西北地区黄土作为垃圾填埋场中间覆盖层的试验

史炜，柴晓利

（1.西安市固体废弃物管理处，西安 710038；

2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

西北地区黄土作为垃圾填埋场中间覆盖层的试验

史炜1，柴晓利2

（1.西安市固体废弃物管理处，西安 710038；

2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

垃圾填埋场中间覆盖层在垃圾分区或分层堆填作业过程中用于临时封闭垃圾堆体、控制降雨入渗并减少蚊蝇滋生和臭气等.常用的高密度聚乙烯（high density polyethylene, HDPE）膜作为中间覆盖层,存在易被垃圾刺穿导致坡面雨水大量入渗和造价较高等问题.我国西北地区气候干旱且黄土分布广泛,这些黄土是当地制作垃圾填埋场中间覆盖层非常便利的材料.对黄土中间覆盖层的夯实施工、防渗性能和历经干湿循环作用后开裂导致其渗透系数增大、防渗性能劣化进行了试验研究.结果表明：黄土的饱和渗透系数随干密度增大而增大,当干密度达到1.60 g/cm3时其渗透系数为10-7～10-6cm/s,防渗性能较好；现场双套环原位实验测得黄土饱和渗透系数为8.37×10-8cm/s,较室内试验大1倍左右；黄土层历经自然干湿循环作用后易开裂,有裂缝条件下其饱和入渗系数为1.18×10-6cm/s,比无裂缝条件下的增大了14倍左右.在增设15 cm厚的保护植被土层后,黄土的开裂情况得到明显抑制.

垃圾填埋场；黄土；中间覆盖层；防渗性能

卫生填埋是我国城市居民生活垃圾处理的主要手段，目前全国共有约1 000个填埋场［1］.随着城市居民生活水平的提高，城市生活垃圾产量剧增，大量的生活垃圾进入填埋场后需要进行填埋作业.在垃圾分区或分层堆填过程中，由于摊铺、整平和压实以及作业面的迁移等工序需要对裸露的垃圾进行临时覆盖，以封闭覆盖垃圾堆体并防止自然降雨入渗从而减少滋生的蚊蝇和臭气等，因此垃圾的中间覆盖层就像垃圾的“保护皮肤”，其下边界直接与垃圾体接触而上边界直接暴露在外部气候环境中，因而必须能经受住干湿等各种气候循环作用的考验［1］.若其功能弱化或失效，则会导致渗滤液产量显著增加而诱发填埋体失稳并加剧污染物的扩散.

目前，我国垃圾填埋场大多采用一些人工材料作为中间覆盖层进行封闭覆盖.图1是我国南方某垃圾填埋场采用高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）膜进行中间封场的情况.采用人工材料进行临时封场施工速度较快，但在工程造价、防渗效果、植被景观和环境恢复上还存在较多问题.例如HDPE铺设、焊接等施工质量要求高的工序需要专业的技术人员进行操作；随着垃圾的逐步降解，一些坚硬且尖锐的垃圾成分容易将HDPE膜刺穿导致坡面雨水大量渗入；垃圾降解过程中产生的填埋气体无法被HDPE吸收，只能被隔绝或阻断在膜下而导致产生鼓包，从而影响膜的稳定性等.

图1 HDPE膜中间覆盖层Fig.1 HDPE intermediate cover

目前，对垃圾填埋场覆盖层的研究主要集中于填埋场终场封场后的覆盖层，而对于垃圾填埋作业中的中间覆盖层的研究还未有报道.对于填埋场终场覆盖层，刘川顺等［2］和王康等［3］将水量平衡角度的蒸发量和蒸腾量及实测降雨量作为地表边界研究了腾发式土质覆盖层在武汉地区的厚度取值；张文杰等［4-5］以经验公式求得地表入渗量，并分析了1年内填埋场蒸发式覆盖系统中水分的运移；詹良通等［6］将我国西北地区的黄土作为土质覆盖层的储水材料，分析了在西北非湿润气候区采用黄土作为土质覆盖层的可行性和初步设计厚度.研究表明，采用黄土作为土质覆盖层具有可行性且与传统的黏土覆盖层和复合覆盖层相比在工程造价、植被绿化和覆盖层稳定性方面有着独特的优势.

