卫生填埋场防渗衬垫系统优化设计.pdf

固 废 处 理 卫生填埋场防渗衬垫系统优化设计 丰土根 1,2 张乾飞 3 1. 河海大学岩土力学与堤防工程教育部重点实验室, 南京 210098; 2. 河海大学岩土工程科学研究所, 南京 210098; 3. 上海市政工程设计研究总院, 上海 200092 摘要 根据已建卫生填埋场防渗衬垫设计的实践经验总结 , 指出垃圾卫生填埋场防渗衬垫设计应从结构稳定、污染防 治、减压导排等几方面进行综合考虑。 采用现代环境卫生技术和环境土工技术, 对防渗衬垫系统进行优化设计, 并将 其应用至现代卫生填埋场防渗衬垫设计中。 关键词 垃圾卫生填埋场; 防渗结构; 优化设计 CONSIDERATION ON THE OPTIMIZATION OF LINER SYSTEM OF MUNICIPAL SOLID WASTE SANITARY LANDFILLS Feng Tugen1 ,2 Zhang Qianfei3 1. Key Laboratory of Minstry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai University , Nanjing 210098, China; 3. Shanghai Municipal Engineering Design Institute, Shanghai 200092, China Abstract The structure stability , pollution prevention, and leachate drainage shall be taken into account to design the liner systems for sanitary landfillsaccording to the practical experiences from the existing landfills. The problems above mentioned are consideredby means of environmental sanitation techniques and geoenvironmental techniques, and the optimization of liner systems for modern sanitary landfills are presented for engineering applications. Keywordssanitary landfills; liner systems; optimization design 0 引言 卫生填埋场与一般填埋场的重要区别之一就是 有否采取防渗措施, 现行的 CJJ17 - 2004生活垃圾卫 生填埋技术规范 、CJJ113 - 2007生活垃圾卫生填埋 场防渗系统工程技术规范 、 GB16889-2008生活垃 圾填埋场污染控制标准均有明确规定 , 对没有天然 防渗地质条件的选址 ,必须采取有效的防渗措施。 采取防渗措施的目的旨在对填埋场实现可靠的 污染控制, 具体体现在以下几方面 1 减少填埋场渗 沥液进入周围土壤或地下水污染环境; 2 避免或减少 周围地下水进入填埋场导致渗沥液产量增加; 3 避免 地下水渗入后导致填埋场底部渗透压力过大而对防渗 衬垫系统不利。针对以上几方面环境控制要求, 综合 填埋场类型 、 场地水文地质条件、 当地经济发展水平等 因素,填埋场水平防渗衬垫设计有若干组合型式。 具体采用哪一种防渗衬垫系统 ,应从环境土工条 件和污染控制条件综合考虑。首先 ,所选用的防渗衬 垫应能满足场地水文地质条件 、库区构建要求, 即满 足填埋场设计、施工及运营过程中各种工况组合条件 下的稳定和变形要求; 其次 ,所选用的防渗衬垫应能 满足当地环境保护和污染控制的要求,即在填埋场生 命期, 其渗沥液渗漏总量 、 衬垫底部土壤及地下水的 污染浓度均应控制在环境保护范围内 ; 第三 ,所选用 的防渗衬垫还应能在填埋场生命期内,有效导排渗沥 液和地下水 ,确保防渗结构的使用安全。 