固体废弃物填埋场衬里的水力缺陷及愈合机制

固体废弃物填埋场衬里的水力缺陷及愈合机制

朱玉琴 1朱亚东 2

1江苏新睿境界环保科技有限公司南京分公司 ; 2南大环境规划设计研究院 (江苏 )有限公司

摘要：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.

关键词：固体废弃物；填埋场；衬里水力；愈合机制

1.垃圾填埋场常见渗漏类型及原因分析

1．1垃圾拦挡坝渗漏

由于垃圾拦挡坝以土坝、石渣坝以及土工材料复合型坝为主，并且拦挡坝常位于填埋场的较低位置，这样拦挡坝的坝前常常是渗滤液汇集区。对于垃圾拦挡坝的防渗结构常布置在上游坝坡面(均质土坝除外)，并采用以HDPE膜+GCL膨润土毯的复合衬里结构为主。由于上游坝坡的防渗结构与库底和库坡防渗结构搭接位置较多，施工工序多且复杂，再加上一般的过坝管线(地下水导排管、渗滤液导排管等)等因素，从而会影响拦挡坝防渗的可靠性。在垃圾填埋过程中，尖锐的垃圾物品以及垃圾卸载、摊铺不规范操作等原因，也会导致拦挡坝上游防渗结构损坏。拦挡坝防渗结构损坏后，渗漏主要出现在下游坝坡的中下部及坡脚部位。

1．2库底渗漏

库底防渗结构的作用是将垃圾及渗滤液与下部地下水导流层和基础层彻底隔离开，地下水在防渗层下自由流动，且不被垃圾渗滤液污染，为了提高填埋场的防渗可靠性，常采用双层衬里和复合衬里防渗结构。库底防渗结构一旦出现破损，就会出现渗漏通道，垃圾渗滤液沿着渗漏通道流向地下水导流层，污染地下水。

这样，地下水就必须通过污水处理达到排放标准后才能排出，这将增加污水处理的负荷和成本。造成库底渗漏的原因主要有三种，其一是填埋场垃圾堆体稳定化过程中，因垃圾降解速率不同，容易产生局部不均匀沉降，导致库底防渗结构被撕破或刺穿;其二是填埋场运行过程中，对入场废物运输、卸车、摊铺、压实和覆盖等作业操作不规范，过于接近防渗结构，造成防渗结构破损;其三是库底在施工防渗结构时，存在施工质量缺陷。库底出现渗漏常表现为地下水被污染，因此库底的地下水成为垃圾填埋场运行好坏的“晴雨表”。

1．3库坡渗漏

垃圾填埋场的库坡是将填埋的垃圾围起来，对填埋的垃圾起到侧向支撑的作用，垃圾在降解过程中产生的垃圾渗滤液沿着库坡流入库底，汇集到拦挡坝坝前，在通过渗滤液导排管到污水处理中心。因此库坡的防渗结构也是将垃圾和渗滤液直接跟基础层隔离开，使基础层不被污染，也不污染地下水。鉴于库坡的施工方便且可靠，库坡常采用复合衬里防渗结构中的GCL+HDPE膜结构型式。库坡渗漏一般表现形式为地下水被污染或库坡的另一侧有渗滤液渗出，这样对垃圾填埋场周边环境也带来极大影响。

造成库坡渗漏主要有两个原因，其一是生活垃圾中含有玻璃、陶瓷等尖锐物品，在堆填过程中，容易刺穿库坡防渗结构;其二是由于库坡的防渗结构在堆填垃圾前一直是临空的，时间一长导致防渗结构脱离基础层。鉴于库坡防渗结构出现破坏的原因，应加强对库坡防渗结构的表面保护(在防渗结构面上堆码袋装土)和上部锚固可靠性检测。

2. 固体废弃物填埋场衬里的水力缺陷及愈合试验

目前，实验室内大型直剪试验、扭剪试验和斜板试验等材料界面剪切特性研究的常规试验方法，往往只能在一次试验中研究单一界面的强度，对于多层材料组成的复合界面强度研究的试验尚处于探索阶段。本节将基于近些年来国内外学者在该方面的探索成果进行简要综述。