我国广大西北地区气候相对干旱且黄土大量分布.在西北的典型城市中，西安的年降雨量500～800 mm为半湿润气候；兰州年降雨量200～500 mm为半干旱气候；宁夏银川地区的年均降雨200 mm以下为干旱气候.这些地区降雨少，对临时覆盖层防渗性能的要求没有南方多雨环境高，若采用当地较多的黄土作中间覆盖层将会极大地改善填埋场的绿化效果并显著降低工程造价.然而目前我国对把黄土作为垃圾填埋场中间覆盖层的研究还处于空白，对黄土作中间覆盖层的压实、水相渗透特性以及自然干湿循环条件下水力特性的变化规律缺乏科学系统的研究.鉴于此，本工作对黄土中间覆盖层的夯实施工、防渗性能和干湿循环作用后黄土层开裂防渗效果劣化等方面进行了系统性的试验研究.

1 试验填埋场

1.1 概况

本试验地点为西安市江村沟垃圾填埋场，该场是西安市区唯一的生活垃圾处理设施地，位于灞桥区狄寨乡，距市中心16 km，占地约73万m2，总容积4 900多万m3，目前生活垃圾日处理量达7 500 t左右.填埋场建设于黄土台塬区的狭长沟谷内，属于山谷型填埋场.填埋场沟谷谷底上下游长度超过1 000 m，沟谷两侧为原始的黄土边坡，黄土边坡坡度较陡，坡高超过60 m.填埋区域位于两侧黄土边坡之间的沟谷内，因而黄土土源和取土条件十分便利（见图2）.试验区域选择在江村沟垃圾填埋场的第6级平台上，该区域的垃圾填埋时间约3～5 a，垃圾降解产生的沉降基本稳定.

1.2 材料、尺寸、工况和目的

在填埋场两侧原始黄土边坡上选取了两个点的黄土土料（见图2），根据边坡两侧的工程地质剖面设所取黄土为Q2和Q3黄土.试验研究项目和目的如表1所示，包括室内基本性质测试和室外现场试验两部分.室内测试主要包括黄土的基本性质测试、室内渗透系数测试以及黄土击实试验等.室内试验主要有两个目的：①获得黄土最大干密度和最优含水率；②获得黄土压实程度（干密度）与渗透性之间的关系.室外现场试验主要包括现场黄土临时覆盖层夯实试验和现场双套环原位渗透试验，主要有两个目的：①通过现场夯实试验获得黄土在斜坡和垃圾碎石层之上的夯实特性，掌握夯实试验中黄土的夯实遍数、虚铺厚度、干密度的变化规律以指导黄土中间覆盖层的夯实施工；②进行黄土临时覆盖层现场双套环原位入渗系数测试和覆盖层植草长期对比监测观察.

图2 黄土边坡和取样点Fig.2 Loess slope and soil sampling points

2 黄土室内基本性质

2.1 试验黄土基本性质

黄土室内基本性质测试结果如表2所示.结果表明，在同一地质剖面Q2，Q3黄土的天然含水率基本接近，在18%～20%之间，虽然二者埋藏深度不同，但都暴露在边坡剖面较长时间，受到的降雨、日照和大气温度等条件基本接近.此外从二者的干密度来看，Q2黄土为1.76 g/cm3，Q3为1.70 g/cm3，这与二者的埋藏深度和自重应力差别有关系.两类黄土的颗分级配曲线（见图3）和液塑限测定结果基本接近，从土类划分上来看二者都属于典型的粉质黏土.图4为Q2和Q3黄土的轻型击实试验曲线.从图中可以看出，在室内轻型击实条件下Q3黄土最大干密度为1.72 g/cm3，最优含水率为19.5%；Q2黄土的最大干密度为1.73 g/cm3，最优含水率为19.1%.