1 防渗衬垫系统类型 根据现行国家及行业标准规范 ,所推荐的防渗衬 垫系统包括天然黏土、单层人工合成材料 、 单层复合 人工合成材料、双层人工合成材料、双层复合人工合 成材料等几大类防渗衬垫系统。其中双层人工合成 材料 、 双层复合人工合成材料防渗衬垫系统主要用于 危险废物安全卫生填埋场或者环境敏感地区的垃圾 85 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 卫生填埋场,在一般垃圾卫生填埋场工程的实际应用 尚不多见 。结合目前国内外填埋场工程的实施经验, 常用的填埋场防渗衬垫系统种类有以下几种 1 天然黏土防渗衬垫系统 要求天然压实黏土厚 度不小于2 m ,渗透系数不得大于 1 10 - 7 cm s。 2 单层人工防渗衬垫系统 采用 HDPE 膜作为主 防渗层 ,厚度必须不小于1. 5 mm; 膜下采用天然基土 作为保护层 一般要求厚度不小于0. 75 m, 渗透系数 不得大于 1 10 -5 cm s , 膜上采用无纺土工布作为 保护层,规格不得小于600 g m 2 。 3 单层复合防渗衬垫系统 膜CCL 采用 HDPE 膜作为主防渗层,厚度必须不小于1. 5 mm ; 膜下次防渗 层采用压实黏土 简称 CLL ,兼作保护层 ,渗透系数不 得大于 110 - 7 cm s,厚度不得小于0. 75 m; 膜上采用 无纺土工布作为保护层,规格不得小于600 g m 2 。 4 单层复合防渗衬垫系统 膜 GCL CCL 采 用HDPE 膜作为主防渗层, 厚度必须不小于1. 5 mm; 膜下次防渗层采用土工聚合衬垫GCL ,渗透系数不得 大于 5 10 -9 cm s, 规格不得低于4 800 g m 2 相当于 厚度不小于6. 0 mm ; GCL 下部采用压实黏土 CCL 作为保护层 ,渗透系数不得大于1 10 -7 cm s, 厚度不 得小于0. 3 m; 膜上采用无纺土工布作为保护层 ,规格 不得小于600 g m 2 。 以上几种防渗衬垫系统的防渗性能参数见表 1。 表 1 典型防渗衬垫系统防渗性能参数 衬垫类型天然黏土衬垫单层人工防渗单层复合防渗单层复合防渗 结构形式天然黏土单层HDPE膜HDPE膜CCLHDPE 膜 GCLCCL 主防渗层材料压实黏土HDPE膜HDPE 膜HDPE膜 厚度 mm≥2 000≥1 . 5≥1. 5≥ 1. 5 k/ cms- 1≤1 10- 7≤110- 13≤1 10- 13≤110- 13 次防渗层材料CCLGCL 厚度 mm≥750≥ 6. 0 k cms- 1≤1 10- 7≤510- 9 膜下保护层材料天然基土CCL 厚度 mm≥750≥ 300 k/ cms- 1≤ 110- 5≤110- 7 膜上保护层材料无纺土工布无纺土工布无纺土工布 规格 gm- 2≥600≥600≥ 600 2 防渗衬垫结构稳定及变形控制 现代卫生填埋场防渗衬垫系统 ,除了防渗结构层 外,通常还有排水层、保护层、导流层等 , 由此形成一 个复杂的多层土工合成材料接触系统 。多层衬垫接 触结构在上覆填埋荷载和下覆地基土的共同影响下, 其受力条件较为复杂 。一方面 ,整个衬垫系统由多层 土工合成材料组成, 各材料层之间的接触面界面强度 通常较低 ,容易产生沿着薄弱面的滑动 ; 另一方面 ,作 为主防渗层的防渗膜, 不允许产生过大变形或者拉 伸,当其应力超过其受拉强度后, 防渗膜有可能被拉 裂,从而失去其防渗作用 。前者可视为防渗衬垫系统 的界面滑动 ,后者可视为防渗膜的局部破坏 ,这两种 情况在填埋场设计中都是不允许发生的 ,防渗衬垫结 构设计时必须从接触界面结构稳定 、 主防渗膜拉伸变 形控制等两方面进行考虑 。 2. 1 接触界面结构稳定 在多层衬垫结构接触面中 ,由于防渗膜相对其他 材料层而言摩擦性低 ,其他材料与其接触的界面之间 往往形成薄弱的接触面, 主要包括 防渗膜 ～ 黏土界 面、 防渗膜 ～ 无纺布界面 、防渗膜 ～ 土工聚合衬垫 GCL 界面。所有这些界面的剪切特性都表现出软 化特征 ,即在很小的剪切位移时, 峰值强度被逐渐发 挥,随着进一步的剪切变形 ,界面的抗剪能力逐渐下 降,最终趋于较低的残余强度值。 