生态型土质覆盖层工作原理及其在垃圾填埋场封场治理中的应用＊

詹良通，冯 嵩，李光耀，吴 涛，丰 田

（1. 浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310058；2. 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058；3. 福州大学土木工程学院，福建 福州 350100；4. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；5. 江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212000）

1 引言

我国城市生活垃圾处置方式长期以填埋为主，导致城市及周边分布着大量生活垃圾填埋场，包括1 800 余座卫生填埋场和27 000 余座简易填埋场（数据来源：住建部非正规垃圾堆放点排查整治信息系统）。目前全国生活垃圾堆存量约8.0×109t，占地面积超过3.3×104hm2，对城市土壤、地下水与大气造成持久性污染风险，亟需进行无害化治理与生态恢复。2019 年，《“无废城市”建设指标体系（试行）》已将非正规垃圾填埋场整治完成率纳入考核指标［1］。2021 年《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》要求开展库容已满填埋设施封场治理，着重做好“堆体覆盖、植被恢复”等［2］。各省市积极响应中央政策，如浙江省已在2020 年底基本实现原生生活垃圾零填埋，“十四五”期间要在全省实施生活垃圾填埋场综合治理行动。可见，生活垃圾填埋场的封场整治与改造，是推进我国“深入打好污染防治攻坚战”战略的切实需求。

封场覆盖是垃圾填埋场治理和生态恢复的重要技术。封场覆盖的功能主要包括3 个方面：①通过控制雨水下渗量减少渗滤液产生量，降低地下水土污染风险，同时防止暴雨等极端气象条件导致填埋体浸润线上升而失稳滑坡；②通过控制填埋气无组织释放实现温室气体和臭气的减排；③通过种植植物实现场地生态恢复。填埋场封场覆盖层已有约50 a 的发展历史，经历了如下主要发展阶段［3］：单层简易覆土→单层压实黏土覆盖层→复合型覆盖层→腾发式土质覆盖层。其中，复合型覆盖层的防渗层由土工膜与压实黏土或膨润土防水毯（Geosynthetic Clay Liner，GCL）组成。单层压实黏土覆盖层和复合型覆盖层又被称为阻断型覆盖层，这类覆盖层依赖低渗透性材料实现防渗。无破洞土工膜与无裂隙的压实黏土均具有良好的防渗性能，渗漏量低于10 mm/a［3］。然而，季节性干湿循环或持续干旱易导致黏土和GCL 开裂失效，使其防渗性能大打折扣；极端降雨易导致覆盖层沿土工膜或GCL 界面失稳滑动（图1）。由于阻断型覆盖层存在上述问题，20 世纪90 年代末欧美国家提出了一种替代型覆盖层，即腾发式土质覆盖层，其工作原理与海绵类似，主要利用细粒土的储水能力实现防渗，即降雨时储水，晴天时通过蒸发、植物蒸腾作用释放储存的水分。当时提出的腾发式土质覆盖层包括单层细粒土覆盖层和细粒土与下卧的粗粒土组成的毛细阻滞覆盖层两种。多年实践证明，这两种覆盖层在欧美非湿润气候区是适用的。目前美国加利福利亚、亚利桑那、科罗拉多、内华达、爱荷华、密歇根和德克萨斯等州也已经批准将腾发式土质覆盖层应用在填埋场封场覆盖治理工程中［4］。截至2011年5 月，北美已完成至少167 项采用单层腾发式土质覆盖层和5 项采用毛细阻滞覆盖层进行全场封场覆盖治理的工程［4］，取得良好的经济与生态效益。然而，北美主要关注土质覆盖层防渗性能，缺乏对其闭气性能的研究。

图1 我国某填埋场覆盖层沿土工膜滑动失稳Figure 1 Sliding instability of a landfill cover along geomembrane in China

笔者团队在我国率先开展土质覆盖层对我国生活垃圾填埋场的适用性研究［5-8］，建立了土质覆盖层-植被-大气相互作用的数值模型，模拟分析了我国3 种典型气候（干旱、半干旱和湿润）条件下两种腾发型土质覆盖层的服役性能性状，发现我国大陆季风带来的雨热植生同期气候特征非常有利于土质覆盖层防渗功能的发挥，这是由于我国多雨季节与气温较高及植被生长季节基本重叠，以致水汽蒸发和植物吸水蒸腾能大量消耗入渗到土质覆盖层中的雨水，因此土质覆盖层在雨季发生渗漏的风险低。针对极端降雨（如春季连绵阴雨）条件，笔者团队提出了在毛细阻滞覆盖层细/粗粒土层之间增设非饱和砂土导排层，利用其侧向排水功能提升防渗性能［9］。针对我国南方湿润气候区，吴宏伟教授提出了全天候3 层土质覆盖层，即在毛细阻滞覆盖层底部增设黏土层，形成从上至下依次由细粒土层、粗粒土层与黏土层组成的覆盖结构，监测结果表明其具有良好的防渗性能［10］。

土是自然界中耐久性最好、最广泛、最低廉的土工材料，土质覆盖层具有耐久性好、维护成本低、稳定性高的优点［9,11］。针对当前较缺乏土质覆盖层闭气性能研究的问题，笔者团队在国际上较早对其进行研究［9,12-14］，发现土质覆盖层中细粒土层饱和度超过85% 时其透气性显著降低，毛细阻滞作用提升了细粒土层的储水能力，这使得填埋气透过覆盖层的排放量显著降低。笔者还发现我国西北地区填埋场黄土覆盖层因易生长甲烷氧化菌而具有甲烷氧化功能，对透过黄土覆盖层的甲烷消减率达90% 以上［13］。垃圾填埋场被认为是排名第3 位的甲烷排放源，我国填埋场甲烷排放量约占甲烷总排放量的31.6%，达到3.599×108t 当量二氧化碳［15］，且甲烷的温室效应约是二氧化碳的29 倍［16］。我国诸多学者的研究表明甲烷氧化作用受到多种因素影响，如土体含水量、温度、土体类别、富铁碳含量与硫化氢等［17-20］。土质覆盖层的甲烷氧化功能对生活垃圾填埋场甲烷减排具有重要贡献，对我国碳达峰和碳中和战略实施具有重要意义。

基于长期的研究与工程实践，笔者团队和同行针对我国垃圾填埋场特点和季风性气候特征推荐使用如图2 所示的3 种生态型土质覆盖层，分别适用于我国干旱、半干旱-半湿润和湿润气候区，这3 种覆盖层均具有防渗、植生、闭气、减碳、保土等生态功能。

图2 适用于我国的3 种生态型土质覆盖层结构Figue 2 Three configurations of ecological soil cover suitable for China

本研究旨在介绍生态型土质覆盖层的工作原理，同时结合国内外规范，介绍生态型土质覆盖层设计与分析方法及其在生活垃圾填埋场封场治理工程中的应用，最后总结生态型土质覆盖层优势和发展前景。

2 生态型土质覆盖层的工作原理

2.1 防渗原理

生态型土质覆盖层基于“水分存储-释放”原理实现防渗功能。如图3 所示，生态型土质覆盖层犹如“吸水海绵”，在降雨时存储雨水，晴天时通过土体蒸发、植物蒸腾等释放存储的水分，从而降低覆盖层渗漏量。当覆盖层的储水量超过其储水能力时，雨水会击穿覆盖层导致渗漏的发生［3,21-24］。

图3 生态型土质覆盖层水分储存-释放原理Figure 3 Water storage-release principle of ecological soil covers

