垂直防渗在滨海地区危险废物填埋场中的应用

路 青，王 庆，冯 旭，李宜成，汪 涛，刘 元，于高建，王殿二

(光大环境修复(江苏)有限公司，江苏 南京 211100)

1 引言

危险废物是国家明文规定的纳入国家危险废物名录或者根据国家危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有急性毒性、易燃性、腐蚀性、反应性和感染性等至少一种危险特性的，可能对生态环境和人体健康造成直接危害，或者经过不适当的运输、储存、处理和处置过程产生的对生态环境和人体健康造成间接危害的固体废物[1，2]。

危险废物安全填埋是国际社会无害化处理处置的普遍措施[3，4]，但其渗漏污染危害巨大，不仅使土壤盐碱化、毒化，也会污染地下水，最终进入人类的食物链。可靠安全的防渗工程是杜绝填埋场重复污染的有效屏障。

危险废物填埋场的防渗系统通常由基础层、四壁防渗衬层、表面密封系统以及垂直防渗系统组成[5]。垂直防渗是指在渗滤液渗漏路径上进行垂直帷幕灌浆，以减少渗漏量，达到防渗的目的。垂直防渗系统在危险废物填埋场应用具有低成本、投资少及易修复等特点，相对于基础层、四壁防渗衬层、表面密封系统而言具有明显优势[6]。

2 垂直防渗研究现状

地下连续墙是最常用的垂直防渗帷幕形式，该方法也在世界各地的各种工行才能获得广泛应用。我国于1958年引进防渗墙，目前已广泛应用于各类工程中，地下连续墙技术已成为我国基础工程技术的重要方面之一。近年来垂直防渗墙越来越多的应用于防污控制工程，如污水防污控制工程、填埋场的垂直防渗工程等。另外在石油类污染物防治方面，如地下水DNAPLs防治工程等，垂直防渗墙也获得较好的应用。天然粘土等天然矿物材料以其良好的防渗性能，被广泛用作填埋场的防渗衬垫材料，但是由于天然粘土对污染物的衰减能力较差，通常将其改性之后提高其抗渗阻滞能力和吸附能力[7](表1)。

表1 垂直防渗墙类型及优缺点

3 垂直防渗设计思路

垂直防渗帷幕广泛应用于污染防治工程中，但对于垂直防渗帷幕的设计理念存在不同的看法。Spooneretal[9]提出可采用垂直防渗帷幕最大渗透系数进行污染控制类垂直防渗帷幕设计，该设计思路主要认为对流为污染物运移过程中最重要的影响因素基础上产生的。Shackelfordetal[10]及Roweetal[11]的研究表明：在进行较低渗透系数的垂直防渗帷幕设计时，应考虑对流和分子扩散的影响以及二者之间的相互作用。Devlin和Parker[12]建议当污染物垂直防渗帷幕外的泄露量趋于最小时的渗透系数为最适渗透系数，该建议是基于污染物在垂直防渗帷幕的稳态运移下垂直防渗帷幕被污染物击穿的标准。Christopeher J.Netal[8]提出在进行具体的垂直防渗帷幕的类型、厚度及深度等设计计算时，应根据现场实际选择污染物运移模型，该模型的选择将影响类型、厚度以及监测方案的确定。

3.1 垂直防渗帷幕的性能分析

影响垂直防渗帷幕性能的因素主要有以下几个方面：垂直防渗帷幕渗透系数、土层渗透系数、上下游水头差、厚度、地质条件等。

研究表明：在渗流的主导作用下，地表处的防渗墙更容易被污染物击穿；上下游水头差、防渗帷幕渗透系数、厚度对防渗帷幕性能有显著影响。防渗帷幕的击穿时间与渗透系数和水头差呈负相关，与厚度呈正相关。在实际工程设计中，控制防渗帷幕渗透系数不大于1.0×10-7cm/s的基础上，严格控制渗沥液水位。在设计中对于嵌入式防渗帷幕在需要满足渗流控制要求或安全水力梯度设计标准基础上，应同时考虑分子扩散作用，并且应加强帷幕顶部厚度或防污性能。

3.2 垂直防渗帷幕厚度设计方法

目前国内对于防渗帷幕的设计主要借鉴水利工程中的设计和计算方法，在考虑安全系数及时间效应的基础上，采用水力梯度为设计和控制标准。

该种设计方法主要以渗流作为污染物运移的唯一主要因素为前提，但是忽略了分子扩散作用，只以水利坡降为控制标准的设计方法可能致使设计结果存在不安全性。

本文基于在垂直防渗帷幕内扩散作用对于污染物运移有较大的影响，在考虑分子扩散作用、吸附阻滞作用的情况下计算土-膨润土墙的垂直防渗帷幕厚度。

4 某滨海地区危险废物填埋场应用实例

4.1 工程概况

本工程场址属于滨海相沉积地貌。本工程场地浅部淤泥土层深厚，须增加垂直防渗工程措施，提高地下污染防控水平。本工程原场地有深厚软土层(即③层淤泥层)，平均埋深1.15～18.13 m，平均厚度16.57 m。

4.2 工程地质及水文条件

4.2.1 工程地质

工作区属于滨海相沉积地貌，地势较平坦，地面相对高程约为2.71～3.40 m，地表相对高差0.69 m。

4.2.2 水文条件

(1)地下水的类型。场区本次勘察深度范围内地下水主要类型为潜水和承压水，潜水主要赋存于上部黏土、淤泥中，标高一般在1.20 m 左右。承压水主要赋存于细砂中。

(2)地下水的补给与排泄。潜水的主要补给源为降雨及地表水下渗为主，主要通过蒸发作用及侧向径流排泄，承压水主要以侧向补给和径流为主，下水水位随季节变化，年变化幅度为1.5 m。

4.3 垂直防渗设计

本工程垂直防渗墙选择土-膨润土墙。墙体设计厚度L计算公式[14]如下：

(1)

安全系数Fr取值1.5，垂直防渗墙渗透系数k取1×10-9m/s，污染防控时间T为50年，上下游水头差H为0.6 m；本工程所涉及的危险废物来源及种类复杂，计算的阻滞因子R取8；污染物扩散系数Dh取3×10-10m2/s。

则垂直防渗墙厚度L计算值为0.88 m，因《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》要求垂直防渗帷幕宜嵌入渗透系数不大于1×10-7cm/s的隔水层中，嵌入深度不宜小于1 m，故本项目垂直防渗墙厚度L取值为1 m。

4.4 工程实施效果

工程施工前选择适当区域进行垂直防渗墙试验段，通过现场检验，土-膨润土防渗帷幕渗透系数小于1.0×10-7cm/s，符合设计要求；垂直防渗工程施工过程中，委托专业机构对拌合好的垂直防渗墙回填进行取样，并采用柔性壁渗透仪进行室内渗透系数测试，测试结果表明渗透系数小于5.0×10-7cm/s，满足工程设计要求。

5 结论

(1)需要根据各个危险废物填埋场现场实际情况选择垂直防渗帷幕类型，以达到防渗效果及经济效益最大化。

(2)垂直防渗帷幕厚度设计过程中，需要在渗透系数的基础上，分析分子扩散及吸附阻滞作用对垂直防渗帷幕防渗效果的影响。