现代卫生填埋场设计中 , 为节省库容和方便施 工,防渗膜的下覆保护层通常部分采用土工聚合衬垫 GCL ,而较少采用压实黏土 。而防渗膜与 GCL 衬垫 之间的界面强度参数, 相对防渗膜与压实黏土、防渗 膜与无纺土工布、 GCL 与压实黏土、 GCL 与土工布之 间的界面强度参数都要低 , 因此防渗膜与 GCL 衬垫 接触面将成为制约整体滑动的关键控制界面 。 GCL Geosynthetic Clay Liner 又称人工合成膨润 土毯 ,是由上下两层不同的土工布 有纺布与无纺布 中间加上天然钠基膨润土, 经过针织加固而成的, 如 86 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 图1 所示。有关研究试验结果表面,GCL 与光面防渗 膜界面之间的摩擦角最低 , 若将 GCL 与光面防渗膜 铺设于边坡上时, 其稳定性无法保障 。工程实际中, 应用较多的是毛面防渗膜与 GCL 在边坡上组成复合 防渗层 ,其中 , 毛面 HDPE 高密度聚乙烯 膜与 GCL 有纺面之间的摩擦角要比无纺面之间的摩擦角低。 因此, 通常将GCL 无纺面朝上置放 ,以便与上部防渗 膜形成摩擦性较好的接触面。 图 1 GCL 构造示意 采用双楔体极限平衡分析法, 对多层衬垫结构接 触面的稳定性情况进行分析, 不同填埋场的分析计算 结果如表 2 所示。结果表明, 若采用光面防渗膜, 其 界面抗滑稳定安全系数均小于 1, 将产生沿着接触面 的滑动破坏 ; 若采用毛面防渗膜, 其界面抗滑稳定安 全系数满足抗滑稳定要求 。 表 2 防渗衬垫接触面抗滑稳定分析结果 填埋场 名称 衬垫类型 边坡 坡度 光面 HDPE 膜 GCL 接触面 毛面HDPE膜 GCL 接触面 填埋场 A 双层复合衬垫结构1∶ 50. 901 . 37 填埋场 B 单层复合衬垫结构1∶ 20. 851 . 07 2. 2 防渗衬垫变形控制 目前 ,填埋场防渗设计中使用较多的主防渗膜为 HDPE膜或 LLDPE 膜 封场使用 , 不同防渗膜的应力 应变关系曲线如图 2所示,主要力学性能指标见表 3。 图 2 常用防渗模应力应变曲线 由此可见, 由于 LLDPE 膜在剪切过程中没有表 现出屈服特性 , 因此其屈服伸长率实际上为 LLDPE 膜的多轴拉伸断裂应变。从分子结构分析, LLDPE 具 有“剪切时刚性”和“延伸时柔软”的特性 ,相对 HDPE 膜具有更好的延伸性和柔软性 ,可抵抗下覆土层较大 的不均匀沉降变形, 因此在封场工程中应用较为普 遍。对部分填埋场竖向扩建而言,由于老场垃圾土的 沉降较大, 在老场顶部进行竖向扩建时通常也采用 LLDPE 膜作为主防渗结构 ,目前这一理念已在苏州市 七子山垃圾填埋场成功应用。 关于防渗膜的变形指标, 目前在工程界往往存在 某种误区, 认为伸长率越长越好, 不利于防渗工程的 经济成本控制。实际上, 通过部分填埋场底部变形计 算结果表明 ,大部分填埋场底部变形在 2～ 3之 间,当防渗膜达到其屈服伸长率 12时, 已经是一个 十分巨大的变形 。对一般填埋场而言,防渗膜的屈服 伸长率均已满足变形控制要求 , 此时对断裂伸长率 ≥ 100 的控制已经没有意义 。如果填埋场防渗设 计时需要按照断裂伸长率进行控制, 则为一种不经 济、 也不合理的设计。因此 ,从填埋场结构稳定和防 渗功能角度考虑, 一般应将填埋场底部变形控制在 5以内 ,否则应采取其他加固措施或工艺改进措施 。 3 防渗衬垫污染防治性能 对防渗衬垫系统污染防治性能的评价,主要从两 方面考虑 一是对渗沥液渗漏率的评价 , 即其总量应 控制在环境保护要求范围内; 二是对污染物浓度的评 价,即要求经过衬垫系统后测得的污染物浓度在环境 保护控制范围内。应在满足以上两方面环境保护要 求的前提下 ,对防渗衬垫系统的污染防治效果进行综 合评价, 择优选择技术可靠、经济合理的防渗衬垫 系统 。 3. 1 渗漏率分析 针对不同防渗衬垫结构的组合情况 ,分别采用不 同的水力学计算方法, 对标准控制条件下 0. 3 m水 头 的渗漏率进行了比较分析 ,如表 4 所示 。 