垃圾填埋场衬垫工程性质及其环境影响研究综述

刘罗基，段隆臣，张涛

（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）

1 引言

随着经济不断发展，城市生活垃圾数量不断增加，对社会经济发展和环境保护造成了巨大压力。目前世界各国处理城市垃圾的主要方法是垃圾填埋，而保证垃圾填埋场平稳运行的最关键系统是衬垫系统。传统垃圾填埋场大多采取垂直防渗系统，进而在内部设置衬垫工程，为堆体提供防渗透屏障。但是由于垃圾的高压缩性与不均匀性，衬垫材料之间具备较强硬度，所以对衬垫工程性质及其环境影响分析就成为首要问题。

2 垃圾填埋场衬垫工程及其结构形式

垃圾填埋场所产生的污染物主要由填埋废气与垃圾渗漏液渗漏所造成，进而垃圾填埋场在设计过程中关键内容为防止渗滤液与固体有害物质对环境所造成的影响。一个现代化垃圾填埋场由五部分构成，分别为衬垫工程、处理工程、气体收集治理工程与渗滤液收集系统。衬垫工程是垃圾填埋场关键部分，其由两部分构成，分别为垃圾填埋场底部与侧部，都需要设置防渗衬垫，其主要作用为规避垃圾渗滤液对地下水与周围土壤所造成的污染，防止地下水由于污染对周围地区造成横向迁移。所以，垃圾填埋场衬垫工程设计是否合理，是否具备较高施工质量，对垃圾填埋场能否稳定运行具备关键作用。

按照我国《生活垃圾卫生填埋技术规范》内规定，所有垃圾填埋场都必须开展防渗处理，规避垃圾填埋对地表水与地下水所造成的影响。当前，我国垃圾填埋场衬垫工程主要分为两种类型，分别为垂直防渗帷幕系统与水平防渗系统，其中垂直防渗帷幕系统主要借助垂直帷幕注浆途径实现垃圾渗滤液渗透，有效减小过水断面岩层渗透系数，其主要在山谷型垃圾填埋场内应用；水平防渗系统为我国近几年新建垃圾填埋场所应用的形式。

垃圾填埋场衬垫工程结构型式分为以下几种，分别为复合衬垫工程、天然压实粘土衬垫工程、土工膜单层防渗结构衬垫功能。出于各种原因，西方发达国家都采取双层衬垫功能，我国当前尚未对中间衬垫工程结构形式作出详细规定。和常规垃圾填埋场底部衬垫工程相比较，双层衬垫功能主要采取加筋措施，确保垃圾填埋场整体性能。

3 垃圾填埋场防渗衬垫研究进展

3.1 传统防渗衬垫研究

3.1.1 传统压实黏土衬垫

在传统垃圾填埋场填埋垃圾内，渗滤液会对土壤、地表水等人类生存环境造成显著影响。传统压实黏土在实际填埋过程内虽然可以规避水溶液低张力运动，但是却非常容易出现有机污染物，让黏土防渗层出现收缩性裂缝，进而造成衬垫工程丧失阻隔性能。

黏土防渗衬垫破坏主要原因：衬垫工程在建造时，垃圾填埋场土工膜容易刺破，造成黏土成分和渗滤液之间出现化学反应，进而增加渗透系数；所以，传统黏土防渗衬垫工程的创新也成为我国研究人员主要研究方向。

3.1.2 复合衬垫系统

复合衬垫为两种防渗材料构成，其主要分为单层复合与双层复合两种衬垫防渗结构。由国外垃圾填埋场大量实践经验可知，垃圾填埋场在前期建设一直到填埋完毕所出现的生物化学反应都应该十分稳定，甚至能够储存上百年时间。原有“两布一膜”防渗系统在我国普遍应用，但是因为其自身具有一定缺陷，防渗标准过低，逐渐被市场所淘汰。复合衬垫工程由于综合了水力、物理特点不同的防渗材料优点，进而具备良好防渗效果。而因为不同材料力学特性存在差别，同时衬垫工程各材料之间抗剪强度较低，进而对防渗效果造成影响。

3.2 填埋场防渗衬垫系统水力特性研究进展

为了能够寻找出符合垃圾填埋场防渗衬垫要求，并且具备较高经济特性，国内外研究人员做出了大量分析研究，主要针对的是防渗衬垫渗透性与防渗层对污染物的有效拦截。所以也就出现两种思路：第一，借助有关规范规定，在黏土内添加添加剂构成全新防渗材料，也被称之为改良型材料；第二，选择可替代防渗材料替代黏土，也被称之为替代材料。