表1 项目名称和目的Table 1 Test items and purpose

表2 黄土性质参数Table 2 Parameters of loess's property

图3 Q2和Q3黄土颗分级配曲线Fig.3 Grain composition curves of Q2 and Q3 loess

图4 室内黄土的击实曲线Fig.4 Compaction curves of loess in laboratory

2.2 黄土渗透系数与干密度关系

室内进行了不同干密度条件下黄土的饱和渗透系数（Ks）测试（见图5）.由图5可见黄土的渗透系数在10-7～10-5cm/s数量级之间，其饱和渗透系数随着干密度的增大而逐渐减小.当黄土干密度在1.50 g/cm3以下时，其渗透系数为10-5～10-4cm/s；当黄土干密度在1.50～1.60 g/cm3之间时，其渗透系数为10-6～10-5cm/s；当黄土干密度在1.60 g/cm3以上时，其渗透系数为10-7～10-6cm/s.我国《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》［7］规定：填埋场封场覆盖层中粘土的渗透系数不应大于1.0×10-7cm/s，因此参考该规范的要求现场黄土夯实后干密度宜大于1.60 g/cm3.

图5 室内黄土干密度与渗透系数关系Fig.5 Soil dry density-permeability relationship in laboratory

3 室外现场振动夯实特性

室内试验结果表明，在同一地点所取的Q2和Q3黄土的土体类别和击实特性较为接近，因此室外只选取了Q3黄土进行现场夯实试验.试验点选择垃圾填埋场填埋区的第6级平台边坡，边坡坡度为16.8◦（见图6）.试验区尺寸长4 m，宽3 m，试验土层从上至下结构依次为20～30 cm黄土层、200 g/m2无纺土工布、30 cm厚碎石层和填埋垃圾层.夯实机具采用符合国家标准的电动冲击夯进行土样振动夯实，夯实板尺寸为25 cm×25 cm.根据该机械的使用说明按建议推荐值为10～13 m/min的速度夯实前进.由于现场测得黄土的天然含水率（18.9%）与最优含水率（19.5%）接近，因此夯实试验主要考虑黄土的虚铺厚度和碾压夯实次数两个因素，试验中共考虑了3个虚铺厚度和4种碾压次数.

图6 黄土中间覆盖层现场夯实试验Fig.6 Compaction experiment in loess intermediate cover

（1）土样虚铺厚度为20 cm，碾压次数分别为2，4，6，8次；

（2）土样虚铺厚度为25 cm，碾压次数分别为2，4，6，8次；

（3）土样虚铺厚度为30 cm，碾压次数分别为2，4，6，8次.

夯实后分别在土层的顶部（表层以下3 cm）和底部（土层底部之上3 cm）取土样进行测试获得其干密度.

3.1 振动夯实遍数与夯实密度的关系

图7为虚铺厚度为20 cm，经不同次数夯实后黄土表层（深3 cm）和底层（深17 cm）处土体干密度分布图.由图可见，随着夯实次数的增加，土体干密度逐渐增大，当夯实次数达到6次时，表层土体的干密度达到1.68 g/cm3而底层土体的干密度达到1.57 g/cm3，随着夯实次数增加到8次后，表层土干密度基本维持在1.68 g/cm3并略有下降，底部土层的干密度则继续增大达到1.61 g/cm3.和室内的击实试验相比，室内测得最大干密度为1.72 g/cm3，而现场的最大干密度为1.68 g/cm3，这与现场为斜坡有关，因为一方面振动平板夯实仪操作控制不便，另一方面土层底部为松散碎石且土料边界没有约束条件，多次夯实后原夯实的土壤被再次扰动［8］.

图7 虚铺厚度20 cm夯实效果Fig.7 Compaction curves of pseudo thickness 20 cm

3.2 虚铺厚度对夯实均匀性的影响

工程经验表明，土体夯实施工中土体受到的击实功随着土体深度的增加而减小，为了获得土体干密度上下均匀一致的夯实效果需要选择适当的虚铺厚度.现场进行了虚铺厚度分别为20，25和30 cm条件下的夯实试验.图8和9是虚铺厚度分别为25和30 cm条件下土体不同深度干密度与夯实次数间的关系，图10显示了3种虚铺厚度条件下土体表层土与底层土之间干密度不均匀性系数.可见，虚铺厚度越厚，表层土和底部土的干密度之间的差距越大.当虚铺厚度为20 cm时，顶部和底部土层干密度之间的差距约在5%以内；当虚铺厚度为25 cm时，顶部和底部土层干密度之间的差距约在9%～16%之间；当虚铺厚度为30 cm时，顶部和底部土层干密度之间的差距约在15%～20%之间.底层土与表层土之间干密度有差异可能有如下原因：①夯实过程中随着土体深度的增加土体受到的击实功逐步递减；②底部存在一层30 cm厚的碎石层且分布在斜坡上，这导致底部土体受到的约束减小.可见，在现场夯实条件下，为了获得上下更为均匀一致的夯实效果，虚铺厚度建议取值为20 cm.