在标准设计条件和施工质量控制前提下 ,防渗衬 垫系统抗渗漏性按优越性依次为 单层复合防渗衬垫 系统、 2 m厚压实黏土衬垫系统 、 1. 5 mm厚 HDPE 膜单 层防渗衬垫系统 , 单层复合衬垫系统中 HDPE 膜 GCLCCL 又要优于 HDPE 膜 CCL 防渗衬垫系统。 对压实黏土而言 ,当其渗透系数等于 3. 13 10 -6 cm s 时,其渗漏率相当于 1. 5 mm 防渗膜在标准施工质量 控制条件下 约每4 047 m 2上有一个面积为1 cm2的孔 洞 的渗漏率,当其渗透性大于 3. 13 10 -6 cm s时 ,其 防渗效果就开始低于人工防渗膜的防渗效果 。 87 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 表 3 HDPE 膜与 LLDPE 膜力学性能指标 序号指标 HDPE 膜LLDPE 膜 光面毛面光面毛面 a厚度 mm1. 52 . 01. 52. 01. 52 . 01 . 52. 0 b屈服强度 Nmm- 122291621 c断裂强度 Nmm- 14053222940531621 d屈服伸长率 1212121230303030 e断裂伸长率 700700100100800800250250 f直角撕裂强度 N187249187249150200150200 g平均穿刺强度 N480640400534370500300400 h最大 2模量 Nmm-1630840630840 注 有关参数引用 Geosynthetic Research Institute GRI 制定的GRI- GM13 HDPE膜 、GRI -GM17 LLDPE膜 规范。 表 4 典型防渗衬垫系统标准渗漏率 衬垫类型天然黏土衬垫单层人工防渗单层复合防渗单层复合防渗 结构型式天然黏土单层HDPE 膜HDPE 膜 CCLHDPE 膜 GCLCCL 渗沥液水头 mm300300300300 主防渗层厚度 mm2 0001 . 51. 51. 5 渗透系数 主防渗 cms- 1 次防渗 cms- 1 1 10- 7 110- 13 1 10- 13 110- 7 110- 13 510- 9 圆孔面积 cm2111 每4 047 m2圆孔个数 个111 界面接触条件较好较差较好较差 渗漏率 m3m- 2d- 19. 9410- 53. 11 10- 31 . 3210- 77. 2410- 71. 44 10- 87 . 8810- 8 在同样的防渗施工质量控制下 , 采用“HDPE 膜 GCL CCL”的复合防渗衬垫系统渗漏率要比单 层HDPE 膜防渗渗漏率将近低 4 个数量级 ,比“HDPE 膜 CCL”复合防渗衬垫系统大约低 1 个数量级。因 此,从渗漏率角度分析,采用“膜 GCL CCL”比其他 单层 HDPE 膜防渗衬垫、 “膜 CCL”复合衬垫、 天然黏 土防渗衬垫要优越得多。目前 ,新的国家标准对填埋 场污染防治和地下水控制提出了更高要求,从渗漏率 控制看 ,推荐采用“膜 GCL CCL”的单层复合防渗 衬垫系统是比较合适的。 3. 2 污染防治效果 根据有关文献, 垃圾填埋场渗沥液在自然降解条 件下达到 GB16889 -2008 排放标准的时间为 32 年。 大部分填埋场服务年限在 10 ～ 20 年内, 保守估计按 照20 年计算, 则填埋场渗沥液降解稳定到一级排放 标准的时间为 52 年 。通常 , 填埋场防渗设计使用年 限按照50 年考虑。 因此 ,污防渗衬垫系统污染防治效果的评价依据 就在于其击穿时间是否满足使用年限要求 。所谓击 穿时间,是指填埋场渗沥液在穿过防渗衬垫进入基土 后,污染物浓度 或相对浓度 与土壤环境背景值相当 或达到环境污染控制水平以内时 , 所需要的时间 跨度 。 3. 2. 1 单一黏土衬垫污染防治性能 黏土施工质量反映在黏土的渗透系数和扩散系 数两方面, 不同施工质量条件下分析结果表明, 黏土 衬垫施工质量对污染物中 COD成分迁移影响十分明 显。