谈城市垃圾填埋终场封顶覆盖层

王 嵩

(昌黎县建设局，河北秦皇岛 066600)

0 引言

城市固体废弃物(Municipal Solid Waste，简称MSW)指城市居民日常生活中所产生的固体废弃物，也称城市垃圾[1]。集中填埋是我国城市垃圾处理的主要方式之一，目前我国城市垃圾年产量以每年8%～10%的速度在递增[2]。城市垃圾(MSW)的处理方法主要分为填埋法、焚烧法和堆肥法，而填埋法是我国目前以及将来较长时期内处理城市固体废弃物垃圾的主要手段。

现代典型的城市固体废弃物卫生填埋场剖面见图1，其主要包括以下部分:衬垫系统、渗滤液收集与导排系统、填埋气收集与利用系统、封顶覆盖系统等。其中封顶覆盖层位于填埋场表层最顶部，它是填埋场封顶覆盖的最后一道屏障，就像填埋场的“皮肤”，其性能直接影响堆场内填埋体状态、环境污染和填埋场运营成本。

其具有以下功能:

1)减少、避免降雨或其他水源(地表水等)入渗进填埋场，导致填埋体内水位壅高，渗滤液产量显著增加而诱发填埋体失稳和加剧污染物的扩散。

2)减少、消耗或收集甲烷等有害气体，避免填埋气无组织释放，提高填埋气收集系统气体收集效率。

3)切断病源的传播媒介以减轻对填埋场附近居民生活的影响。

4)上覆耕植土提供植物生长所需基质和场所，进行填埋场生态修复。

图1 卫生填埋场典型结构图[1]

1 覆盖层发展历程

垃圾填埋场终场覆盖层已有30多年发展历史，其经历了简易覆土→压实粘土覆盖层→复合覆盖层(由土工膜和压实粘土组成)→基于水分储存—释放原理的土质覆盖层的发展阶段[2]。从发展历程看最初的简单覆土出现于1975年，严格来说不算终场覆盖层，总结起来覆盖层的发展实质分为三个大的阶段:

1)压实粘土覆盖层。

利用压实粘土渗透性较低的性质而减少降雨入渗。

2)复合覆盖层。

在多层复合覆盖层中添加土工膜、GCL等土工复合材料以降低覆盖层渗透性取得较好效果。

3)腾发覆盖层。

基于水分储存—释放原理的腾发型土质覆盖层-Evapotrans Pirative cover(ET cover)腾发覆盖层的概念最早由Hauser于1994年提出。其工作原理与吸水海绵类似，降雨时上部细粒土存储进入覆盖层的水分;非降雨时段通过种植植物的蒸腾作用与土体蒸发作用(合称腾发作用)释放水分以恢复覆盖层储水能力。目前经建设部颁布的国家标准CJJ 17-2004城市生活垃圾卫生填埋技术规范[3]中建议采用的覆盖层属于第一、二个发展阶段，其中规定封场覆盖可采用压实粘土覆盖结构或添加土工材料的复合覆盖层。

2 压实粘土覆盖层

1975年，西方发达国家开始应用压实粘土覆盖层作为填埋场的终场封顶系统，起初形式为一简单的覆土，之后为达到绿化效果开始在覆土上增设30 cm～50 cm的植被层并达到保护压实粘土的目的。其利用粘性土渗透性低(Ks＜1.0×10－7cm/s)来构成降雨屏障作用，减小、阻隔或降低雨水入渗，典型的压实粘土覆盖层结构见图2。

压实粘土覆盖层在世界各国已有广泛应用，如欧洲和美国等。其中美国国家环保局USEPA的Resource Conservation and Recove Art(RCRA40CFR258.6oa)SubtitleD[5]规定的城市生活垃圾(MSW)填埋场终场覆盖层最低要求结构为:不小于10 cm的表层植被层(保护层)，下覆压实粘土层(核心防水功能层)厚度不小于45 cm且饱和渗透系数小于1.0×10－5cm/s的见图3。

建设部2004年CJJ 17-2004规范也做了相应的规定:填埋场终封场覆盖可选用粘土覆盖层和包含人工材料组成的复合覆盖结构。粘土覆盖结构中植被层采用营养耕植土，厚度不应小于15 cm(如图4所示)。采用粗粒或者多孔材料作排气层，厚度应不小于30 cm;防渗粘土层的厚度应为20 cm～30 cm，渗透系数不应大于1.0×10－9m/s，排水层的厚度建议值为 20 cm ～30 cm，采用粗粒或多孔材料。

图2 压实粘土覆盖层结构

图3 美国填埋终场压实粘土覆盖层

填埋场实际运营结果表明:压实粘土早期的渗透性较低，但长时服役后粘土层经历干湿交替作用后防渗效果锐减，渗透系数比初始建造时的高达3个数量级。如美国缅因州垃圾整治与管理局对Cumberland，Vassalboro等垃圾填埋场压实粘土覆盖系统在服役过程中防渗性能的逐步劣化和失效过程做了长期评估报告。Cumberland垃圾填埋场覆盖系统上覆15 cm厚的植被表土层，下覆45 cm厚的压实粉质粘土作核心屏障防水层，1992年建造时，测得粘土屏障层水力传导度为5×10－8cm/s;而1994年实验室测得该屏障层水力传导度为2×10－7cm/s，现场测得水力传导度为1×10－6cm/s，经过试验监测得出压实粘土易发生开裂且这种开裂不可自我修复(见图5)。

