1、垂直防渗在卫生填埋场中的应用CONTENTS研究背景（研究背景（why？）？）垂直防渗定义（垂直防渗定义（what？）？）垂直防渗在垃圾填埋场中的应用（垂直防渗在垃圾填埋场中的应用（which？）？）12345工程设计（工程设计（how？）？）总结总结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
2、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。内容内容前期阶段前期阶段初期阶段初期阶段发展阶段发展阶段成熟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
3、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：22
4、00t 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
5、 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
6、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: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
7、及地表水的污染;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;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;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;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;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
8、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k 1 10-7 cm s，这与生活垃圾卫生填埋场技术规范对防渗系统渗透系数k 1 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
9、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 基坑开挖施工期基坑开挖施工期水平防渗衬垫铺设水平防渗衬垫铺设及填埋初期及填埋初期 填埋运营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
10、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
11、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
12、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
13、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2.51.01.2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
14、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k110-7 cm/s；垂直防渗结构深入相对不透水层深度2 m;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
15、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CJJ 1762012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1.010-7cm/s 的帷幕时，厚度可按下式计算:L=FrAHB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
16、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=10 m，则计算得到的防渗墙厚度约为2.1 m，如采用搅拌桩作为防渗帷幕，则需采用双轴800 mm 的4 排搅拌桩，搭接30 cm，假设防渗墙深度为10 m，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
17、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H10，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
18、低水力梯度I值，可以增加帷幕厚度L。因此，建造防渗帷幕必须具备一定的工程特性水平，即厚度L、渗透系数K等达到一定数值要求才能满足地下水的防渗要求，从而使粘土固化注浆帷幕达到理想的环境效应。3 工程设计填埋场垂直防渗帷幕厚度计算假定设计要求帷幕单位面积的日渗水量不大于15L，帷幕的厚度为2.0m，水头差H2-H1=3.0m，渗透系数按规范取10-7cm/s，即K=8.64x10-3m/d，则渗滤液通过单位面积帷幕日渗出量为:表明渗滤液的入渗量在设计值范围内，帷幕厚度足以满足设计防渗要求。当帷幕厚度设计为1.5m时，其余参数不变，则可计算显然，帷幕厚度为1.5m时日渗出量大于15L，地下水受污染，
19、帷幕厚度不符合设计要求。LLmIAKQ1513013.02311064.833LLmIAKQ153.170173.05.1311064.833图4 垂直防渗墙渗流示意图4 工程应用工程应用：杭州天子岭生活卫生填埋场 杭州市天子岭第一填埋场位于杭州市北郊半山镇石塘村皋亭山西侧的青龙坞内，是我国第一个正规建设的城市生活垃圾卫生填埋场。场区勘察报告表明，填埋场区为一西向开口，北、东、南三面为山脊环绕的簸箕状地形。场区分布的主要地层为泥盆系的砂质页岩及砂岩，在场区中部及东北角分布少量中碳系黄龙灰岩，浅部分布有少量残积碎石粘性土。地层富水性差，透水性亦差。在断层沿谷底向西延伸至场区以外，断层破碎带及其影