单层腾发式覆盖层由1 层非胀缩性细粒土层构成（图2），因此避免了由于土体开裂引发的大规模渗漏行为。该类覆盖层一方面利用细粒土的高储水能力，使得覆盖层有足够的孔隙容量储存雨水；另一方面利用细粒土低透水性，降低湿润锋击穿覆盖层底部的风险。一般认为，当单层土体的含水量超过田间持水量（对应的基质吸力，即孔隙气压力与孔隙水压力之差，通常为33 kPa）时，水分在重力的作用下发生渗漏［3］。与单层腾发式覆盖层相比，毛细阻滞覆盖层（图2）由1层非胀缩性细粒土下衬1 层粗粒土构成，利用细-粗粒土层界面处的毛细阻滞效应提升细粒土层储水能力。在微观方面，毛细阻滞效应是水分到达细-粗粒土界面后向毛细驱动力大的细粒土中优先运移的直观表现。Zhan 等［25］利用微流控技术在微观尺度成功再现了毛细阻滞效应（图4），相比于粗粒土，由于细粒土较小的孔径提供较大的毛细吸力，使得水分更容易在细粒土中运移。

图4 微流控实验在微观尺度再现毛细阻滞效应Figure 4 Capillary barrier effect captured by microfluidics technique

在宏观尺度方面，毛细阻滞效应可以利用土体的土水特征曲线和渗透系数曲线进行解释。图5展示了3 种典型土类的土水特征曲线和渗透系数曲线，平均粒径大小为黏土＜粉土＜碎石。由图5（a）可见，对于相同基质吸力，持水能力大小关系为黏土＞粉土＞碎石。然而由于黏土较高的胀缩性导致其容易干燥开裂，因此通常不作为上部储水层。理想的储水层材料为粉土。由图5（b）可以看出，当土体较干燥时（如基质吸力＞10 kPa），粗粒土（碎石）的渗透系数小于细粒土（粉土），导致粗粒土阻碍水分从细粒土向粗粒土入渗，即形成毛细阻滞效应。随着细粒土含水量逐渐增至粗粒土的进水值φb对应的含水量时，粗粒土的渗透系数大于细粒土，此时水分大量入渗到粗粒土中，标志着毛细阻滞效应的失效［26-28］。通过图5（a）可以看出，当细粒土（粉土）的基质吸力达到粗粒土（碎石）进水值时，粉土含水量接近饱和含水量θb，这表明毛细阻滞效应显著提升细粒土层的储水能力，有利于提高覆盖层的防渗性能。

图5 3 种典型土类的土水特征曲线和渗透系数曲线Figure 5 Soil water characteristic curves and permeability functions curves of three representative types of soils

除此之外，Zhan 等［8］通过开展现场人工降雨试验，测试了极端降雨条件下毛细阻滞覆盖层细粒土不同深度处的孔隙水压力（即基质吸力的负值）的变化情况，结果如图6 所示。降雨持续80 h后，粗-细粒土界面上方（即图中0.85 m 深度处）的基质吸力超过粗粒土的进水值φb，导致毛细阻滞效应失效，此时监测到底部渗漏的发生。随着进一步降雨，由于雨水渗入速率超过了底部渗漏速率，界面上方的孔隙水压力持续升高，并在降雨结束时达到最大值。降雨结束后，底部渗漏并未停止，并导致界面上方的孔隙水压力下降。值得注意的是，当底部渗漏停止时，界面上方的基质吸力约为10 kPa，低于田间持水量对应的33 kPa，说明毛细阻滞效应在失效之后出现了恢复行为，这使得细粒土在降雨后也可以维持较高的储水量，有利于降低底部渗漏量。

图6 极端降雨条件下毛细阻滞覆盖层细粒土中孔隙水压力变化Figure 6 Variation of pore water pressure in the fine layer of a capillary barrier cover in response to extreme rainfall

研究表明单层腾发式覆盖层和毛细阻滞覆盖层适用于非湿润地区防渗［27-28］。华南湿润地区降雨量大（1 500～2 000 mm/a）且强降雨事件频发，导致强降雨期间土体吸力低，使得粗粒土的渗透系数大于细粒土。如图5（b）所示，基质吸力小于0.1 kPa 时，渗透系数大小关系为黏土＜粉土＜碎石，造成毛细阻滞效应失效。此时应采用图2所示的全天候3 层覆盖层，其防渗原理如下：当降雨量较大时，上覆两层土之间的毛细阻滞效应失效，底部细粒土（如黏土）饱和度高，此时利用黏土的低渗透性阻滞湿润锋击穿覆盖层，并利用中间粗粒土层高渗透性导排雨水，从而减少渗漏量。干燥时期，土体饱和度低，如图5（b）所示，基质吸力＞100 kPa，上部细粒土与粗粒土的渗透系数低于底部黏土层，此时上部两层土充当保护层，降低黏土层水分蒸发，避免干缩开裂，从而保障覆盖层长期防渗性能。

2.2 植生原理

植物不仅能提升生态美观和防止水土流失，而且可以通过蒸腾作用将生态型土质覆盖层储存的水分释放到大气，降低渗漏量。蒸腾作用约占根系吸收水分的95%［29］。植物根系吸水受到土体含水量（基质吸力）与温度的显著影响。一方面，当土体的含水量低于植物枯萎点（对应的基质吸力约为1 500 kPa）时，根系无法继续从土体吸收水分［30］，导致植物枯萎；另一方面，当土壤温度高于或者低于最优温度，都会抑制根系吸水［31］。土壤长期处于高温甚至会导致根褐变乃至植物枯萎［32］。生态型土质覆盖层通过储水供给植被，连通地气调节土体温度、湿度，促进植物生长。在储水方面，通过选用粉土、粉质黏土等细粒土，利用细粒土孔径小、孔隙度大的优点，结合毛细阻滞效应，提升土体的储水能力，为植物生长提供水分。此外，不同于欧美发达国家低厨余的“干冢”式填埋场，厨余垃圾是我国填埋垃圾的主要组成部分，造成我国城市生活垃圾填埋场渗滤液水位高［33］，形成“湿冢”填埋场。根据笔者团队在西安江村沟填埋场的现场监测数据［34］，覆盖层底部填埋气的相对湿度接近100%。Li 等［34］针对黄土-碎石构建的毛细阻滞覆盖层的数值模拟研究表明：由填埋气中水蒸气引起的覆盖层有效储水量最大增量为30 mm/a，相比于不考虑水蒸气的工况，覆盖层有效储水量增加约40%。这些增加的储水量能够有效提升我国西部干旱、半干旱地区填埋场植物的抗旱能力。