3.2.1 国外研究进展

P R Jaffe与J A Smith借助膨润土对防渗材料改良做出试验以后发现，膨润土改良型材料渗透系数为1×10-8cm/s；Bell所带领的研究团队借助石灰改良黏土性质，石灰掺量不断增加时，防渗土体防渗性能也显著提升；L S Kaita研发出新型CRC黏土，借助试验表示该黏土可以有效降低污染物对衬垫工程防渗破坏；P J Fox在对GCL与均匀粗砾GCL对比试验发现，集中荷载在不断增加时，GCL性能能够得到有效改善，同时集中载荷快速加载情况下，GCL覆盖一层土工布以后，可以有效规避膨润土迁移。

3.2.1 国内研究进展

刘长礼将沙土与膨润土相互混合，借助复合土材料试验发现，复合土渗透系数超过1×10-9cm/s；史晶华将膨润土与石灰相互混合以后，试验结果显示，复合土控制阻隔80%污染物质；陈彦君借助有机改良膨润土，发现了垃圾填埋场反应层；何俊宝将天然黏土与粉煤灰相互混合，试验研究显示，粉煤灰占比为25%情况下，复合土渗透系数为1×10-7cm/s。

4 垃圾填埋场衬垫与污染物的相互作用

垃圾填埋场衬垫工程阻隔效果无法保证，就会造成渗滤液扩散与渗漏，对周边环境造成严重影响。在繁琐的地下环境，垃圾填埋场衬垫工程渗滤液携带大量污染物，填埋场防污屏障就非常容易击穿，特别在衬垫工程薄弱环节上，形成优势流，同时向地下环境扩散，导致地下环境造成污染。

4.1 垃圾填埋场衬垫土壤材料吸附特性研究

天然黏土是我国衬垫系统目前使用的主要材料，有如下两方面的作用：第一是阻止污染物的渗漏；第二是对有害物质的吸附作用。陈云敏等根据水和离子在电场、渗流场和浓度场作用下的迁移原理研制了室内动电模拟试验装置进行试验，并详细阐述了衬垫层黏土对金属离子与有机物的吸附研究现状，对污染后黏土土工性质研究现状进行了全面的概述，分析了在污染物与黏土相互作用机理研究中取得的成果与存在的不足，对今后要开展的研究工作以及研究方案提出了建议。

垃圾填埋场衬垫系统并不能完全有效阻止污染物的扩散，一些学者提出解决这一缺陷的有效手段是提高衬垫土壤材料的吸附能力。有机膨润土、活性炭和页岩等具有强吸附能力的物质已经被采用，这些物质的吸附能力比黏土要大4～5个数量级。衬垫系统采用此种方法改良以后，不仅有效抑制了污染物的迁移，还不需要增加衬垫层的厚度，大大节约了建造成本。

4.2 垃圾填埋场污染物在复合衬垫中的运移方式研究

当前，垃圾填埋场主要应用复合型衬垫工程，防渗系统主要由土工复合膨润土垫、土工膜与压实粘土层等材料构成。由于施工等原因的影响,复合衬垫中的土工膜上总是存在缺陷。因此,很多学者对复合衬垫缺陷处的渗滤液和污染物运移进行了研究。

这些污染物按其成分可以分为两类:有机污染物和无机污染物。研究表明，有机污染物虽然浓度较低,但是危害性较大。而且在复合衬垫中污染物的运移方式中无机污染物和有机污染物是不同的。研究表明:GCL(人工合成材料粘土衬垫)复合衬垫以有机污染物在完好复合衬垫中的扩散为主,可以忽略缺陷处污染物的运移;而CCL(压实黏土衬垫)复合衬垫中两种运移方式所做的贡献在同一数量级,需要考虑两种方式的共同作用。在GCL复合衬垫下铺设粘土层能有效改善GCL复合衬垫对有机污染物的阻止效果。

5 结语

本文通过对目前国内外文献中关于垃圾填埋技术的报道，对衬垫系统的工程性质及其造成的环境影响进行整理和总结。对垃圾填埋场衬垫系统的设计与维护具有一定的借鉴意义。初步结论与建议如下：

①本文论述了垃圾填埋场衬垫工程及其结构形式，分析了垃圾填埋场工作时衬垫工程的重要性，提出了水平防渗系统的建设在我国的必要性。

②基于防渗层的研究，国内外的大量研究主要集中在改性材料，尤其是黏土的改性，但是对于替代材料的研究较少。此外，我国幅员辽阔，地质条件多样，所以应该根据各地的实际情况，尽可能使用当地的防渗材料，不仅可以降低施工成本，而且还可以互相提供借鉴。

③本文论述了垃圾填埋场中衬垫层黏土对金属离子与有机物的吸附研究现状，分析了在污染物与粘土相互作用机理研究中取得的成果与存在的不足，对今后要开展的研究工作以及研究方案提出了建议。

④本文对有机污染物在复合衬垫中的两种运移方式进行了讨论,其影响因素是不同的。两种方式下污染物的运移应从污染物累积量比较。