图8 虚铺厚度为25 cm夯实效果Fig.8 Compaction curves of pseudo thickness 25 cm

图9 虚铺厚度为30 cm夯实效果Fig.9 Compaction curves of pseudo thickness 30 cm

图10 不同虚铺厚度土体夯实均匀性Fig.10 Uniformity of soil compaction

4 黄土中间覆盖层现场入渗长期监测

4.1 室内和现场无裂缝条件黄土饱和渗透系数对比

进行现场双套环原位入渗试验以对黄土临时覆盖层的入渗系数进行测试（见图11）.试验中双套环尺寸如下：外环直径为1.0 m，内环直径为0.5 m，两环高均为0.3 m，认为当处于同一圆心的内外环中都充满水时，内环中的渗透视为竖直方向的一维渗流.夯实试验结束后进行了双套环原位试验，试验黄土干密度（Pd）分别为1.68和1.54 g/cm3，测试结果如图12所示.可见在试验初期由于土体处于非饱和状态，土样入渗系数都较高，但当试验进行一段时间后土样含水率逐渐增高，土样的入渗系数逐渐减小而区域稳定.表3列出了现场双套环试验测得的黄土临时覆盖层入渗系数与室内单元体测试的渗透系数对比情况.以干密度为1.68 g/cm3的黄土临时覆盖层为例，现场实测稳定饱和入渗系数为8.37×10-8cm/s，而室内单元体标准渗透系数为4.16×10-8cm/s，约比现场测试结果小50%.分析原因可能是由于黄土中伴有碳酸钙质类结核，室内试验由于所取黄土样本质量较小且经过筛处理后这部分结核被剔除，而现场大范围施工黄土没有进行过筛处理且黄土夯实质量也不如室内样本精细和均匀所致.

图11 双套环原位渗透试验Fig.11 Double ring infiltration experiment

图12 不同干密度黄土中间覆盖层渗透系数Fig.12 Permeability coefficients of loess intermediate cover in different dry densities

表3 室内与现场黄土临时覆盖层饱和渗透系数对比Table 3 Comparison of saturated permeability between laboratory and field cover

4.2 经历干湿循环后黄土有裂缝条件饱和渗透系数

中间覆盖层服役时间不像填埋场终场覆盖层那样长达几十年之久，但也会有数月甚至长达1～2 a的时间，因此有必要对其开裂后防渗性能的劣化现象进行研究［9-10］.图13是监测期间观测到的无植被条件下黄土中间覆盖层表层土的开裂情况.由图可见，土层上有较多裂缝分布.裂缝测试结果表明：裂缝宽度约在2～6 mm之间，深度分布在表层以下0～15 cm的范围.在此开裂情况下进行了现场双套环测试，测试结果如图14所示.由图可见，有裂缝出现后，其稳定饱和渗透系数为1.18×10-6cm/s，约是覆盖层未开裂条件下的14.09倍.这表明黄土中间覆盖层经历干湿循环后黄土临时覆盖层会出现开裂，且开裂导致其渗透系数明显增大而使防渗性能弱化.

图13 黄土中间覆盖层的开裂Fig.13 Crack of loess intermediate cover

图14 有、无裂缝条件下黄土中间覆盖层渗透系数Fig.14 Permeability coefficients of loess intermediate cover with or without crack

4.3 植草对覆盖层开裂性能的改善观测

图15 黄土中间覆盖层植草后裂缝探坑观测Fig.15 Crack observation of loess intermediate cover

在无植被条件黄土中间覆盖层的表层增设了15 cm厚植被土并种植了植被.图15是在表层增设了15 cm厚植被土.从图中可以清晰地看见植被根系已经有较好的发育，覆盖层内未见有明显的裂缝分布，土层结构均匀完整开裂情况不明显；与对照组中无植被黄土覆盖层的开裂情况相比，开裂情况有较大程度的抑制，防渗功能发挥稳定.但考虑到目前研究监测的时间和周期较短，尚未经历大旱大涝的极端天气，黄土层的开裂情况和后期防渗性能的劣化测试工作仍需进一步展开.