20、响范围透水性较好。3 个方向的山脊地下分水岭处地下水位较高，因此，场区为一小的、独立的水文地质单元。图5 杭州天子岭生活垃圾卫生填埋场4 工程应用工程应用：杭州天子岭生活卫生填埋场据此，第一填埋场的防渗工程是采用垂直防渗措施，即在场区地下水唯一出口处的渗沥液调节池的截污坝下设置灌浆帷幕，阻断场区地下水及渗沥液与下游地下水的水力联系，达到防止渗沥液污染下游地下水的目的。根据勘察资料，帷幕在截污坝下的断层破碎带影响范围及截污坝下共80m 范围内，设双排灌浆孔，两端向山坡延伸部分共70m 为单排灌浆孔。平均孔深25m，破碎带根据压水试验结果局部加深。灌浆结束标准为0.03L/（minm2）。因此，只
21、需在此建立一条防渗帷幕，就可以阻止或减少滤水的外泄，防止填埋场滤水对地表水和地下水的污染。破碎带设置的两座监测井监测数据见附表。图6 杭州天子岭填埋场检测数据4 工程应用工程应用：苏州七子山生活卫生填埋场 苏州市七子山垃圾填埋场位于苏州市吴中区西南，七子山北坡的三号、四号山坳。分两期，库容约为1270万 m3。一期填埋场采用黏土注浆垂直防渗技术，无水平防渗。垂直防渗结构形式为垂直防渗墙灌浆帷幕。上覆松散覆盖层采用塑性混凝土防渗墙结构型式，墙厚0.8 m，深度7 m，墙体材料由水泥、膨润土、毛石等组成，配合水胶比为0.85;下覆基岩采用帷幕灌浆，最大灌浆深度27 m，浆液为水泥黏土浆液。实际渗透
22、系数仅达到1 10-6 cm/s 量级，不能满足防渗帷幕渗透系数应1 10-7 cm/s 的。因此，对一期填埋场垂直防渗结构进行加固。要求新建垂直防渗系统分3段呈U形在库区下游布置，东侧山体采用高压灌浆帷幕施工工艺，西侧山体及东西两侧中间连接段采用600mm厚塑性混凝土墙结合高压帷幕灌浆施工工艺，有效保证原填埋库区下游地下水不被污染。图7 苏州七子山生活垃圾卫生填埋场4 工程应用工程应用：苏州七子山生活卫生填埋场 根据现场勘探地质情况，新扩建场地岩土层可分为6大工程地质层。从上往下依次为：填土，淤泥，粉质黏土，角砾土，强分化石英砂岩，中微分化石英砂岩。填埋场场地透水性介于10-610-4cm/
23、s。要求新建垂直防渗系统分3段呈U形在库区下游布置，东侧山体采用高压灌浆帷幕施工工艺，西侧山体及东西两侧中间连接段采用600mm厚塑性混凝土墙结合高压帷幕灌浆施工工艺，有效保证原填埋库区下游地下水不被污染。塑性防渗墙结合高压帷幕灌浆防渗方案东西向及西侧共计317.5m，位于老垃圾填埋场下游，作为老垃圾填埋场垂直防渗的加固措施。图8 塑性墙结合帷幕灌浆走向图9 塑性混凝土墙结合帷幕灌浆孔4 工程应用图10 长沙黑麋峰生活垃圾卫生填埋场工程应用：长沙黑麋峰生活垃圾卫生填埋场长沙市城市固体废弃物处理场是目前我国内地建成的最大城市垃圾卫生处理场，坐落在长沙市西北角望城县桥骚镇为了确保处理场下游地下水免
24、受污染，对渗滤液采用粘土固化注浆技术构筑垂直防渗墙将其拦截在污水调节池内，设计两排注浆孔，孔距3.0m，第一排注浆孔与第二排注浆孔呈等三角形布置。防渗帷幕布置示意图如图所示。图11 防渗帷幕布置示意图该项目调节池截污坝为浆砌石重力坝，上游坡度为1:0.2，下游坡度为1:0.7，中间设有混凝土防渗芯墙，强度为C15，在其下部埋有一根高密度聚乙烯(HDPE)事故放空管仍315mm)，重力坝坝基底下施工时增加了一层厚2m宽5m的混凝土盖层，坝基为粘土固化注浆防渗帷幕，截污坝的结构如图所示。图12长沙市城市固体废弃物处理场调节池截污坝剖面图4 工程应用工程应用：南昌市麦园生活垃圾卫生填埋场图13 南昌
25、市麦园生活垃圾卫生填埋场 南昌市麦园生活垃圾卫生填埋场，位于昌北麦园(新建县望城乡)，由基本坝、副坝、截洪沟、边沟、排水管及污水处理设施等组成。场区构造不发育，对填埋影响较大的有断层，该断层近于垂直主坝并延伸至填埋场以外;场内发育的北西、北北西两组裂隙，构成场区副坝地段滤水外泄的可能通道。场区为一小的独立水文地质单元，垃圾主坝以上总汇水面积约1k m 2，主要为片麻岩裂隙含水层，富水性差，属弱至极弱透水层，场区地表水和地下水均较贫乏，且地表和地下的分水岭一致。据分析，垃圾填埋的渗滤液将会由库底向库下游渗透。采用垂直防渗方案，即在地下汇集的出口处构筑防渗帷幕，利用压力注浆的方法将地下水出口处的岩
26、石裂隙充填封闭，使上游受污染的地下水阻集于帷幕后的调节池中，以免场区内渗滤液向下游及邻近区域扩散渗透。麦园生活垃圾卫生填埋场防渗帷幕位置示意如下图。图14 防渗帷幕位置示意图4 工程应用工程应用：南昌市麦园生活垃圾卫生填埋场帷幕前后的水压差不大，易于保持帷幕的稳固。帷幕后调节池的蓄水标高一般为42m，而帷幕外的地下水水位为40m左右，因而其前后压差较小，帷幕的稳定性较好。帷幕后建造的调节池除下游面由截污坝和注浆帷幕组成，使池内蓄水和地下水内外互不渗透外，其余三面及池底均不封闭，地下水将由此进入污水调节池。又由于池内地下水压力受上游及两侧山坡水位作用，使池内水为池底地下水上升的压力所承托，减少了
27、池内污水通过池底外渗的可能性，同时也为本工程利用帷幕防渗创造了有利条件。2003年6月，在帷幕投入运行三年多后对监测孔进行了取样检测，检测结果表明帷幕对污染物的阻滞作用明显，地下水未出现污染情况，达到了理想的防渗效果。图4 防渗帷幕位置示意图建议1 生活垃圾填埋污染控制标准(GB16889-1997)中要求:填埋场防渗工程应采用水平防渗与垂直防渗相结合的工艺。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。从设计角度，建议从场区的相对不透水层深度、地下水水位及水质、垂直防渗施工工艺、填埋场防渗标准的要求以及整个工程投资情况等多方面综合考虑选择可靠、经济的垂直防渗形式。5 总结THANKS