在调节土体温度方面，由于土体具有较高体积比热容（单位体积的土体温度升高1oC 所需要的热量），且随含水量增加而增大，因此土体犹如“棉被”一样，有助于降低严苛的大气温度对根系的不利影响。例如夏季，土体降低外界高温的影响，起到降温作用；冬季，土体起到保温作用。由于填埋场内部生化反应释放热量，导致填埋堆体内温度高达60～70oC［35］，通过热传导与湿热填埋气提升覆盖层温度。笔者团队在西安江村沟填埋场开展的现场监测数据表明：即使在冬季大气温度降低至0oC 时，毛细阻滞覆盖层表层0.10 m处土体的温度依然维持在10oC 左右，而覆盖层底部0.85 m 处土体的温度约为30oC［13］，有效降低了植物冻害发生的可能性。相比之下，传统阻断型覆盖层使用的土工膜完全阻断了膜内外的水气交换，使得湿热的填埋气无法调节土体温度与湿度，也隔断了膜内外生态的连续性。如图7 所示，笔者团队在西安江村沟填埋场的现场试验表明，相比于无膜覆盖区域，有膜覆盖区域的植被长势明显不佳。近年来工程界人士也逐渐认识到土工膜生态性差的缺点，例如在河道治理工程中，由于土工膜隔绝了河道水体与地下水的交换和相互调节，降低了生态系统自我净化功能。此外，土工膜易形成“锅盖效应”，导致填埋气中的水蒸气在膜下冷凝，增大膜-土界面含水量，长期作用下易形成膜-土软弱界面并产生稳定性问题。因此，相比于含土工膜的覆盖层，生态型土质覆盖层具有连通地气、自我调节温度与湿度的优势，更有利于植物生长。需要指出由于填埋气主要由二氧化碳与甲烷组成，导致土体中氧气含量降低与二氧化碳浓度升高，对木本植物生长造成不利影响［36］。Chan 等［36］通过对比10 种木本植物品种，建议在亚热带地区的填埋场栽种红胶木（Tristania conferta），因其填埋气耐受性高且耐干旱。

图7 铺设土工膜对填埋场覆盖层植被生长的影响Figure 7 Effects of geomembrane on vegetation growth in landfill cover

2.3 闭气原理

生态型土质覆盖层通常处于非饱和状态，主要利用含水细粒土的低透气性实现闭气。非饱和土的气体渗透系数主要取决于气相的连续性、孔径尺寸与孔隙联通性等［9,37］。增大土体压实度或土体饱和度，均能减少充气的孔隙空间，增大气体运移路径的曲折度，从而降低非饱和土的气体渗透系数。例如，Jucá 等［38］测试了巴西某填埋场覆盖层使用的3 种黏土的气体渗透系数和饱和度的关系（图8），发现当土体的饱和度低于临界值（如85%）时，土体气体渗透系数随饱和度的增加而缓慢降低；当土体的饱和度高于临界值时，气体渗透系数随饱和度的略微增加而显著下降，具有良好的闭气性能。这是由于低于该临界值时，土体中气相处于连通状态，透气性好；高于该临界值时，气相处于闭塞状态，透气性差。该饱和度临界值受土壤类型、压实度和初始含水量的影响，常见范围为60%～95%［38-42］。对于单层腾发式土质覆盖层（图9），其细粒土层应足够厚，使得覆盖层底部的土体较湿润且受气候波动影响小，从而实现良好的闭气效果。美国南加州Lopez Canyon 卫生填埋场采用0.90 m 厚的单层腾发式覆盖层，持续约3 a 的现场监测数据表明：地表处覆盖层体积含水量变化量接近饱和含水量的90%，而覆盖层底部的土体常年保持湿润状态，且体积含水量随季节变化量通常小于饱和含水量的5%［43］。受益于覆盖层底部细粒土相对恒定的高含水量，单层腾发式覆盖层在实际工程中取得良好的闭气效果。例如，南加州Olinda 生活垃圾填埋场主要由单一层砂质粉土覆盖，能够显著提升填埋气收集系统的有效性，使得甲烷排放量从约1 000 g/（m2·d）降低至小于10 g/（m2·d）［44］，满足澳大利亚规范要求的甲烷通量限值（≤60 g·m-2·d-1）［45］。对于该填埋场局部由单一层黏质粉土覆盖的区域，由于该土体黏粒含量多，闭气性能更佳，使得覆盖层甲烷通量低至0.01 g/（m2·d）以下［44］。这表明单层腾发式土质覆盖层具有良好的闭气功能，有助于提升填埋气收集效率。对于毛细阻滞覆盖层，由于毛细阻滞效应将粗-细粒土界面处的含水量从田间持水量增加至接近饱和含水量，见图5（a），使得界面处细粒土体的气体渗透系数比田间持水量对应的气体渗透系数降低约两个数量级，显著增强闭气性能［14］。对于全天候3 层覆盖层，由于上覆两层土体的保护，使得底层的低渗透性细粒土层处于较高饱和度状态，具有良好的闭气性能［42］。土工膜的渗透系数一般要求应低于1×10-14m/s，显著低于生态型土质覆盖层的渗透系数（图8），然而由于土工膜在建造期间以及长期服役过程中破损，填埋场地表甲烷浓度测试结果表明HDPE 土工膜上方的平均甲烷浓度高于土质覆盖层，其闭气性能低于耐久性更好的生态型土质覆盖层［46］。此外，对于生态型土质覆盖层，也可通过在覆盖层内部滴灌水分，增加覆盖层的含水量，有效降低土体气体渗透系数，进一步减少通过覆盖层的填埋气排放［8,13-14］。

图8 3 种黏土的气体渗透系数与饱和度的关系Figure 8 Relationship between gas permeability coefficient and saturation of three clays

图9 腾发式土质覆盖层含水量随深度和季节的变化示意Figure 9 Schematic of the seasonal variations of water content of evaporatranspirative cover with depth

2.4 减碳原理

受氧气浓度限制，微生物分解污染性填埋气主要发生于深度小于0.4 m 的浅层。该区域存在复杂的大气-植被-土体-微生物相互作用。Bohn等［56］研究了植被对土体甲烷氧化作用的影响，发现植被的生长增加了土壤中的有机质含量，同时根系吸收水分并穿透到土壤中形成大孔隙，提升土体透气性，增强了甲烷的氧化作用。此外，植物通过光合作用吸收空气中的二氧化碳，实现固碳。研究表明每公顷由成熟植被覆盖的土壤每年可以固碳约2.5 t［4］。Ng 等［57-58］的试验表明植物对二氧化碳的固碳作用取决于植物品种与土体养分（如N、P、K 等）：当土体缺乏养分时，鹅掌柴在含1 964.3 mg/m3二氧化碳空气下生长的叶面积与蒸腾速率均小于在含785.7 mg/m3二氧化碳的情况；当施加了N、P、K 肥之后，得到了与上述相反的结果。这表明在高浓度二氧化碳的情况下，宜施加N、P、K 肥，以促进植物生长与固碳。

3 国内外规范中生态型土质覆盖层的相关规定

3.1 欧美规范中土质覆盖层的相关规定

3.1.1 腾发式土质覆盖层防渗设计、稳定性与维护

美国环保部（US EPA）制定了城市固体废物填埋场封场覆盖的联邦法规：Title 40, Part 258,Subpart F（closure and post-closure care）of the Code of Federal Regulation （CFR），简称40 CFR 258。40 CFR 258 第258.60（b）节条文授权各个州的环保部门批准使用有别于联邦法规规定的替代型覆盖层结构，但是要求开展现场试验证明其防渗效果与抗侵蚀能力与40 CFR 258 条文规定的阻断型覆盖层相当［59］。表1 列出了北美地区覆盖层防渗标准［60］。通常情况下，美国各个州制定的规范要求比40 CFR 258 更为严格，直接用于各个州的覆盖层设计。美国腾发式覆盖层的重要设计规范主要有ITRC［61］和US EPA［44,62-63］。另外，北美学者Albright 等［24］编制了详细的腾发式土质覆盖层设计指南，被澳大利亚新南威尔士州的覆盖层设计规范［64］所采纳。迄今为止，美国EPA 尚未建议类似表1 的填埋场覆盖系统的渗漏量限值［44］。此外，不同于覆盖层最小渗漏量的要求，加拿大安大略省针对有渗滤液收集系统的填埋场，要求封场覆盖层的渗漏量需要大于150 mm/a［65］。这是由于欧美主要为“干冢”式垃圾填埋场，限制了固体废物的降解，延长了污染治理的时间。通过渗滤液回灌等措施适当增加垃圾堆体的水分有利于促进垃圾降解，形成生物反应器填埋场（Bioreactor Landfills）以加速固体废物降解，从而减少维护和监测时间，缩短现场的污染防治时间，确保工程设施的使用寿命长于污染防治时间［65］。

