垂直防渗在卫生填埋场中的应用--

垂直防渗在卫生填埋场中的应用CONTENTS研究背景（why？）垂直防渗定义（what？）垂直防渗在垃圾填埋场中的应用（which？）12345工程设计（how？）总结3W1H卫生填埋是采取防渗、铺平、压实、覆盖对城市生活垃圾进行处理和对气体、渗沥液、蝇虫等进行治理的垃圾处理方法。卫生填埋方式具有简单易行、费用低、能处理多种类型废弃物的优点，同时还可回收能源。因而受到世界许多国家的欢迎，目前世界上建成具规模的垃圾填埋场4817座，其中美国己建成2247座，欧共体建成175座。我国卫生填埋场的建设大约始于20世纪80年代，现在有许多城市修建了基本符合卫生填埋工艺要求的卫生填埋场。即便如此，据报道，我国城市生活垃圾处理率不足54%，而无害化处理率不足20%，每年仍有5600万吨生活垃圾露天堆放。就我国当前的经济发展水平而言，在今后相当长的一段时间内，卫生填埋法仍是绝大部分城市处理垃圾的重要甚至唯一方法。1研究背景国内卫生填埋技术的发展1研究背景卫生填埋法很少使用,垃圾以简单的露天堆放为主。内容前期阶段初期阶段发展阶段成熟阶段在进行填埋场场址选择时,地质、水文地质、工程地质、环境地质等各条件成为调查、分析和评价的对象。在建设过程中,防渗措施得到利用,20世纪80年代末和90年代初新建的填埋场大部分都采用了垂直防渗技术，防止渗沥液污染地下水。随着对环保的逐渐重视,生活垃圾填埋场的防渗技术逐渐成熟,直到双层HDPE防渗层的出现。该防渗技术采用压实黏土+GCL+双层HDPE的主防渗层,可以有效的防止地下水被污染卫生填埋的发展1研究背景•建成情况：80年代建成•总投资：8500万元•用地面积：690亩•总库容：600万m3•日处理量：2400t•国内第一座•建成情况：1997年建成•总投资：5387万元•用地面积：900亩•总库容：613万m3•日处理量：2000t•建成情况：2002年封场•总投资：13000万元•用地面积：380亩•日处理量：2200t•建成情况：2000年投产•总投资：22000万元•用地面积：1338亩•总库容：1980万m3•日处理量：800t•建成情况：1996年建成•总投资：32000万元•用地面积：5157亩•日处理量：7500t•共三期国内卫生填埋示例1研究背景•建成情况：1997年投产•总投资：4000万元•用地面积：219亩•总库容：156万m3•建成情况：1997年投产•总投资：8500万元•用地面积：1600亩•总库容：1793万m3•日处理量：1500t•建成情况：2001年建成•总投资：12700万元•日处理量：2400t•建成情况2002年建成•总投资：19965万元•用地面积：2610亩•总库容：400万m3•日处理量：3100t•建成情况：一期1997年建成•总投资：20000万元•用地面积：2235亩•日处理量：4693t•国内最先进国内卫生填埋示例•废弃物氧化作用产生的挥发性气体；•重金属元素滞留在土壤里;•可溶性物质通过淋滤作用经土壤进入地下水;•地表径流直接将污染物带入河流;•受污染地区植物生长有选择的吸收某些重金属元素进入食物链，再进入人或动物体内;•受污染的动植物残体腐烂，所含有毒物质重新进入环境。1研究背景废弃物填埋场中有毒有害物质环境污染传播途径卫生填埋场弱点占地面积大二次污染填埋工艺渗滤液气体污染1研究背景废弃物填埋场中采取的工程措施工程措施中最重要的是防止污染物在土壤及地下水中的迁移，最有效的措施是建立完善的防渗系统，将渗滤液严格控制在一定的独立水文地质单元体内，以免污染周围地下水和地表水。填埋场的防渗措施，分水平防渗和垂直防渗隔离系统，两种都是一种对渗滤液的物理上的处置措施，并不能从化学上完全消除渗滤液对周围环境的污染。现有的各种技术措施不能保证仅靠土壤的消纳和自净能力就能使地下水不受污染。但是，通过防渗措施有效地尽量减少污染物的迁移，从而有效地防止渗滤液对环境的污染，这也是设计中防渗系统设计的意义所在。