如果黏土衬垫系数 ≤1 10 - 7 cm s, COD 击穿时 间为 54年 ; 如果施工质量较差,渗透系数增大 1个量 级,则其击穿时间减小为 5 年, 差不多减少 10 倍; 如 果施工质量非常好, 渗透系数减小 1 个量级 , 则其击 穿时间增加为 100年 ,将近增加 2 倍。 3. 2. 2 CCL 和 GCL 污染防治性能比较 关于1 m 厚CCL k 110 - 7 cm s 和6 mm厚 GCL k 5 10 - 9 cm s 对渗沥液中 COD 迁移性能的比 较,钱学德等学者对其进行了数值模拟 , 衬垫底部相 对浓度分布随时间变化曲线如图 3所示, 累计总迁移 量如图4 所示。 由图 3 可知 ,如果按照相对浓度为 0. 1 作为击穿 时间的评价标准, 则 GCL 的击穿时间仅为 1 天 , 而 CCL 的击穿时间约为 730 天 2 年 , 这主要是由于 GCL 较薄,很容易被分子扩散穿过所引起的。因此, 88 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 单独选用GCL 作为填埋场防渗结构是不可行的。另 一方面 ,从图 4可知, 穿过 CCL 的总污染量在初始阶 段比GCL 略低, 在 10 年以后则比 CCL 要高得多, 在 50 年后通过 CCL 的污染量是 GCL 的 2. 5 倍。这主要 是由于先期污染物迁移主要是通过分子扩散作用引 起,后期则主要由压力水头作用下的对流迁移引起 。 图3 GCL CCL 衬垫底部相对浓度随时间变化曲线 图 4 总迁移量随时间变化曲线 3. 2. 3 防渗膜污染防治性能 防渗膜防渗性能的好坏与防渗膜的施工质量密 切相关。针对单层防渗膜结构 ,分别对防渗膜施工质 量为“极差” 、 “较差” 、 “较好” 、 “极好”时的迁移扩散情 况进行了比较分析。结果表明 防渗膜施工质量对渗 沥液污染物迁移扩散影响比较明显 。“极差”施工质 量下的击穿时间仅为 2 年,“极好”施工质量下的击穿 时间为 100 年,两者相差 50 倍。因此 ,在填埋场防渗 膜铺设时控制质量至关重要。 4 结论与建议 针对现代卫生填埋场防渗衬垫设计中存在的问 题,从结构稳定 、 污染防治 、 减压导排等几方面进行了 优化比较分析, 指出了防渗衬垫设计时应予以注意的 问题 。结合典型填埋场防渗衬垫结构, 对不同类型的 填埋场在选择防渗衬垫类型时提供了初步的指导意 见,主要结论和建议如下 1 防渗衬垫结构选型一定要因地制宜 ,只有在满 足衬垫结构自身稳定的前提下 ,才能确保其防渗功能 的正常发挥。根据新的卫生填埋场建设标准 ,采取单 层复合衬垫或者双层衬垫是一种必然趋势,特别是在 采用GCL 或 CCL 作为辅助防渗层时, 应对防渗衬垫 结构中防渗膜～ GCL 、防渗膜 ～ CCL 之间的界面稳定 性进行专门分析 ,当稳定分析结果不能满足规范要求 时,应采取必要的加固保护措施。 2 对防渗膜变形指标的控制 ,应避免陷入过分追 求断裂伸长率的误区 。对一般填埋场而言,防渗膜的 屈服伸长率已经满足变形控制要求 ,断裂伸长率在实 际工程应用中并无多大意义, 反而会造成防渗成本的 增加 。当然 ,为确保防渗膜不会遭受石块或其他尖锐 物的穿刺破坏, 根据当地经济条件, 适当选择强度较 高的防渗膜是有必要的。 3 从不同防渗衬垫结构的污染防治效果来看 ,采 用“膜 GCL CCL”比其他单层 HDPE 膜防渗衬垫、 “膜 CCL”复合衬垫、天然黏土防渗衬垫要优越得 多。目前, 新的国家标准对填埋场污染防治和地下水 控制提出了更高要求 ,推荐采用“膜 GCL CCL”的 单层复合防渗衬垫系统是比较合适的,这也是目前填 埋场单层复合防渗衬垫结构设计的一种趋势 。 4 无论采用哪种防渗衬垫类型, 都应严格控制施 工质量 。分析结果表明, 压实黏土施工质量 、 防渗膜 施工质量、以及不同接触面之间的施工质量等, 都对 防渗衬垫的污染防治性能具有比较明显的影响。因 此,工程施工过程中 ,应加强质量监管控制。 参考文献 [ 1] GB16889-2008 生活垃圾填埋场污染控制标准[ S] . 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