表1 土质覆盖层的目标防渗率Table 1 Allowable annual percolation for soil covers

腾发式土质覆盖层设计主要考虑覆盖层的水分平衡，包括土壤储水能力、降雨、地表径流、蒸散和渗漏。主要通过增大储水量和蒸散量，降低覆盖层的渗漏量。腾发式土质覆盖层设计主要强调以下内容［63］：①利用细粒土构建储水层，如具有较高储水能力的粉土和黏壤土；②利用当地的原生植被增加蒸散量；③利用当地土壤，便于施工并节约成本。单层腾发式土质覆盖层的厚度通常为0.60～2.00 m［4,44］。毛细阻滞覆盖层的细粒层（储水层）厚度通常为0.45～1.50 m，粗粒层厚度一般为0.15～0.60 m［4］。新 南 威 尔 士 环 保 部 门［64］（New South Wales Environmental Protection Agency，NSW EPA）建议腾发式覆盖层的细粒土厚度不小于1.50 m，从而保障充足的储水能力，避免渗漏量超标。需要指出，当细粒层过厚时，其底部的水分难以通过蒸散作用释放到大气，不仅降低腾发式土质覆盖层的经济适用性，而且减少填埋场库容。

由于毛细阻滞覆盖层细粒土容易迁移到粗粒层的孔隙，造成粗粒层堵塞，减弱毛细阻滞效应，因此土工布常用于阻隔粗/细粒土界面的土颗粒迁移。Koerner 等［66］建议在毛细阻滞覆盖层细-粗土层界面处设置玻璃纤维材质的土工布。研究表明玻璃纤维材质土工布的服役年限可以长达百年以上。然而，当土工布位于细-粗粒土层界面时，毛细阻滞效应发生在细粒土和土工布之间，而非细粒土和粗粒土之间［67］，有可能降低细粒层的储水能力。此外由于土工布的渗透系数通常大于细粒土，土工布还可起到侧向排水的作用。US EPA［44］建议如果使用土工布，则应在最终毛细阻滞覆盖层设计中考虑并解决使用土工布带来的相关影响，如蓄水能力降低和横向排水的增加。

在覆盖层稳定性方面，US EPA［62］基于剪切强度参数测量的不确定性以及覆盖层滑坡的危害性，要求覆盖层稳定性安全系数需满足表2［44］所示数值。

表2 US EPA 建议的覆盖层安全系数值Table 2 Safety factor of landfill cover recommended by US EPA

植被覆盖率与生长状况在腾发式覆盖层防渗与抗侵蚀方面至关重要。腾发式覆盖层一般采用深根植物以去除覆盖层储水层内的水分。这不同于传统利用黏土、土工膜等建设的阻断型覆盖层采用浅根植物，以避免根系扎穿防渗层，导致渗漏量增加［64］。当毛细阻滞覆盖层的粗粒层由至少0.30 m厚的碎石构建时，由于碎石含水量低，能够起到阻止植物的根系击穿覆盖层的作用［44］。当前腾发式土质覆盖层选用的植物种类包括草、灌木和树。澳大利亚新南威尔士州规范［64］规定应根据以下原则选择植被品种：①植被应包含能够快速、可持续地建立植被群落，抗逆性强（如抗旱），确保四季生长和高覆盖率，维持高蒸散率，能够将根系延伸到覆盖层的所有区域以去除水分，降低地表侵蚀；②应混种不同植物品种，优选本地原生植物品种，以确保达到覆盖层的设计目标。通常需要将不同种类的草、灌木和树木组合在一起，最大限度地降低单一植物品种群落易退化和发生火灾的风险。一般来说，气候越潮湿，蒸腾速率高的植物（如大叶树木）占比就越大。此外，Rock 等［4］还建议混种暖季型和冷季型本地植物品种，保证植物在一年四季都能通过蒸腾作用释放土体水分。

在覆盖层后期维护方面，美国、澳大利亚的规范强制性要求生活垃圾填埋场封场后进行30 a的维护，包括监测覆盖层完整性与服役性能在内的填埋场各工程设施性能（40 CFR 258.61）；同时授权各个州根据填埋场对人类健康与生态环境的实际威胁程度，适当延长或缩短相应的维护时间。不均匀沉降导致的腾发式覆盖层的裂缝可能导致降雨入渗优势流，显著降低覆盖层的防渗性能，需要对其进行维修。相比于传统有膜的阻断型覆盖层，腾发式土质覆盖层的维修更为简单［44］：对于单层腾发式土质覆盖层，可通过向地表凹陷处铺设土体进行修复；对于毛细阻滞覆盖层，应首先开挖细粒土直到粗粒土层，然后用粗粒土填充该层的凹陷，以便使细粒土和粗粒土之间的界面与相邻界面保持一致，最后修复位置的细粒土与周围的细粒土界面应采用阶梯式接触，以减少修复区域与周围细粒土界面的降雨优势流。

3.1.2 甲烷排放及微生物甲烷氧化

随着全球气候变化，填埋场的甲烷排放受到越来越多的关注。欧美研究表明对于老旧填埋场或者有填埋气收集系统的填埋场，甲烷排放量约为85 g/（m2·d）；对于还在接收垃圾的填埋场，甲烷排放量可以高达1 300 g/（m2·d）；封场10～15 a 后的填埋场甲烷通量的范围约为200～300 g/（m2·d）［49］。大量研究表明土体微生物甲烷氧化速率可达到94～525 g/（m2·d），为填埋场甲烷减排提供了经济适用的方法［49］。如表3 所示，多国规范明确了甲烷排放要求。

表3 填埋场甲烷容许浓度与甲烷通量Table 3 Allowable concentration and emission flux of methane in landfills

在有填埋气收集系统的情况下，微生物甲烷氧化有助于进一步降低甲烷排放。对于填埋气中甲烷浓度太低，以至于收集填埋气进行焚烧处理的方法不适用或者无填埋气收集系统的情况下，英国环保部门要求必须通过微生物甲烷氧化减少填埋场甲烷排放［71］，如生物覆盖层（Biocover）与生物过滤器（Biofilter）。生物覆盖层用于无填埋气收集系统的填埋场，填埋气体通过覆盖层被动排放，包括全场生物覆盖层（Full Surface Biocover）、生物窗口（Biowindow）系统和生物活性拦截沟（Bioactive Intercepting Trenches）。如图10 所示，全场生物覆盖层覆盖于整个填埋场表面，由底部的气体导排层与上覆的均质且具有生物活性的甲烷氧化层组成［71］。

