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1第四工程处科技创新材料之二：拟采用新技术调研报告垃圾填埋场水平防渗材料的应用1概述垃圾填埋场防渗系统是垃圾填埋场最重要的组成部分，它是通过在填埋场底部或周边形成阻水（气）设施，防止填埋气体或渗滤液进入周围的土壤和水体产生污染，同时，也防止地下水或地表水进入填埋场，有效控制渗滤液产生量。2001年，我处完成了临沂市垃圾卫生填埋场的帷幕灌浆与坝体施工任务，运行几年来，监测结果显示，阻水效果良好；2004年，我处又对日照市垃圾填埋场截污坝底岩体进行了帷幕灌浆和固结灌浆，以及坝体的施工，目前，垃圾场已投入运行，受到建设单位好评。根据总公司关于成立特色工程处（院）的决定，考虑第四工程处的实际情况，下一步，我处将以市场为导向，结合特色经营的目标，大力发展固、液废弃物处理项目的咨询、设计、施工与经营工作。为了进一步完善我处关于垃圾处理工程的施工技术，拓展市场服务领域，在已参与垃圾处理工程垂直防渗领域的基础上，计划在水平防渗材料、设计与施工方面做进一步研究，增强占有市场的能力，使之成为我处新的经济增长点。1.1水平防渗定义根据垃圾填埋场场底防渗工艺不同，可将场底防渗分为垂直防渗2和水平防渗。垂直防渗菜用帷幕灌浆方案。水平防渗系统是在填埋场场底及其四壁基础表面铺设防渗衬层（如粘土、膨润土、人工合成防渗材料等），将垃圾渗滤液封闭于填埋场中进行有控地导出，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。根据所用防渗材料的来源不同，又可将水平防渗分为自然防渗和人工防渗两种。1.2水平防渗材料填埋场防渗衬层主要有两类，一种是天然防渗材料，即粘土防渗衬层或粘土与膨润土混合防渗衬层；另一种是人工合成材料防渗衬层。（1）无机天然防渗材料①天然粘土材料天然粘土单独作为防渗材料必须符合一定标准，粘土的选择主要根据现场条件下所能达到的压实渗透系数来确定，在最佳含水量条件下，当被压实到90%~95%的最大干密度时，渗透性很低（通常为10-7cm/s）的粘土可以作为填埋场衬层材料。具有下列特性的粘土适宜做衬层材料：a、液限在25%~30%之间；b、塑限在10%~15%之间；c、0.074mm或更小的颗粒所占比例在40%~50%之间；d、粒径小于0.002mm的粘土含量在18%~25%之间。②人工改性防渗材料人工改性防渗材料是在填埋场区及其附近没有合适的粘土资源3或粘土的性能无法达到防渗要求的情况下，将亚粘土、亚砂土进行人工改性，使其达到防渗性能要求的防渗材料。人工改性的添加剂分有机和无机两种，有机添加剂包括一些有机单体（如甲基脲等）的聚合物，无机添加剂包括石灰、水泥、粉煤灰和膨润土等，无机添加剂费用低、效果好，适宜在我国推广使用。（2）天然及有机复合防渗材料主要指水泥混凝土防渗材料（PCC），沥青水泥混凝土也属该类材料。PCC由水泥、聚合物胶结料与骨料结合而成的新型填埋场防渗材料，在水泥混凝土搅拌阶段掺入聚合物分散体或聚合物单体，然后经过浇注和养护而成。PCC作为一种新型建筑材料已有几十年的研究和应用历史。PCC具有比较优良的抗渗和抗炭化性能，抗渗性比普通砂浆提高2~3个数量级，抗炭化性提高3~6倍。由于聚合物的网络和成模作用，使PCC具有较为密实的微孔隙结构，因此PCC具有较高的耐磨性和耐久性。并且其抗压强度、抗折强度、伸缩性、耐磨性都可以通过改变配方加以改善，以达到预期要求。国内研制的PCC防渗材料的抗压强度达到20MPa，渗透系数由普通水泥砂浆的10-6~10-8cm/s降低到10-9cm/s。（3）人工合成有机材料主要是塑料卷材、橡胶、沥青涂层等，这类人工合成有机材料通常称为柔性膜。常用的柔性膜主要有高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚氯乙烯（PVC）、氯化聚乙烯（CPE）、氯磺聚乙烯（CSPE）、塑化聚烯烃（ELPO）、乙烯-丙烯橡胶（EPDM）、氯丁橡胶（CBR）、4丁烯橡胶（PBR）、热塑性合成橡胶、氯醇橡胶。