第11卷第2期 2012年6月 宁夏工程技术 Ningxia Engineering Technology V0l_11 No.2 Jun.2012 文章编号:1671—7244(2012)02—0186—04 固体垃圾填埋场防渗衬垫水力特性 研究进展综述 邢毓航 , 王红雨 , , 彭 飞 (1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川750021; 2.宁夏大学宁夏节水灌溉与水资源工程技术研究中心,宁夏银川 750021) 摘要:固体垃圾的填埋是我国垃圾处置的主要方式,防渗衬垫系统则是填埋场能否正常运行的关键.探讨了国 内外垃圾填埋场衬垫系统水力特性的研究进展,并针对黏土资源日趋匮乏的实际状况,着重从衬垫材料的替代 以及防渗层的设置两方面对目前填埋场衬垫系统的研究热点进行了总结和展望. 关键词:固体垃圾;填埋;防渗衬垫系统;水力特性;防渗材料;防渗结构 中图分类号:TU442 文献标志码:A 随着经济的不断发展以及人民生活水平的提 高,产生的城市固体废弃物数量也不断增加,给社会 经济发展和环境保护带来了巨大影响.目前各国对 城市固体废弃物的处理方法主要有以下几种:填埋、 焚烧及堆肥.填埋法是城市生活垃圾主要的处理方 式,垃圾填埋具有投资省,处理费用低,处理量大,所 渗滤液渗漏污染地下水.因此,在垃圾填埋场设计、 施工和运行过程中,都需要对防渗系统进行充分地 论证和实时监控. 1传统防渗衬垫存在的问题 1.1传统压实黏土衬垫 需设备少,操作简便,回收填埋气可获得一定经济效 益等优点,因此得到了广泛的应用,在世界各国城市 垃圾处理中一直占有很大比例.现代城市生活垃圾 卫生填埋场结构一般分为以下4个部分:底部防渗 系统、底部渗滤液排导系统、固体废物单元与单元覆 盖层系统以及最终覆盖系统Ⅲ. 在垃圾的填埋过程中,由于压实、降雨和微生物 作用以及其他内外因的作用下,垃圾会产生渗滤液. 渗滤液的渗出对土壤、地表水、地下水等人类生存环 境都会产生严重危害,尤其是对地下水,会产生不可 恢复的污染.传统的压实黏土虽然能够有效地阻止 水或低张力水溶液的运动,但是却很容易受到垃圾 中的有机污染物的影响,使得黏土防渗层产生收缩 裂缝而失去阻隔能力. 黏土防渗衬垫产生破坏的原因主要有:在建造过 衬垫系统在垃圾填埋体中起阻隔污染物和渗滤 液的作用,它是由污染物阻隔屏障、渗滤液收集或渗 滤液排放层组成.按结构来分,衬垫系统一般可分为 单层黏土衬垫系统、单层土工膜衬垫系统、双层土工 膜衬垫系统、单层复合衬垫系统、双层复合衬垫系 统『21.在垃圾填埋过程中,虽然可以通过设置防渗系 统来减轻渗滤液对周围环境的污染,但是随着时间的 推移,垃圾填埋场仍然可能出现以下问题:渗滤液的 程中或填埋垃圾时土工膜被刺破,黏土中的某些成分 与渗滤液发生反应从而使渗透系数增大;干一湿和冻一 融交替循环的影响;不均匀沉降产生的剪切破坏.因 此,对传统黏土防渗衬垫进行创新,提高其防渗性能 就成为国内外研究人员主要的研究方向. 2复合衬垫系统 收集和排放系统被腐蚀而导致渗滤液渗漏;渗漏的某 1.复合衬垫系统是由两种防渗材料紧密铺贴在一 些污染物尤其是里面的有机物会使防渗衬垫的防渗 分为单层复合衬垫防渗结构 性能下降,产生收缩裂缝,从而失去阻隔功能嘲;或 起而成的一种防渗层,者防渗衬里由于机械、自然等的作用而被破坏,导致 和双层复合衬垫防渗结构(它的两个防渗层可以是 收稿日期:2012—02—03 基金项目:2011年宁夏回族自治区大学生创新实验项目 作者简介:邢毓航(1986_),男,硕士研究生,主要从事地基基础方面的研究. 通信联系人:王红雨(1961一),男,教授,博士,主要从事土力学地基与基础的教学与科研工作, (电子信箱)why.nxts@163.corn. 第2期 邢毓航等:固体垃圾填埋场防渗衬垫水力特性研究进展综述 187 由相同的或不同的防渗材料构成).国外建设经验告 诉我们,垃圾填埋场从建设期(场地建设、垃圾填埋、 封场)到填埋场内垃圾充分发生生物化学反应后达 到完全稳定,可能需要几十年甚至上百年的时间.