图10 全场生物覆盖层Figure 10 Full surface biocover

目前关于生物覆盖层的设计规范较少，澳大利亚新南威尔士州环境和气候变化部［72］与丹麦环境部制定了相关规范［73］。理想的甲烷氧化层材料为持水性好、不易降解、有机质含量高且具有良好的孔隙率和透气性的多孔材料［49,72］。奥地利、丹麦、澳大利亚等常用的甲烷氧化层材料包括市政污泥与木屑制备的堆肥，或由城市固体废物/污水污泥/木屑制备的堆肥［49］。研究表明熟化的堆肥的甲烷氧化能力显著高于天然土体［72］。受益于堆肥多孔透气的特性，堆肥具有良好的保温性能，使得堆肥能够储存甲烷氧化、细菌呼吸作用释放的热量［74］。现场实测数据表明即使冬季大气温度低于0oC，堆肥10～15 cm 深度之下的温度可以高达30～40oC，从而避免低温对甲烷氧化的抑制作用［73］。需要注意堆肥在长期使用下易降解，导致淤堵与透气性降低，堆肥自身降解也有可能产生NH3等刺激性气体，因此在使用堆肥的情况下，需要注意生物覆盖层的长期维护。除了堆肥构建甲烷氧化层之外，当前也有众多学者利用堆肥与土体的混合物构建甲烷氧化层。例如，Berger 等［75］在毛细阻滞覆盖层表面铺设300 mm 厚的砂与堆肥混合物构建的甲烷氧化层，实测数据表明在55 g/（m2·d）的甲烷通量下，甲烷氧化效率（甲烷氧化量与覆盖层底部甲烷通量的比值） 可达80%～95%。笔者团队在西安江村沟开展的现场试验，利用黄土与堆肥的混合物（堆肥掺量3%，混合物压实度76%）作为甲烷氧化层，直接建设于毛细阻滞覆盖层表面，实测最大甲烷氧化能力达到93 g/（m2·d）［13］。当前也有用生物炭为基材建设生物覆盖层［76］，促进甲烷减排。与堆肥相比，生物炭物理化学性质更为稳定，不容易被降解,具有良好的固碳效果。

合理的甲烷氧化层设计需要避免局部区域产生甲烷优势流，即所谓“热点”区域［73］。“热点”的存在缩短了甲烷在土中的滞留时间，降低甲烷氧化效率［47,77］。因此，保障甲烷氧化层底部甲烷通量的均匀分布对于提升甲烷氧化能力至关重要［72-73］，为此澳洲与丹麦规范均建议在甲烷氧化层底部设置气体导排层。气体导排层由高透气性的粗骨料构建，如碎混凝土、卵石等。丹麦规范［73］建议甲烷氧化层的厚度为80～100 cm，气体导排层最小厚度为30 cm，宜为50 cm；建议生物覆盖层的甲烷氧化能力设计值为50 g/（m2·d），在该甲烷氧化能力作用下，丹麦的生物覆盖层现场监测数据表明甲烷氧化效率达到约80%。

3.2 我国规范中土质覆盖层的相关规定

我国住建部颁布的GB 51220—2017 生活垃圾卫生填埋场封场技术规范中规定的封场覆盖层结构如图11 所示，由上至下分别为：绿化土层、排水层、防渗层和排气层。该标准中规定防渗层可选用人工防渗材料或天然黏土，当采用天然黏土作为防渗层时，渗透系数应小于1×10-7cm/s，厚度不宜小于300 mm，顶部压实度不宜小于90%，边坡压实度不宜小于85%；排气层可采用碎石等颗粒材料或导气性较好的土工网状材料，当采用碎石等颗粒材料时，堆体顶部铺设厚度不宜小于300 mm，粒径宜为20～40 mm；排水层应选用导水性能较好的材料，其渗透系数应大于1×10-3cm/s，当采用碎石作为排水层时，厚度不宜小于300 mm，粒径宜为20～40 mm，当采用复合土工排水网作为排水层时，厚度不宜小于5 mm；绿化土层厚度不宜小于500 mm，压实度不宜小于80%。

图11 GB 51220—2017 规定的覆盖层结构Figure 11 Profile texture of final cover prescribed by GB 51220—2017

国家行业标准CJJ 176—2012 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范针对干旱和半干旱地区且封场坡度大于10% 的斜坡区，推荐了毛细阻滞覆盖层，其推荐的结构示意如图12 所示，并满足如下要求：①植被层土质适合植被生长，厚度不应小于15 cm；②细粒土层应采用储水性能良好的粉土、粉质黏土、细砂等，厚度宜为50～150 cm，该层具体设计厚度取决于土料的水力特性及当地气候条件，如表4 显示的我国西北地区黄土储水层的设计厚度；③粗粒土层应采用导气性能良好的粗砂、碎石等，厚度宜为20～30 cm。

图12 CJJ 176—2012 推荐的毛细阻滞覆盖层结构示意Figure 12 Profile schematic of capillary barrier cover prescribed by CJJ 176—2012

表4 我国西北代表城市采用黄土构建毛细阻滞覆盖层的设计厚度Table 4 Designed thicknesses of capillary barrier covers constructed by loess in representative cities in Northwest China

2021 年浙江大学编写的国家标准《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准（报批稿）》也推荐了图12 所示的毛细阻滞覆盖层的使用。除此之外，该标准还推荐在湿润气候区宜采用图13 所示的全天候3 层覆盖层，并做出如下规定：①植被层土质适合植被生长，厚度应不小于15 cm；②储水层采用储水性能良好的粉土、粉质黏土或再生细粒料等，压实度不低于85%，厚度不小于50 cm；③导排层采用导水性能良好的粗砂、碎石或再生粗骨料等，厚度为20～40 cm；④低渗透性层采用渗透性能较低的压实黏土，压实度不低于90%，厚度为40～80 cm；⑤气体扩散层采用导气性能良好的粗砂、碎石等，厚度为20～30 cm。

图13 《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准（报批稿）》新增的覆盖层结构Figure 13 Profile texture of final cover added in Technical Code for Geotechnical Engineering of Municipal Solid Waste Sanitary Landfill

由上可知，GB 51220—2017 推荐的覆盖结构属于传统阻断型覆盖层，其主要利用防渗层自身的低渗透性阻断雨水的下渗和填埋气的排出，从而实现覆盖层的防渗减排目标。CJJ 176—2012 和《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准（报批稿）》推荐的两种生态型土质覆盖结构则是利用毛细阻滞效应提升覆盖层储水量，从而减少雨水的下渗和填埋气的排放。因此，生态型土质覆盖层与传统阻断型覆盖层在防渗减排原理方面存在差异，但是在功能层面不存在矛盾。

4 生态型土质覆盖层在生活垃圾填埋场封场治理工程中的应用

4.1 国外土质覆盖层的应用

20 世纪90 年代末，美国能源部（US DOE）与EPA 先后在北美分别发起了ALCD（Alternative Landfill Cover Demonstration）与ACAP（Alternative Cover Assessment Program）的替代型土质覆盖层现场示范验证项目，旨在推广包括腾发式覆盖层在内的替代型覆盖层。US EPA 建立了相应的线上数据库（http://cluin.org/products/altcovers）。此外，Albright 等［78］、Abdolahzadeh 等［79］、Melchior 等［80］分别在美国、加拿大、德国的不同地区进行了毛细阻滞覆盖层底部渗漏量的长期监测工作，证明了毛细阻滞覆盖层与单层腾发式覆盖层在干旱、半干旱地区的优良防渗性能。焦卫国［81］整理了北美和欧洲在填埋场现场开展的大尺度土质覆盖层试验（表5）。这些现场大尺寸覆盖层试验注重利用实测水量数据，从水量分配的角度整体宏观上评估其防渗效果。通过这些现场测试获得了土质覆盖层的水文模型并以此来指导和完善土质覆盖层的设计方法和参数。