1研究背景一个良好的填埋场防渗系统应具有以下功能:①尽量封闭渗滤液于填埋场中，使其进入渗滤液收集系统，防止其渗透流出填埋场造成对周围土壤、地下水及地表水的污染;②防止地下径流进入填埋场，避免产生过多渗滤液，使处理量增加;③避免填埋场内产生的气体向外迁移，使之得到有控释放，提高收集效率;④与渗滤液有很好的化学相容性，能抵抗渗滤液的侵蚀，有效阻滞渗滤液中的有害污染物质;⑤具有足够的强度和耐久性，保证填埋工作寿命之内防渗系统的安全性;⑥具有较好的环境效应，本身不会对环境产生负面影响和破坏。1研究背景水平防渗是指在填埋场底部和侧壁铺设防渗衬垫，阻断渗漏；垂直防渗是指在渗沥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。垂直防渗帷幕在山谷型填埋场中应用较多，这主要由于山谷型填埋场大多具有独立的水文地质单元条件；但垂直防渗是借鉴水利工程中堤坝防渗的经验，它是通过延长渗径来延缓渗漏,而不能避免渗漏，且目前的垂直防渗的各种施工方法所能达到的渗透系数一般k1×10-7cms，这与《生活垃圾卫生填埋场技术规范》对防渗系统渗透系数k1×10-7cm/s的要求是有差距的。除非是场地条件很好且受到投资的严格限制，建议垂直防渗帷幕不单独使用，应与水平防渗系统相结合。2垂直防渗定义填埋场的垂直防渗系统是根据填埋场的工程、水文地质特征，利用填埋场基础下方存在的独立水文地质单元、不透水或弱透水层等，在填埋场一边或周围设置垂直的防渗工程（如防渗墙、防渗板、注浆帷幕等），将垃圾渗滤液封闭于填埋场中进行有控制导出，防止渗滤液向周围渗透污染地下水和填埋场气体无控释放，同时也有阻止周围地下水流入填埋场的功能。图2垂直防渗墙渗流示意图2垂直防渗定义基坑开挖施工期水平防渗衬垫铺设及填埋初期填埋运营期垂直防渗帷幕在现代卫生填埋场中的功能与作用垂直防渗结构在填埋场库区基坑开挖前建成,提前阻断了库区与外界的水文联系,使填埋场库区形成一个相对独立的水文地质单元,可以有效地控制库区基坑开挖时地下水入渗量,为基坑开挖的顺利完成,建立了一道可靠的安全屏障。在水平防渗系统的铺设施工及填埋场填埋初期,库区周边垂直防渗结构的形成,可显著降低库区基底的地下水的入渗量,从而有效降低地下水导流层的抽排负荷,减少了施工及运营费用。把库区的地下水位控制在施工允许的范围之内,为库底基础层压实、防渗膜的铺设创造了条件。在整个填埋场的运营过程中,垂直防渗帷幕除具有减少库区地下水的入渗量,降低地下水抽排费用外,垂直防渗作为库区防止渗沥液渗漏的第二道防线与水平防渗共同构成了填埋场的防渗衬垫系统。在填埋场十几年甚至几十年的使用寿命当中,垂直防渗帷幕不仅阻挡库区外地下水向库区渗透,同时也延缓了库区内被污染的地下水向库区外渗漏,它与水平防渗系统相辅相成、互为补充,形成了一个复合的、立体的、高标准的防渗系统,把库区渗沥液渗漏的可能降到最低。2垂直防渗定义填埋场中的污染物自产生后进入渗滤液中被稀释，在复杂的水力条件下随渗滤液到达帷幕后会发生两种变化:迁移和转化;同时在介质特殊的物理化学环境中有些污染物会在液相与固相之间发生浓度变化，即吸附与交换。垂直防渗帷幕工作机理图3垂直防渗帷幕工作示意图2垂直防渗定义垂直防渗帷幕工作机理图3垂直防渗帷幕工作示意图(1)迁移:当污染物进入地下水后，会沿地下水流运动方向产生纵向对流和纵向弥散，同时在垂直于水流方向且平行于地下水面方向产生横向弥散，并在帷幕垂直方向产生竖向弥散;(2)转化:在帷幕复杂的物理化学条件下，污染物发生一系列的物理化学反应，同时还可发生一些厌氧条件下的转化和沉淀，使一部分污染物有可能转化为非污染物而得以净化;(3)吸附与交换:粘土固化注浆帷幕的比表面积较大，阳离子交换容量较大，具有较强的吸附能力，使被吸附的污染物滞留在帷幕中。在上述各种作用的综合影响下，污染物浓度由帷幕进液端的C0逐渐过渡到出液端的CL。2垂直防渗定义垂直防渗帷幕分类垂直防渗帷幕分类利用压力经注浆管向地层内灌入水泥浆或水泥-膨润土浆，与土壤颗粒胶结形成渗透系数较小的隔离帷幕。