传 统的“两布一膜”防渗系统曾经在我国广泛应用,由 于其本身存在许多缺陷,防渗标准过低,已逐步被淘 汰.目前国内外复合衬垫系统一般由土工膜(简称 GM)、土工膨润土垫(简称GCL)构成的防渗层,土工 网排水层,土工织物反滤层和保护层构成.我国2007 年颁布行业规范《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工 程技术规范》(CJJ 1 13—2o07)对复合衬垫系统也作 了明确的规定和技术要求. 复合衬垫系统综合了物理、水力特点不同的防 渗材料的优点,因而具有很好的防渗效果.但是由于 各种材料具有不同的力学特性,且衬垫系统内部各 材料之间的界面抗剪强度普遍较低,因此容易引起 底部衬垫系统失稳以及土工合成材料受拉破坏,从 而影响防渗效果. GCL由于具有低渗透性,抗冻融循环能力强, 能够较好地适应不均匀沉降,自我愈合能力强,施工 方便等优点而被广泛应用,但是其水化后抗剪强度 低,而且受干一湿循环的影响比较大,水化前和水化后 的防渗性能差异较大.如何克服GCL在上述方面的 缺陷,国内外许多研究机构和学者开展了深入研究, 以期使这种材料能在工程实践中得到广泛应用. 2填埋场防渗系统水力特性研究进展 为了寻找既经济又能满足填埋场长期防渗要求 的防渗衬垫,国内外许多学者做了大量的研究,研究 主要是从防渗衬垫的低渗透性以及防渗层对于污染 物的有效拦截作用两方面来进行考虑.因此,出现了 两种思路:一种是通过在规范规定的黏土中加入添 加剂或者添加一种材料从而形成新的防渗材料,称 为改I生材料研究;另外一种是选择其他的防渗材料 代替黏土作为防渗系统的组成部分,称为替代材料 研究. 2.1国外研究进展 J A Smith和P R J 通过对膨润土进行有 机改性并且进行试验后得出,其渗透系数能够达到 lxl0-scm/s.F G Bellm等人在黏土中添加石灰用以改 变黏土的性质,研究表明,随着石灰的添加,土体的 防渗性能得到了提高.L S Kajita[61. ̄1]研究了一种新 型的CRC(contaminant resistant clay)黏土,通过试 验证明其能够有效地延缓污染物对于防渗衬垫的破 坏.M c Lo Irenet:q等人对黏土进行有机处理,通过 试验发现,经过处理后的黏土能够和渗滤液中的污 染物质进行反应,不但能够起到防渗的效果还能够 有效地控制污染物的渗漏.P J Fox[Sl等通过研究覆 盖有均匀级配粗砾的GCL及只有GCL的常规渗透 试验发现,两种情况下GCL的水力性能均随着集中 荷载的增加而得到改善,而且在快速加载条件下,在 GCL上加覆一层土工布有助于减少膨润土的迁移-J F Wagner ̄等基于防渗加反应的理念,设计出了上 下两层的防渗结构,其中上层主要是高反应性的衬 层用以控制渗滤液中的污染物,下层是低渗透性的 防渗层,用以防止渗滤液的渗漏.R K Rowe和c Orsini[ 嗵过试验发现,在较高的水力梯度作用下,容 易引起GCL的内部侵蚀,从而使渗透系数至少增大 一个数量级,而且还发现用GCL和土工布组成的复 合衬垫性能要优于单层土工布.Hsinyu Shan和Rayho Chen[n研究也发现,随着集中荷载的增加,黏合以及针 刺GCL的渗透系数逐渐减小,而且与其相接触的土的 颗粒尺寸越大,对于GCL中膨润土的移动影响越明 显,从而对于GCL的防渗l生能有一定的影响. 多数研究结果显示:GCL具有较强的抵御冻融 破坏的能力.R D Hewitt和D E Daniel ̄对3种GCL 试样进行试验证明,在一般情况下,GCL至少能够 抵抗3次冻融循环,而渗透系数并无明显的变化. J F Kraus和C H Benson ̄ 通过对3种不同的GCL 产品进行20次冻融循环后,测定其渗透系数发现, 这些GCL的渗透系数并没有明显的提高.然而,C H Benson[ 卅等通过对压实黏土进行试验后发现,经过 近10次冻融循环后的黏土衬垫的渗透系数将会增 加50—300倍.