表5 土质覆盖层现场大尺度试验总结Table 5 Summary of field-scale tests of soil covers

在对土质覆盖层进行的现场试验研究中，最具代表性的项目当属US EPA 资助的ACAP 项目［82-83］。该项目旨在评价替代型土质覆盖层的现场防渗性能，并为替代型土质覆盖层的设计、施工及后期维护提供必要的指导。ACAP 项目于1998 年启动，先后在美国干旱、半干旱、半湿润及湿润地区的11 个不同填埋场（图14）建设了10 个传统阻断型覆盖层试验基地和14 个替代型土质覆盖层现场试验基地（包括8 个单层腾发式覆盖层和6 个毛细阻滞覆盖层）。通过对试验基地的气象条件、覆盖层的径流、侧向导排、土层存储以及渗漏等指标进行长达1～3 a 的监测，获得了各试验基地的水量平衡数据，对比评估了替代型土质覆盖层的适用性。结果显示，传统阻断型覆盖层在土工膜、黏土等防渗层无破洞与开裂的情况下，具有良好的防渗性能，在干旱、半干旱和半湿润地区的年渗漏量低于1.5 mm/a（年降雨量的0.4%），在湿润地区的年均渗漏量低于12 mm/a（年降雨量的1.4%）。但是对于防渗层发生破坏或失效的传统阻断型覆盖层，其防渗表现显著下降，在半干旱地区的年渗漏量可高达291.9 mm/a（年降雨量的32.1%）。在干旱、半干旱和半湿润地区，单层腾发式覆盖层和毛细阻滞覆盖层的防渗表现与传统阻断型覆盖层相当，年均渗漏量低于1.5 mm/a（年降雨量的0.4%），且不会出现结构层开裂而引发大量渗漏的问题。但是，这两种覆盖结构在湿润气候区均不能起到良好的防渗作用，单层腾发式覆盖层年平均渗漏量为123～160 mm/a（年降雨量的10.0%～18.0%），毛细阻滞覆盖层年平均渗漏量为33～57 mm/a （年降雨量的6.0%～10.0%）。综上所述，ACAP 项目的结果表明：在北美的干旱、半干旱和半湿润地区，单层腾发式覆盖层与毛细阻滞覆盖层的防渗效果与传统阻断型覆盖层相当，而且二者能够避免土体开裂引发的大规模渗漏行为。由此得出，生态型土质覆盖层的防渗性能优于传统阻断型覆盖层。

图14 ACAP 项目构建的土质覆盖层现场试验基地的分布情况［24］Figure 14 Locations of ACAP field-scale test sites of soil covers［24］

为了评价不同结构型式覆盖层的长期服役性能，Melchior 等［80］对德国Hamburg-Georgswerder填埋场的8 个覆盖层试验基地进行了长达18 a 的连续监测，覆盖层结构型式见图15，包括2 个含有低渗透性土层的压实黏土覆盖层（S1、F1）、3个含有低渗透性土层和土工膜的复合型覆盖层（S2、F2、F3）、1 个毛细阻滞覆盖层（S3）和2 个含有GCL 的复合型覆盖层（B1、B2）。监测结果表明：含有低渗透性土层和GCL 的传统覆盖层防渗效果不佳，监测期间年均渗漏量达到90～220 mm/a，约为雨水入渗率的50.0%。这主要是由于阻隔层在干燥、根系生长和离子交换等作用下发生开裂且无法自愈，导致裂隙优势流。毛细阻滞覆盖层没有发生由于土体开裂而引发的大规模渗漏事件，取得了良好的防渗效果，年均渗漏量为22 mm/a。现场水量平衡分析结果表明，在德国汉堡地区（年均降雨量约768 mm），植被蒸腾和土体侧向导排可以有效释放覆盖层储存的水分，分别为年均降雨量的64.0%和35.0%。

图15 德国Hamburg-Georgswerder 填埋场8 个试验基地的覆盖层结构剖面［80］Figure 15 Profile textures of eight soil covers on the landfill Hamburg-Georgswerder in Germany［80］

4.2 我国土质覆盖层的应用

4.2.1 毛细阻滞覆盖层现场示范

浙江大学岩土工程研究所在西安江村沟填埋场建设了黄土/碎石毛细阻滞覆盖层现场尺度试验基地（图16），该项目为我国首个土质覆盖层现场试验项目。

图16 黄土/碎石毛细阻滞覆盖层现场尺度试验基地Figure16 Field-scale test lysimeter for loess-gravel capillary barrier cover

西安位于我国半湿润区，江村沟填埋场是我国最大的沟壑式填埋场，采用阶梯状堆填方式，每级台阶的边坡坡度为3H∶1V。试验区位于第8级边坡的封场覆盖区域，尺寸为20 m × 30 m，核心测试区尺寸为10 m × 24 m。利用HDPE 膜隔断了核心测试区与周围土体和填埋垃圾的水气联系，使之形成一个独立的水气传导测试单元（图17）。

图17 覆盖层仪器布置示意Figure 17 Schematic of instrument layout of landfill cover

HDPE 膜以内核心测试区域的剖面结构从上至下分别是植被层、黄土层和碎石层。在覆盖层坡不同深度成排布置了TDR 含水量探头、张力计、温度传感器、气压测试以及气体取样装置，并在试验区布置气象站进行气象监测。

1）毛细阻滞覆盖层防渗性能。

根据西安黄土/碎石毛细阻滞覆盖层约2 a 的监测结果（图18），覆盖层在20 个月内的累积渗漏量为16.16 mm，年平均渗漏量满足30 mm 的防渗标准（表1，西安地区的P/PET 分布在0.5～1.0）。覆盖层在多雨的夏季无渗漏发生，但在相对少雨的秋季（9—11 月）却发生了连续的渗漏。这是由于进入覆盖层的雨水在放晴后的高温天气下迅速蒸发；秋季的降雨强度小但持续时间长，加之蒸发量有限，储存在覆盖层中的水分不易被消耗，覆盖层底部的压实黄土长时间维持在接近饱和的状态，使得储水能力降低，导致渗漏发生。为研究黄土/碎石毛细阻滞覆盖层的储水能力，焦卫国［81］对裸露条件下的黄土/碎石毛细阻滞覆盖层进行了人工极端降雨试验，控制雨强为3 mm/h，降雨时间从2014 年6 月24 日至29 日，累积降雨量为214.8 mm，约占西安年均降雨量（550 mm）的39.0%。图19 展示了实测的降雨量、径流量、渗漏量和土层存储量［81］。由图19 可见，在6 月27 日累积降雨量达121 mm 时，覆盖层开始出现渗漏，此时覆盖层底部黄土的孔隙水压力为3 kPa；在极端降雨试验期间，土层存储是降雨的主要消耗途径，约占总降雨量的92.9%。渗漏停止时覆盖层底部的孔隙水压力降低至约-10 kPa，表明毛细阻滞效应恢复，此时覆盖层的有效储水能力为262.0 mm，相比于单一黄土覆盖层的有效储水能力提高了40%。

图18 累积渗漏量的长期监测结果［84］Figure 18 Long-term monitoring results of cumulative percolation［84］

图19 极端降雨试验期间的水量分配随时间的变化Figure 19 Variation of water balance with time during extreme rainfall test

2）毛细阻滞覆盖层闭气性能。

Zhan 等［40］开展了现场通气试验，测试了压实黄土层（ρd=1.45 g/cm3）的导气性能，发现黄土/碎石界面处的毛细阻滞作用可以有效降低该区域黄土的气体渗透系数，增强覆盖层的闭气性能。现场通气试验在覆盖层植草前后依次进行，测得的现场压实黄土的气体渗透系数与室内单元体试验的测试结果如图20 所示。由于现场土体含有大颗粒结团，使得裸露条件下测得的气体渗透系数显著高于室内试验结果；植草后测得的覆盖层气体渗透系数低于裸露条件下约1 个数量级，这是由于根系占据了土体的大孔隙，减少了裂隙优势流通道。当压实黄土的饱和度低于0.85 时，黄土层的气体渗透系数随含水量的增加而缓慢降低；当饱和度高于0.85 时，气体渗透系数随含水量的微量增加而显著减小。现场长期监测试验表明黄土层和碎石层之间的毛细阻滞作用可长时间维持黄土层底部饱和度高于0.85，显著降低其气体渗透系数，促进填埋气减排。