柔性膜防渗材料通常有极低的渗透性，其渗透系数均可达10-11cm/s。高密度聚乙烯的渗透系数达到10-12cm/s，甚至更低。1.3国内水平防渗的标准(1)天然衬层系统的填埋场必须具有下列条件：①土衬层的渗透系数不大于10-7cm/s；②场底及四壁粘土衬层厚度大于2m。(2)人工衬层必须符合下列条件：①衬料的渗透系数必须小于10-7cm/s；②衬层抗压强度必须大于0.6MPa，不因填埋碾压而断裂；③衬料应有耐候性，能适应骤冷骤热变化；④衬层能抵御垃圾中坚硬物体的刺、划；⑤防渗膜应为同期产品，厚薄均匀，无薄点、气泡及裂损；⑥衬层制作必须结构完整、严密；⑦衬料必须具有抗蚀性，与垃圾消化产物相容，不应因相接触而影响衬料的渗透性能。(3)地下水位应与坑底距离2m以上。(4)衬里之上应加铺30cm厚的粘土，铺平拍实，作为防渗垫层。垫层之上再铺河卵石（直径5~10cm）30cm厚，作为导流层，大石在下，小石在上，防止垃圾密塞石缝而影响导流。2填埋场防渗系统的选择填埋场场底防渗系统的选择应根据环境标准要求、场地地质、水文、工程地质条件、衬层系统的材料来源、废物的性质与衬层材料的兼容性、施工条件、经济可行性等因素进行综合考虑。5一般来说，垂直防渗系统的造价比水平防渗系统低，自然防渗系统的造价比人工防渗系统的低，单层衬层防渗系统、单复合衬层防渗系统、双层衬层防渗系统和双复合衬层防渗系统的造价依次增大。在场区地质、水文、工程地质满足要求的条件下，尤其是场区具有单独的水文地质条件，可选择垂直防渗系统。否则，选取水平防渗系统，如果在场区及附近有粘土，应使用粘土作衬层系统的防渗层和保护层，以降低工程投资，如果没有质量好的粘土，但有粉质粘土，则衬层可采用质量好的膨润土来改性粉质粘土，使其达到防渗设计的要求，如果没有足够的天然防渗材料，则采用由柔性膜或天然与人工合成材料组成的人工防渗系统。如果填埋场场地高于地下水水位，或场地低于地下水水位，但地下水的承压力不至于破坏衬垫层时，可采用单层衬层防渗系统。如果填埋场地的工程地质、水文地质条件不理想，或者对场地周边环境质量要求严格，则应选择复合衬层防渗系统。双层衬层防渗系统和双复合衬层防渗系统一般用于危险废弃物填埋场，在我国目前的经济、技术条件下，这两种防渗系统近期很难在我国生活垃圾填埋场中等到广泛运用。另外，根据填埋场的地质情况，可以采用垂直与水平防渗相结合的工程措施。填埋场防渗方法比较分析见下表。垃圾填埋场防渗方法比较投资对库容的影响补救措施适用条件施工条件防渗方式6粘土衬层大大一般不会出问题，但若出现渗漏则难以补救粘土富产地区场底及边坡规整水平与垂直防渗相结合或水平防渗粘土（95%）与膨润土（5%）大较大一般不会出问题，若出现问题难以补救粘土与膨润土富产地区场底及边坡规整专用机械混合水平防渗或水平与垂直相结合防渗土工膜衬层大小一旦出现渗漏问题难以补救广泛场底与边坡规整水平与垂直防渗相结合或水平防渗垂直帷幕灌浆小小较易补救山谷型独立水文地质单元施工技术设备要求较高垂直防渗通过以上比较不难看出，采用垂直帷幕灌浆方式对垃圾填埋场进行防渗具有投资少，对填埋场库容影响小，易于补救等优点，但该防渗方式对地质条件要求较高，适用条件较窄，选址较困难。一般的平原型卫生填埋物，其地层结构从上至下主要为粘土层，粉土层、砂土层、卵砾石层等。根据地层结构特点，场区地层的渗透系数一般较大，不具备自然防渗的条件，必须进行严格的防渗处理，使填埋场产生的渗滤波不污染地下水。平原型垃圾填埋场一般采用水平防渗方案。3水平防渗系统的设计与施工3.1天然防渗系统天然防渗是指采用粘土类土层或改良土作防渗衬层的防渗方法。（1）粘土衬层的设计粘土衬层设计应考虑粘土的渗透性、含水率、密实度、强度、塑性、粒径与级配、粘土层厚度、坡度等因素对防渗效果的影响。