这说明GCL防渗材料在抗冻融破坏 性能方面远远优于压实黏土. R M Koerner和D E Danielt 通过试验得出, 针刺GCL能够抵抗较大的拉应变而不会对渗透性 有明显的影响. 2.2国内研究进展 刘长礼『l蜘等人通过把膨润土和沙土进行混合, 对混合而成的复合土进行试验得出,复合土的渗透 系数可以达到1xl0 cm/s.刘阳生,白庆中f。7]等人则 将膨润土与华北黄土和华南红土混合,通过不同的 掺配比例进行试验得出,复合土的抗渗性能显著提 高.史敬华 等将石灰和膨润土混合之后作为防渗 层,试验结果表明,复合土对渗滤液中的污染物质的 衰减比例能够达到80%以上.陈延君【 91等通过对膨 润土进行有机改性,发现可以将其作为填埋场的反 应层.何俊宝[2Ol等将粉煤灰和当地天然黏土进行混 合,研究表明,当掺人的粉煤灰比例为25%时,其渗 透系数能够达到lxl0 cm/s.张波『2 l等将伊利土和粉 188 宁夏工程技术 第11卷 煤灰进行混合试验得出,当粉煤灰的比例为20% 30%时,其渗透系数为5.4x10 cm/s.董军[22】等通过 研究沸石对黏土的改性情况,以渗滤液作为渗透液 我国幅员辽阔,地质条件复杂,因此根据各地的实际 情况,尽量利用本地的防渗材料,不仅可以降低建造 成本,而且能够相互提供参考和借鉴. 体,得到沸石最佳添加比例为6%.李淑展,施周[231等 3.2防渗层的设置 以城市污水厂的污泥和高岭土组成的复合土作为防 防渗层的设置应该根据当地的实际情况(包括 渗材料进行研究,结果表明,污泥的最佳质量分数为 水文、地质、气候等),充分发挥防渗层以及渗滤液导 40%,当复合土的干密度为1.08 g/cm 时其渗透系 流层的功能,对外界的破坏要有一定的抵御能力,经 数可以达到lxl0 cm/s.马力鹤[241将粉煤灰与黄土进 济上要尽量节约、合理.常用的防渗层的形式有:单层 行混合得到复合土,通过试验得出当配比(质量分数) 土工膜、双层土工膜、单层土工膜和土工膨润土垫、 为10%粉煤灰+90%黄土时,其渗滤液的渗透系数为 7.06x10≈cm/s.郭浩磊瞄]通过对红层黏土和马兰黄土 组成的复合土进行研究发现,其击实后的渗透系数为 6.2 ̄10-8 cm/s,满足规范要求. 3填埋场防渗系统水力特性研究展望 填埋场衬垫系统对于填埋场来说至关重要.从 满足水力特性即渗透系数和抗渗稳定的角度来看, 衬垫系统的设计应该考虑以下因素:环境要求、水文 地质工程条件、材料来源、垃圾性质及与衬垫材料相 容性、施工条件和经济条件.目前对衬垫系统水力特 性的研究主要是从防渗材料和防渗层的设置两方面 来考虑. 3.1防渗材料的替代 2007年新修订的《生活垃圾卫生填埋场防渗系 统工程技术规范》(CJJ 113~2007)中写到[261:在满 足厚度大于2 m,渗透系数小于或等于lxl0 cm/s 的前提下,允许使用所有可能的土质材料.我国地域 辽阔,地质条件差异很大,特别是在黏土匮乏地区, 新规范无疑给各地因地制宜地设计压实天然土替代 黏土衬垫提供了可能. 压实黏土被广泛用于填埋场的衬垫系统,黏土 衬垫的厚度越大,其防渗能力越强.但是,在土地资 源日益紧张的今天,厚度过大不仅占据了大量的填 埋空间,而且也将大幅度提高工程费用.因此,具有 众多优越性的人工防渗材料GCL就逐步地代替黏 土衬垫作为填埋场的必要组成部分.综合国内外目 前的使用状况,国外多是把GCL作为土工膜下防渗 保护层的替代品,而国内则是将其作为防渗土工膜 及其膜下黏土层的替代品. 当填埋场周边没有合适的黏土资源或是黏土无 法满足防渗要求时,可以对亚黏土、砂土等进行人工 改性,使其达到防渗性能要求.人工改性需要向天然 材料中加入有机或者无机的添加剂,适合我国国情 的就是向天然材料中添加包括石灰、水泥、粉煤灰和 膨润土在内的无机添加剂来改善天然黏土的性质. 双层防渗层. 为了防止防渗层被破坏,要在上面铺设保护层. 考虑到GCL的抗剪强度比较低,以及失水后产生裂 缝等因素,特别是对于处在西北干旱半干旱地区的 填埋场来说,更需要通过科学合理地设置保护层来 保证防渗层能够长期有效地发挥作用.