2.1直接剪切试验

因设备简单、普及性强，直剪试验和拉拔试验最早用于研究土工合成材料—土界面强度特性的试验研究。但是，这些试验方法难以考虑垃圾填埋场实际运行条件，诸如运行期间场内的应力变化、渗滤液或降雨入渗导致复合层中粘土含水率变化对强度的影响等。因此，这些试验方法只适用于一定的室内试验条件，其结论在工程实践中的实用性和可靠性均有待提高。

考虑到在垃圾填埋场实际运行过程中，复合衬里层中的材料/GCL中的膨润土层会随着垃圾场的运行呈现逐渐饱和的趋势，这将涉及到非饱和土力学范畴。因此，在研究复合衬里层界面强度时，直剪试验装备进行了改进，在剪切过程中，可利用安装在界面附近的微型孔压传感器测量孔隙水压力的变化，以达到从有效应力原理和非饱和土力学的角度分析界面强度的目的。

试验中除了引入微型孔压计外，还分别进行了不同含水量或不同干密度GCL（膨润土）的直剪试验，以模拟研究复合衬里层在填埋场运营过程中的破坏机制。研究结果表明，负孔压对界面抗剪强度的变化有十分重要的影响，并且界面剪切破坏机制受法向应力水平控制。在较低的法向应力作用下的剪切过程中，土颗粒在土工合成材料的表面滑动；随着法向应力增加，土颗粒嵌入土工合成材料内，在剪切力作用下颗粒在土工材料表面既存在滑动也具有如犁地一样的刻划作用，致使界面处的摩擦力增大，从而界面抗剪强度增加；当法向应力继续增大时，颗粒的嵌入深度增加，使得其划痕加深。划痕越深，土工材料表面的粗糙度越大。

当法向应力达到一定程度后，当合成材料界面摩擦角大于土内部颗粒之间的摩擦角时，潜在剪切破坏面会从合成材料界面处转移到GCL的膨润土内部。界面剪切强度的变化是由滑动及犁地式刻划共同作用引起的。研究虽对直剪试验有所改进，但仍未摆脱直剪试验束缚的缺陷，每次试验只能确定一个界面的力学参数，而在实际垃圾填埋场的衬里或封盖系统中是多界面同时承受外界因素的影响，因此传统试验不能满足多界面同时受力破坏的研究需求。另外，试验中所采用的微型孔压计只适用于30kPa以内的吸力量测，使得在对饱和土样进行试验时只能使用非粘性土样，致使不能获得粘土在饱和及非饱和状态下与土工合成材料界面的抗剪强度。

2.2环剪试验

试验过程均按照实际填埋场运营期间的应力条件，对不同含水率试样分别施加不同法向应力，使试样在0.015mm/min的变形速率下剪坏，获得了不同条件下剪应力—剪切位移关系和剪切强度—GCL膨润土含水率的关系。研究结果表明：底部复合衬里系统的剪切破坏面分布与法向应力的大小有关。

根据法向应力的大小，可分为三种破坏模式：在较低的应力水平下，破坏面位于GCL无纺土工布—土界面；随着应力增大，破坏面转移到糙面土工膜—GCL有纺土工布界面；当法向应力大于300kPa时，破坏面发生在GCL膨润土内部。试样在较大法向应力下剪切时，还可以观察到GCL层的水化膨润土侵入附近的土工织布内，而且侵入量随法向应力的增加而增大。

当破坏面位于GCL无纺土工布—土界面和GCL膨润土内部破坏时，可以观察到无纺土工布部分纤丝和加筋纤维被拉出、拉扯的现象，这将极大地降低GCL的内部抗剪强度。复合封盖系统剪切破坏面的分布与GCL内膨润土的水化程度或含水率有关。当膨润土含水率较低时，破坏面位于GCL—下覆土层界面；当膨润土含水率大于50%时，破坏面发生在糙面土工膜—膨润土界面。可见破坏面的转移与膨润土含水率有关，即压实粘土水化程度增加，导致粘土强度降低，进而引起破坏面由GCL—下覆土层界面向糙面土工膜—膨润土界面转移。

参考文献:

［1］(GB50869－2013)生活垃圾卫生填埋处理技术规范［S］．北京:中国计划出版社，2013．

［2］中国环境保护产业协会城市生活垃圾处理委员会．我国城市生活垃圾处理行业2017年发展综述［J］．中国环保产业，2017(4):9－15．