5 结论

通过对城市生活垃圾填埋场黄土中间覆盖层开展室内和现场试验，得到如下结论.

（1）击实黄土的渗透系数随其干密度的增大而减小.当黄土干密度达到1.60 g/cm3以上时，其渗透系数为10-8cm/s，防渗性能较好，能够用于城市垃圾卫生填埋场的中间覆盖层.

（2）采用小型平板夯实仪对黄土进行夯实是可行的，当虚铺厚度为20 cm时表层土和底层土夯实均匀系数相差较小，夯实质量较好.

（3）现场黄土临时覆盖层渗透系数较室内单元体试样相比渗透系数约增大1倍，黄土临时覆盖层在经历干湿循环作用后会在土体中产生裂缝从而降低黄土的防渗性能，开裂后渗透系数约是未开裂时的14倍.

［1］贾官伟.固废堆场终场土质覆盖层中水分运移规律及调控方法研究［D］.杭州：浙江大学,2010.

［2］刘川顺,赵慧,罗继武.垃圾填埋腾发覆盖系统渗沥控制试验和数值模拟［J］.环境科学,2009,30（1）：289-296.

［3］王康,刘川顺,王富庆,等.腾发覆盖垃圾填埋场覆盖层机理试验研究及结构分析［J］.环境科学, 2007,28（10）：2307-2314.

［4］张文杰,邱战洪,朱成仁,等.长三角地区填埋场ET封顶系统的性能评价［J］.岩土工程学报,2009, 31（3）：384-389.

［5］张文杰.城市生活垃圾填埋场中水分运移规律研究［D］.杭州：浙江大学,2007.

［6］詹良通,焦卫国,孔令刚,等.黄土作为西北地区填埋场土质覆盖层材料可行性及设计厚度分析［J］.岩土力学,2014,12（3）：384-389.

［7］中国气象科学研究院.QX/T 52—2007,干湿气候分区［S］.北京：全国气象防灾减灾标准化技术委员会,2010.

［8］BOSSCHER P.The Windows 95/98/NT implementation of UNSAT-H［D］.Madison：University of Wisconsin,1999.

［9］CHEN C.Meteorological conditions for design of monolithic alternative earthen covers（AEFCs）［D］.Madison：University of Wisconsin,1999.

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本文彩色版可登陆本刊网站查询：http：//www.journal.shu.edu.cn

Experiments on loess as intermediate cover in landfills in northwest China

SHI Wei1，CHAI Xiaoli2
（1.Xi'an Solid Waste Administration，Xi'an 710038，China；
2.College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

The functions of intermediate covering layer of landfill include temporary enclosure of garbage,control of rainfall infiltration,reducing mosquito breeding,etc.High density polyethylene（HDPE）film is easy to pierce to cause rain infiltration,but the cost is high.The northwest area of China is dry,with loess widely distributed.It is convenient to be used as a landfill intermediate cover.Experimental studies are carried out on tamping construction,impervious performance and impervious performance deterioration after wetting and drying cycles.The results show that the saturated permeability coefficient of loess increases with increasing dry density.Dry density reaches 1.60 g/cm3when its permeability is from 10-7cm/s to 10-6cm/s.The field double ring in situ experimental permeability coefficient is 8.37×10-8cm/s,about double as in the indoor test.With the natural drying wetting cycle condition of saturated infiltration coefficient being 1.18× 10-6cm/s,it is 14 times greater than the condition without crack.Adding a soil vegetationlayer with thickness of 15 cm,cracking of loess is suppressed.

landfill；loess；temporary cover；anti-seepage performance

TU 443

A

1007-2861（2016）04-0505-10

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.03.019

2015-06-09

国家自然科学基金资助项目（51110742）

柴晓利（1968—），男，教授，博士生导师，博士，研究方向为固体废物处理处置与资源化、温室气体控制与资源化技术.E-mail：xlchai@tongji.edu.cn