图20 不同尺度压实黄土层的气体渗透系数随饱和度的变化Figure 20 Variation of gas permeability coefficient with saturation of compacted loess layers with different scales

图21 对比了不同填埋气压条件下，单层黄土腾发式覆盖层和黄土/碎石毛细阻滞覆盖层填埋气溢出量的水气耦合数值模拟结果［85］。数值模拟考虑了西安历史记录的极端气象条件：最湿润年（1983 年）和最干旱年（1995 年）；考虑的气压范围为0～0.8 kPa，其中现场实测的气压变化范围为0.06～0.24 kPa（平均值为0.11 kPa）；考虑的填埋气中甲烷与二氧化碳的浓度均为50%。由图21 可知，两种覆盖层的年填埋气溢出量均随底部气压的增加而提高，但黄土/碎石毛细阻滞覆盖层的填埋气减排性能优于单层黄土腾发式覆盖层。在最湿润年，当底部气压为实测平均值0.11 kPa 时，黄土/碎石毛细阻滞覆盖层和单层黄土腾发式覆盖层的年填埋气溢出量分别为33.8、71.3 kg/m2，均低于澳大利亚年填埋气排放标准82 kg/m2。在最干旱年，黄土/碎石毛细阻滞覆盖层的填埋气溢出量为221.3 kg/m2，但是当黄土层的初始体积含水量从30%提高至41%，填埋气溢出量可减低至79 kg/m2。因此，针对干旱季节，可通过灌溉增加覆盖层体积含水量、降低其气体渗透系数来减少填埋气的溢出量，使其满足填埋气排放标准。

图21 不同类型覆盖层在不同条件下的甲烷年排放量随覆盖层底部气压的变化Figure 21 Variation of annual methane emission from different types of landfill cover with the pressure at the bottom of landfill cover under different conditions

3）毛细阻滞覆盖层碳减排。

吴涛［86］在该试验基地开展了覆盖层甲烷氧化能力的现场试验研究，监测数据表明试验期间覆盖层底部的甲烷通量平均值低于2.5 g/（m2·h），满足澳大利亚多数州的甲烷排放标准（表3）。图22展示了试验区覆盖层的实测甲烷氧化速率均值和地表甲烷溢出量均值变化情况，其均呈现出明显的振荡特性，这主要是由于覆盖层的甲烷氧化能力受大气温度和土体含水量的影响：在2015 年12月至2016 年1 月测试期间，由于冬季降温，降低了覆盖层中的甲烷氧化菌活性，使得覆盖层的甲烷氧化能力随之下降；在2016 年7 月上旬，由于夏季高温，使得部分测量时间内覆盖层表层体积含水量低于17%，限制了甲烷氧化菌活性，导致覆盖层几乎没有甲烷氧化能力。整个试验期间，测得的覆盖层甲烷氧化速率和溢出量的平均值分别为1.2 g/（m2·h）和0.9 g/（m2·h），覆盖层对甲烷的减排率均值为57.1%，甲烷氧化速率均值的最大值可达2.93 g/（m2·h）。由于覆盖层通过甲烷氧化作用消耗了填埋气中的部分甲烷，使得现场试验期间测得的覆盖层地表甲烷溢出量基本维持在澳大利亚甲烷排放标准之下，这表明覆盖层中的微生物甲烷氧化作用有效降低了填埋场甲烷排放量。

图22 现场测量的覆盖层甲烷氧化速率均值和地表甲烷溢出量均值［86］Figure 22 Mean methane oxidation rate and mean methane emission at surface of landfill cover by field measuring results［86］

需要指出，我国高厨余含量垃圾呈现快速降解产气的规律，约60% 的甲烷主要在填埋2 a 内产生，填埋2～15 a 内产生约20%的填埋气［87］，此后甲烷产气速率大幅衰减。从填埋到封场一般需要至少2 a 时间，因此封场时填埋气产气量较低。例如，在西安江村沟填埋场开始进行封场工程时，填埋垃圾的龄期基本在2 a 以上，此时实测甲烷产气量约为1.39～2.32 g/（m2·h），低于测得的生态型土质覆盖层最大甲烷氧化速率。根据试验测得的覆盖层甲烷氧化速率均值和最大值，封场后覆盖层的甲烷减排率能达到51.7%～100.0%。

4.2.2 全天候3 层覆盖层现场示范

深圳下坪生活垃圾填埋场是我国南方最大的垃圾填埋场之一。该填埋场位于湿润区，年均降雨量约1 900 mm，年降雨量与潜在蒸散比值大于0.75，且大部分降雨集中在每年4 月至10 月。香港科技大学吴宏伟教授团队于2016 年在该填埋场二期西段建设了全天候3 层覆盖层试验区，如图23（a）所示［88］，核心试验区尺寸为20 m×12 m，其中一半覆盖层试验区种植百慕大草（也叫狗牙根），另一半作为参照组，坡面不种植任何植物，并由无纺土工布覆盖，以防止降雨期间地表侵蚀。该覆盖层坡度为30°，远高于GB 51220—2017 规定的垃圾堆体最大边坡坡度不宜大于18.4o（坡比1V:3H）， 经受深圳数次强台风暴雨依然稳定，能够有效提升填埋场库容。覆盖层由当地全风化花岗岩土（Completely Decomposed Granite，CDG、粉砂）、 粒径为1～11 mm 的压碎的废混凝土（Crushed Recycled Concrete，CRC）等构建。如图23（b）所示，该覆盖层从下至上分别是0.8 m 厚过筛的CDG（防渗层）、0.4 m 厚CRC（排水层）和0.6 m 厚不过筛的CDG（储水层）。过筛后CDG防渗层的饱和渗透系数ks为8.1×10-8m/s，远大于我国规范要求的黏土防渗层的ks≤10-9m/s。

图23 深圳下坪垃圾填埋场现场试验场俯视图及现场试验场地仪器布置剖面示意Figure 23 The top view and instrument layout cross sectional schematic in field test site of Xiaping landfill in Shenzhen

为验证3 层土质覆盖层的防渗性能，Ng等［89-90］对覆盖层试验场进行了长达54 个月（2016年6 月至2021 年1 月）的监测，包括降雨量、覆盖层渗漏量、孔隙水压力及含水量变化等。现场监测数据表明，无膜的全天候3 层覆盖层在湿润区年均渗漏量低于北美湿润区覆盖层设计标准（30 mm/a，表1）。如图24 所示，监测期间，累积降雨量约为8 800 mm，植草和裸露3 层土质覆盖层的年平均渗漏量分别为21 mm 和23 mm，防渗性能良好。实测的土质覆盖系统中间CRC 层排水量高达降雨总量的51%，表明CRC 层的水力特性和厚度可有效促进侧向排水，且覆盖层底部过筛的CDG 层的低渗透性也有利于降低覆盖层渗漏量。

图24 植草和裸露3 层填埋场覆盖系统累积渗漏量和日降雨量Figure 24 Cumulative rainfall percolation and daily rainfall of grass planting and bare three-layer landfill cover system

