生填埋场应首先考虑采用在②淤泥质粉质粘土层中加入钠质膨润土改善防渗性能。通过在淤泥质粉质粘土中加入钠质膨润土4%～10%，经现场试验，掺入比为7.5%时，防渗处理厚度1.5 m，渗透系数为3.2×10-6cm/s～5.9×10-6cm/s，满足采用单层防渗结构条件。针对地基第②层淤泥质粉质粘土较厚，挖填成本高的情况，通过设置灰土桩的方法，提高强度，减少压缩性，同时增强防渗性能。根据规范[18]要求，同时结合本工程的特点，灰土桩应穿透第②层淤泥质粉质粘土。

3 防渗处理设计计算分析

通过分析，地基防渗处理的方法是采用在②淤泥质粉质粘土中加入钠质膨润土进行处理。处理厚度为1.5 m，形成防渗垫层，满足防渗要求。垫层下为灰土桩，降低第②层淤泥质粉质粘土的沉降量。垫层以上设置单层防渗结构，能够满足标准要求。

为保证土工膜的安全，考虑当土工膜上层剪应力不等于下层剪应力时，也即τu≠τd时，土工膜处于纯剪切状态，此时土工膜就存在破坏的可能，进而可能会造成渗滤液的渗漏，污染地下水和土。特别是垃圾边坡，存在土工膜破坏的可能性，应通过计算确定其安全性，采用的计算公式如下[6]：

(1)

其中，Fs为抗滑安全系数；Tw为土工膜上的总拉力，kN；ω为土工膜宽度，m；τL为土工膜和下层土间剪应力，kN/m2；τu为土工膜和上层土间剪应力，kN/m2；L为土工膜长，m。

显然，当Fs>1时，土工膜是安全的；Fs>1.5时，能够满足长期运营安全的要求。计算过程中，通常采用土工膜允许张拉力与上下面剪切应力差之比(Tmax/Trept)，计算安全系数。针对本项目，土工膜的抗拉安全性计算过程如下：

上覆土厚度为H=1.2 m，上覆土重度按γs=17.5 kN/m3。坡长按L=120 m考虑，坡角按β=18.4°考虑，土工膜允许抗拉强度Tmax=30 kN，土工膜对上层土的剪应力参数δu=12°和CaU=0，对下层土δL=6°和CaL=2.0 kPa，安全系数计算过程如下：

Trept=[(CaU-CaL)+γs·H·cosβ(tanδu-tanδL)]·L=[(0-2.0)+17.5×1.2×cos18.4°×(tan12°-tan6°)]×120=16.9 kN/m

(2)

Fs=Tmax/Trept=30/16.9=1.78>1.5，能够满足安全运营的要求。

从以上计算可知，本工程采用土工膜受力结构能够满足安全要求。通过现场实际应用，效果较好。经计算，防渗处理相对传统方法节约成本约27%，经济效益显著。

4 结语

通过对东北某城市生活垃圾填埋场防渗处理进行深入研究，得出的主要结论如下：

1)针对该填埋场防渗处理，采用在②淤泥质粉质粘土层中掺入钠质膨润土，通过现场实验，确定经济合理的掺入比为7.5%，处理层厚不小于1.5 m，能够满足单层防渗结构处理的技术要求。

2)采用掺入钠质膨润土的淤泥质粉质粘土垫层，与现行规范提供的防渗层相比，可以大大降低处理成本，经济效益显著。

3)对于填埋场四周边坡，为确保采用HDPE膜单层防渗结构的安全，对土工膜铺设后的耐张拉性进行安全验算，安全系数大于1.5，能够满足安全运营的要求。

[1] GB 16889—2008，生活垃圾填埋场污染控制标准[S].

[2] CJJ 176—2012，生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范[S].

[3] CJJ 113—2007，生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范[S].

[4] GB 50487—2008，水利水电工程地质勘察规范[S].

[5] 李 颖,郭爱军.城市生活垃圾卫生填埋场设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[6] 钱学德,施建勇,刘晓东.现代卫生填埋场的设计与施工[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2011.

[7] 谭家声,张立国.HDPE防渗膜在垃圾填埋场中的施工[J].中国科技博览，2010(12)：13.

[8] 许四法,张 勇,王 哲.垃圾填埋场衬垫系统穿刺性能评价[J].岩土力学，2011,32(6)：1697-1700.

[9] 窦国强.垃圾填埋场采用钠基膨润土防水毯防渗技术的探讨[J].北方环境，2011(12)：81-83.

[10] 董 军,王淳立,殷 宇,等.冻融作用对垃圾填埋场防渗层性能的影响[J].吉林大学学报(自然科学版)，2011,41(2)：541-544.

[11] Qi Jilin，Cheng Guodong，Vermeer PA. State-of-the-art of freeze-thaw on engineering properties of soils[J].Advances in Earth Sciences,2005,20(8):887-894.

[12] Chanberlain E J， Gow A J. Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils[J]. Engineering Geology,1979,13(1/4):73-92.

[13] Viklander P. Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze-thaw[J].Canadian Geotechnical Journal,1998,35(3):471-477.

[14] 邓寅生,黄 研,李武斐,等.膨润土对垃圾填埋场天然土壤衬垫的改性研究[J].环境卫生工程,2011,19(1):19-21.

[15] 邓寅生,黄 研,李武斐.垃圾填埋场天然土壤衬垫改性的对比研究[J].无机盐工业,2011,43(4):58-60.

[16] 彭玉林,龚爱民,孙海燕,等.垃圾填埋场中改性红粘土防渗料的性能研究[J].人民长江,2011,42(z2):163-169.

[17] 周海娜.垃圾填埋场工程防渗技术的设计与施工[J].新型建筑材料,2012,39(7):56-58.

[18] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范[S].

Analysis and discussion on the treatment of seepage treatment on some landfill for municipal solid waste

Liu Haiyan1Wu Xianghui2Wang Hanxi1*

(1.ChangchunHaiweiCivilWorksDesignCo.,Ltd,Changchun130062,China;2.JilinNortheastArchitecturalMunicipalEngineeringDesignInstituteCo.,Ltd,Changchun130021,China)

Taking the rubbish landfill seepage resisting treatment in northeastern region as an example, through analyzing the foundation seepage, the paper selects suitable seepage resisting methods. Through seepage-resisting treatment design and computation analysis, it points out that: mixing 7.5% of sodic expansive soil in slurry powder cohesive soil will achieve less than 1.5 m of treatment thickness, which can meet single-layer seepage-resisting structure seepage-preventing conditions and to achieve the goal of reducing cost.

rubbish landfill, seepage coefficient, seepage-resisting treatment, expansive soil

1009-6825(2015)28-0177-03

2015-07-21

刘海燕(1982- )，女，工程师； 吴相会(1982- )，男，工程师

王汉席(1978- )，男，工程师

X705

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