灌浆帷幕：理论上灌浆法适用范围较广，但对孔隙比较大的各类土体，经实践证明其适用性较差，主要问题表现在注浆压力难以控制，浆液并非按设计假定的路线行走，会出现浆液乱串、漏浆等现象，很多情况下难以达到浆液注入率1L/min的终灌条件。但该法对处理岩石裂隙的效果较好。钢板桩墙：深水或深基坑，流速较大的砂类土、黏性土、碎石土及风化岩等坚硬河床。防水性能好，整体刚度较强。高压喷射注浆法：适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。竖向隔离墙：适用于一般的软黏土、砂土和碎石类土。塑性混凝土一般由膨润土、水泥和砂按2.5∶1.0∶1.2的比例进行配制，该方法防渗效果较好。深层搅拌桩墙：适用于处理淤泥、淤泥质土、地基承载力小于120kPa的黏性土和粉性土等地基。相比前者，搅拌桩的适用性略差，对砂性土和碎石类土不适用。2垂直防渗定义2垂直防渗定义灌浆帷幕材料选择理想的灌浆材料要求具有的特性：（1）粘度低并可调节粘度（2）分散相颗粒要小（3）固化时间可改变（4）材料的固化应是突变的（5）能够加填料（6）抗压和抗拉强度高（7）抗渗性能好,不干缩（8）对岩土、建材或地下水成分无不良影响（9）抗侵蚀稳定性高(10)不影响环境卫生配浆、混合和灌浆的工艺费用应较低（11）沉降稳定性好（12）对被灌注的材料粘结强度满足要求3工程设计垂直防渗结构方案设计原则•垂直防渗结构k≤1×10-7cm/s；•垂直防渗结构深入相对不透水层深度≥2m;•垂直防渗结构应稳定、可靠、经济及施工方便;•垂直防渗帷幕的平面布置同库区发展规划相一致，应同步实施。垂直防渗帷幕方案比较和选择的原则•安全可靠，确实达到工艺要求的效果;•施工方便，国内施工单位可以保证质量;•经济合理，在满足工艺要求和以上两条的前提下，尽可能考虑经济性。帷幕的防渗性能主要取决于两个方面，一是帷幕的厚度，它可以显著的影响渗滤液的水力梯度，二是帷幕的抗渗性能，它与帷幕的孔隙结构关系密切，在这两个方面的共同作用下，粘土固化注浆帷幕发挥着对地下污水的防渗功能。3工程设计根据CJJ176—2012《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》，垂直防渗帷幕的最小厚度宜为60cm，最厚不宜超过150cm。当渗透系数不大于1.0×10-7cm/s的帷幕时，厚度可按下式计算:ΔL=Fr×A×HB式中:Fr为安全系数，宜取1.5;H为垂直防渗帷幕上下游水头差，m;A为与帷幕材料的阻滞因子有关的系数，可按图1取值;B为与帷幕材料的扩散系数有关的系数，可按图2取值。3工程设计早期的简易填埋场垂直防渗帷幕厚度计算假设一种常见工况，A=1，B=0.15，H=10m，则计算得到的防渗墙厚度约为2.1m，如采用搅拌桩作为防渗帷幕，则需采用双轴φ800mm的4排搅拌桩，搭接30cm，假设防渗墙深度为10m，则每米的工程造价约为1万元。适用于早期的简易填埋场，即无任何防渗措施，需要实施垂直防渗以阻隔污染物扩散的填埋场。对于新建的平原型填埋场，为使库容最大化，库区基底面基本位于地下常水位以下，垂直防渗的实施主要是为了保证库区开挖过程的基坑止水，而非防止污染物扩散。因此对于这种情况下的垂直防渗设计应根据渗流理论确定其最小厚度。3工程设计填埋场垂直防渗帷幕厚度计算假设帷幕底部为不透水岩层，根据达西定律，通过单位面积帷幕的渗滤液数量与帷幕的渗透系数和水力梯度成正比，与帷幕厚度成反比，即：式中，Q为单位时间渗滤液的渗出量，m3/d;K为帷幕的渗透系数，m/d;A为渗滤液渗流的断面积，m2;为水力梯度，H1为帷幕工作时上下游水头差，m;L为帷幕厚度，m。dldh从地下水环境保护的角度考虑，希望H1为0，即认为渗滤液不透过帷幕，当H1≠0，时就会发生地下水污染。从式中可见，垃圾填埋场理想的防渗效果是渗漏量Q值尽量小，由于A值不变，故应采取措施使K值和I值降低，并控制在一定范围内，使地下水环境受渗滤液污染的影响程度限于一定的环境容量内。要降低水力梯度I值