5 生态型土质覆盖层优势分析

5.1 防渗减碳性能

研究结果证明生态型土质覆盖层在防渗方面可与传统阻断型覆盖层相媲美。此外，当土中黏粒等细粒含量高时，土体在干燥作用下产生的体变更大，导致更高的开裂风险［91-92］。 Tay 等［91］发现膨润土-砂混合物中膨润土含量越低，干燥引起的体积收缩越小，从而开裂风险越低。通过优选黏性低的粉土、粉砂等材料，生态型土质覆盖层不易发生干湿循环导致的裂缝，而传统阻断型覆盖层的压实黏土防渗层在干湿循环作用下易开裂，显著降低覆盖层的防渗闭气性能。在碳减排方面，浙江大学在西安开展的毛细阻滞覆盖层现场示范表明［13,86］，生态型土质覆盖层可以满足甲烷减排目标。由于生态型土质覆盖层连通地气，自我调节覆盖层水气热，比传统阻断型覆盖层更有利于通过微生物甲烷氧化实现碳减排，也更有利于植被生长。植物通过光合作用不仅能促进固碳，根系分泌的有机物还能促进微生物甲烷氧化作用，提升土体的“碳汇”功能［77］。此外，生态型土质覆盖层使用天然土体，减少了土工膜等土工合成材料生产造成的碳排放。目前已有学者采用建筑垃圾、疏浚淤泥等固体废物建设覆盖层，进一步提升减碳作用。例如，薛强教授团队采用改性污泥、炭化污泥等固体废物建设土质覆盖层，提出了填埋场生态污泥腾发覆盖层防渗技术［93］；Chetri等［76］利用钢渣吸收填埋气中的二氧化碳、典型臭气硫化氢气体等，利用生物炭提升土体微生物甲烷氧化作用。因此相比于传统阻断型覆盖层，生态型土质覆盖层更能促进碳减排。

5.2 生态协调能力

生态型土质覆盖层基于水分储存-释放原理进行防渗，利用“天然工程师”植物与微生物分别促进防渗与减碳。水分储存-释放还发生于覆盖层与垃圾堆体之间：由于填埋的垃圾具有一定的持水能力［94］，垃圾堆体犹如一块巨大的“海绵”，在降雨时储水，在干燥时通过覆盖层-垃圾堆体水分交换释放到大气中，进一步减少进入垃圾堆体的净渗漏量。相比之下，有膜的阻断型覆盖层隔绝地气，通过渗漏进入垃圾堆体的水分难以在干燥时期释放到大气中。此外，当前我国标准中有膜封场覆盖层设计是参照欧洲的规范，欧洲由于长时间处于湿冷气候，多采用由土工膜和压实黏土或GCL 组成复合阻断型覆盖层。由于我国地域辽阔，生搬硬套欧洲规范容易造成“水土不服”，如在我国南方湿润地区填埋场覆盖层易发生沿土工膜界面滑移失稳，而在较为干旱的华北与西北地区填埋场，由于土工膜隔绝地气，不利于覆盖层上植被生长，生态性较差。

5.3 安全性及经济性

在安全性方面，由于土体界面的抗剪强度高于土-土工膜/GCL 界面，因此生态型土质覆盖层比传统含土工膜/GCL 的阻断型覆盖层更加稳定，有助于提升填埋场库容，如香港科技大学建设的全天候3 层覆盖层的坡度达到30o，远高于我国GB 51220—2017 规定的垃圾堆体最大边坡坡度18.4o（坡比1V∶3H）。此外，土体属于多孔材料，具有一定的透气性，可以有效避免覆盖层底部填埋气气压的积聚所导致的土工膜鼓包。在经济性方面，由于生态型土质覆盖层就地取土构建，无须外购土工膜或黏土，能够显著降低成本；对于缺乏黏土的地区，可以采用砂或钢渣等工业固体废物掺入少量膨润土（5%～10%）获得低成本的防渗材料［95-96］，黏土并非生态型土质覆盖层所必需的材料。CJJ 176—2012 中指出，对于单层腾发式覆盖层与毛细阻滞型覆盖层（图2），细粒土层应采用储水性能良好的粉土、细砂或粉质黏土等。对于全天候3 层覆盖层，其底部低渗透性细粒土层仅要求其饱和渗透系数在10-8m/s 的量级，比黏土的饱和渗透系数大了约1 个数量级。表6 给出了我国西安某填埋场采用传统覆盖层和毛细阻滞覆盖层的经济适用性对比，可以看出，采用毛细阻滞覆盖层的造价与传统覆盖层相比可降低约50%。

表6 西安地区毛细阻滞覆盖层与传统有膜复合型覆盖层的经济适用性对比Table 6 Comparison of economic applicability between the capillary barrier cover and conventional cover with geomembrane in Xi’an area

表7 展示了北美地区生态型土质覆盖层与传统有膜复合型覆盖层的造价对比［97］，生态型土质覆盖层能够显著降低覆盖层建设成本，其成本仅为传统有膜复合型覆盖层的46%～61%。

表7 北美生态型土质覆盖层与传统有膜复合型覆盖层的造价对比Table 7 Comparison of construction cost between the ecological soil covers and conventional cover with geomembrane in North America

在施工方面，生态型土质覆盖层主要依赖土体储水能力防渗，无须满足规范对传统阻断型覆盖层防渗层渗透系数的严苛要求，施工简单。例如，对于全天候3 层覆盖层底部的细粒土层的渗透系数在10-8m/s 的量级即可满足湿润区防渗要求，无须满足规范限定的传统压实黏土层饱和渗透系数ks不超过10-9m/s 的苛刻要求，也避免了对GCL、土工膜幅间接缝以及土工膜与压实黏土界面褶皱的处理，显著降低建设成本。在后期运行维护方面，土体是自然界中耐久性最好的材料，不会发生土工膜的刺穿、撕裂与褶皱等影响覆盖层的长期服役性能的现象。对于含水量低的填埋场，如欧美“干冢”式填埋场、我国工业固体废物与生活垃圾混填场地，生态型土质覆盖层可以提供适量的渗漏量，促进固体废物降解，缩短后期维护周期。因此生态型土质覆盖层的后期维护成本低。

6 展望

生态型土质覆盖层采用天然土体、无土工膜，基于水分储存-释放原理防渗，利用植物与微生物促进长效防渗与减碳，实现防渗、闭气、植生、保土和减碳的功能，具有阻而不断、隔而不绝、绿色减碳、自然和谐、“会呼吸”的特征。从20世纪90 年代末的单层腾发式土质覆盖层至今，生态型土质覆盖层的发展已有20 余年，其中腾发式土质覆盖层已经广泛应用于美国、加拿大等国家的非湿润区城市生活垃圾填埋场封场治理，防渗效果能够媲美甚至优于传统有土工膜的阻断型覆盖层，且建设成本仅为传统阻断型覆盖层的46%～61%。不同于北美以湿冷气候为主，我国气候雨热同期，更有利于生态型土质覆盖层的应用。浙江大学与香港科技大学分别在西安与深圳开展的现场示范验证均表明生态型土质覆盖层具有优良的服役性能，因此，我国《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准（报批稿）》已经纳入毛细阻滞覆盖层和全天候3 层覆盖层。相比于传统有土工膜的阻断型覆盖层，生态型土质覆盖层在安全性、经济性、耐久性、碳减排和生态性方面均有优势，在我国生活垃圾填埋场封场覆盖治理领域大有可为，对盐碱地复垦、海绵城市建设、工业固体废物填埋场治理、矿山复绿等方面也有工程应用价值，同时助力我国“双碳”目标与生态文明建设。