7①渗透性：度量粘土衬层渗透性的主要指标是渗透系数，根据《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17-2001），天然粘土类衬里的渗透系数不应大于1.0×10-7cm/s，渗滤液在粘土中的渗透系数要根据渗滤液的实际成份、在填埋场可能的温度范围内、运用设计的粘土材料性质和厚度进行试验才能确定。②含水率和密实度：粘土层要有一定的含水率和密实度，以达到渗透性能低和强度高的目的，试验研究表明，当土的含水率略高于最佳含水率时，通常可以获得最佳渗透性。在具体工程设计前，应进行密度、湿度和渗透性的试验，建立三者之间的关系，以确定最优值。③强度：粘土材料应具有足够的强度，不应在施工和填埋作业负荷作用下发生变形。④粘土衬层的厚度：粘土衬层愈厚，渗滤液透过衬层移动的时间愈长，其防渗能力越强，但衬层厚度过大，不仅占据了大量有效填埋空间，而且将大幅增大土建工程费用。因此必须根据具体情况合理设计填埋场粘土衬层的厚度，达到既能满足防渗要求，又能降低建设费用的目的，单独用粘土作衬层的厚度一般为1~3米。⑤粒度与级配：土块的粒度将影响土的渗透性和施工质量。通常土块越小，水份分布越均匀，压实效果越好，尤其当土壤含水率小于压实最佳含水率时，土块的粒度将更为重要，在设计中一般推荐土块的粒度为2cm，如果现场土块粒度太大，应首先进行机械破碎。土的颗粒的级配同样影响着土的透水性，级配良好的土，其透水率小，具有较低比例粘土成份但级配良好的材料仍可作衬层材料。一8般而言，具有较高粘土成份或较高的淤泥和粘土成份的材料具有低渗透性。⑥塑性：粘土要形成有效的衬层或衬层组成部分，要具有一定的可塑性，但高度塑性的土容易收缩和干化断裂。⑦粘土衬层的坡度与排水层：粘土衬层的设计坡度一般为2%~4%，排水层厚度30~120cm，集水管最小直径15cm，管道间距15~30m。（2）改良土衬层的设计改良土衬层的设计与粘土衬层设计相类似，但使用膨润土作添加剂时要注意，膨润土中的可置换阳离子种类是一个重要的控制参数，直接影响膨润土的渗透性能。通常而言，膨胀性能越好的膨润土，其添加量越少；具有高膨胀性能的粘土矿物要比其他粘土矿物更易受化学物质的影响。例如，钠是高膨胀膨润土的主要阳离子，在钠型土与高钙盐溶液进行离子交换时，它很容易转变成钙型土，这一变化将严惩降低膨润土的膨胀能力，从而增大混合土的渗透性能。膨润土的混合比率随土壤条件而变化，一般在原土中掺入3%~8%的膨润土，即可将大部分土壤材料的渗透系数降低到设计标准。在进行混合衬层设计时应确定下列参数：①原土与膨润土的最佳混合比率；②密度、含水率和渗透系数三者的关系；③干燥膨润土的颗粒尺寸。典型的天然防渗系统结构见下图：9渗滤液收集层土工织物保护/分离层土工织物保护/分离层压实粘土垫层地基生活垃圾单层粘土防渗系统3.2人工防渗系统（1）人工防渗系统的分类人工防渗系统是指人工合成有机材料（柔性膜）与粘土结合作防渗衬层的防渗方法。根据填埋场渗滤液收集系统、防渗系统和保护层、过滤层的不同组合，一般可分为单层衬层防渗系统、单复合衬层防渗系统、双层衬层防渗系统和双复合衬层防渗系统。①单层衬层防渗系统此种防渗系统只有一层防渗层，其上是渗滤液收集系统和保护层，必要时其下有一个地下水收集系统和一个保护层。这种类型的衬垫系统只能用在抗损性低的条件下，对于场地低于地下水位的填埋场，只要地下水流入速率不致造成渗滤液量过多，或地下水的上升压力不致破坏衬垫系统，可采用此系统。10垃圾地下水收集系统地基土工织物保护/分离层土工织物保护/分离层土工织物保护/分离层人工合成防渗膜单层衬层防渗系统渗滤液收集系统②单复合衬层防渗系统此种防渗系统是采用复合防渗层，即由两种防渗材料相帖而形成的防渗层。两种防渗材料紧密地排列，提供综合效力。比较典型的复合结构是上层为柔性膜，其下为渗透性低的粘土矿物层。与单层衬层防渗系统相似，复合防渗层的上方为渗滤液收集系统，下方为地下水收集系统。复合衬层系统综合了物理、水力特点不同的两种材料的优点，因此具有很好的防渗效果。有关研究结果表明，用粘土和高密度聚乙烯（HDPE）材料组成的复合衬层的防渗效果优于双层衬层（有上下两层防渗层，两层之间为排水层）的效果。复合衬层系统膜出现局部破