文献[27]提出 用宽级配砾质土作为GM/GCL保护层,并对其可行 性进行了研究. 4结语 通过对近年来国内外众多关于垃圾填埋场防渗 系统的研究成果进行总结,笔者有以下几点体会: (1)国内外对于填埋场的防渗层进行了大量的 研究,对改性材料的研究比较多,特别是对黏土的改 性,而关于替代材料的研究相对较少. (2)防渗材料的本土化、多样化.我国幅员辽阔, 地质条件多种多样,因此应根据各地的实际情况,尽 量利用本地的防渗材料,不仅可以降低建造成本,而 且能够相互提供参考和借鉴. (3)鉴于西北地区自然条件的,填埋场长 期处于干一湿与冻一融交替循环的特定环境中,以宽 级配砾质土代替黏土作为填埋场复合防渗垫保护 层,不仅可以大幅度降低生活垃圾填埋场的建造成 本,而且也弥补了传统黏土防渗材料存在的抗剪强 度低、失水易干裂等工程缺陷,对于推进西北欠发达 地区的城市化建设,合理利用优势资源,保护环境, 具有理论研究价值和实际应用价值. (4)本文未涉及对污染物的吸附阻滞作用的论 述,此方面的研究还有待进一步加强. 参考文献: 【1]周正兵,王钊,费香泽.用于固体废弃物填埋场中的两种 复合防渗系统的比较fJ1.环境工程,2002,20(3):55—60. 【2]钱学德,郭志平,施建勇,等.现代卫生填埋场的设计与施 -T--[M].北京:中国建 ̄Lx-,3k出版社,2001:5-7. [3]LO IRENE M C,MAK R K M.Transport of phenolic compounds through a compacted organoclay liner[J】.Wat. Sci.Tech.1998,38(2):143—150. 第2期 邢毓航等:固体垃圾填埋场防渗衬垫水力特性研究进展综述 189 [4]SMITH J A,JAFFE P R.Benzene transport through lan— drill liners containing organophilic bentonite[J].Journal of Winter effects on hydraulic conductivity of compacted clay[J]Journal of Geotechnical Engineering,1996,121(1): 69—79. Environmental Engineering_Asce,1994,120(6):1559-1577. 【5】BELL F G Lime stabilization of clay mineral and soils[J]. 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Ningxia University,Yinchuan 750021,China) Abstract:Landfill is the main way to solid waste in our country,and impermeable liner system is the key point to normal running for landfil1.Study of hydraulic characteristic of impermeable liner in solid waste landfill was reviewed,and according to the actual situation that clay resource is becoming scarce,research focus was summarized from the hands of material substitute for liner and setting up of impermeable layer. Key words:landfill of solid waste;impermeable liner system;hydraulic characteristic;impervious material;seepage structure (责任编辑、校对王德平)