3 复合覆盖层

为改善压实粘土在服役过程中因开裂而防渗性能逐渐降低的情况，随后采用“堵排结合”的思想在压实粘土覆盖层中添加土工织物、土工膜等人造土工复合材料而出现了基于多层复合防渗设计的复合覆盖层。

其防渗原理如下:用压实粘土和土工膜等不透水材料共同形成核心防水屏障，为抵抗底部垃圾的不均匀沉降以及增加土工膜与土层之间的稳定性加入了部分土工织物，这样在覆盖层中构建了以粘土层和土工膜为核心的多层防渗体系，典型的复合覆盖层结构如图6所示。

目前复合覆盖层应用较广泛，欧美各国以及我国均有应用。复合型覆盖层相对粘土覆盖层防渗效果要好，但其工程造价较高且不同材料之间的界面失稳问题严重。由美国国家环保局(PEA)管理的40CFR(Code of Federal Regulation)条款中，子章D对城市固体废弃物(MSW)填埋场的封顶覆盖做了明确要求，EPA建议的封顶覆盖层结构由下到上主要包括隔水层、排水层和防侵蚀保护层，三部分见图7。建设部2004年CJJ 17-2004规范中人工材料覆盖结构如图8所示。其对于人工材料覆盖结构规定:复合覆盖层包括排气层，排水层以及核心隔水层等。

对复合覆盖层长期性能的研究表明防渗效果较好，但添加的多层人工材料之间存在界面软弱滑动失稳问题凸显，且工程成本增加明显、造价相对较高。Stefan Melchior，Volker Sokollek 等人[7]对复合覆盖层做了长时的监测试验，试验结果表明1988年～1991年，1991年～1997年和1999年～2005年三个时间段年覆盖层防渗效果均较好，在18年的长时监测过程中仅有6 mm的渗漏量，但文章也指出对于复合覆盖层内土工膜—土等不同界面间失稳老化问题、添加的人工材料与覆盖层长期性能有待实践检验。钱学德，郭志平等[1]指出封顶系统复合覆盖层不同材料间的稳定问题可参照无限长斜坡稳定分析法。

4 土质腾发覆盖层

压实粘土与复合覆盖层均在表层种植了植被，目的是为防止雨水冲蚀覆盖层核心功能层土壤和改善环境以达到绿化效果。Nyhan等研究覆盖层植草条件下填埋场水量平衡时发现草皮蒸腾耗水强度远大于裸土蒸发强度，之后Hauser等[8]探讨了影响植物蒸腾因素和意义并最早提出腾发覆盖层的概念，目前腾发性土质覆盖层英文中一般称为Evapotrans Pirative cover(ET cover)或Altemative Earthen Final Covers(AEFCs)等。

图9为一典型的腾发型土质覆盖层，与传统覆盖层相比，其没有防水屏障层而主要由植被层和储水能力较好的细粒土等天然土料组成。其防渗核心理念是利用细粒土体作为一个水库，允许降雨入渗土体后将降水储存，之后通过腾发作用耗散水分。其中细粒土在降雨时段利用自身良好的储水能力作为“动态水库”储蓄自然降水，而非降雨时段植被则利用其腾发作用抽空排干细粒土中的储水。通过合理设计，能够在旱—雨季交替变化中实现存储—释放水量平衡循环过程，从而减少水分透过覆盖层进入填埋体的渗漏量，土质腾发覆盖层的造价相对较经济。

土质腾发覆盖层在西方已有大量研究开始逐步应用。Benson[9]针对美国各气候区的封顶系统进行了数值模拟并与现场实测数据进行对比验证了数值计算的准确性，得出腾发作用是其主要的水分散发途径。Kristopher D，Dary F等[10]采用大型蒸渗仪在美国俄亥俄州进行了为期一年的腾发覆盖层监测试验，得出植被宜选用当地成熟的灌木和草本植物混种，灌木在草类植被凋零季节(如冬季)也能发挥较强的蒸腾作用，植物更适合当地气候。Stefan Melchior等[7]对德国Testingof填埋场进行了18年的现场监测，在1988年～1991年间累计降雨808 mm，腾发作用蒸散量485 mm，覆盖层未发生渗漏，1992年 ～1998年间累计降雨894 mm，腾发作用量达503 mm，渗漏量仅约16 mm，防渗效果较好。截止目前国内鲜有关于土质腾发性覆盖层实际应用情况方面的报道，基本集中于研究试验阶段。刘川顺[11]、王康[12]以地表流量边界，用数值方法研究了腾发覆盖层在武汉地区的尺寸等。詹良通、张文杰等[13]分析了1年内填埋场腾发式覆盖系统中水分运移和分布情况，陆海军，栾茂田等[14]对腾发覆盖层的系统水量平衡情况进行了数值分析并与传统压实粘土和复合覆盖层做了对比，其水量分配与传统阻隔型覆盖层有着明显的优势。他们的研究结果显示腾发型土质覆盖层具有良好的应用前景。

5 结语

封顶覆盖层位于垃圾填埋场顶部，与填埋场其他结构层相比厚度较小，但与周边大气环境等具有复杂的相互作用。一方面封顶覆盖层自身水气运移复杂;另一方面覆盖层底部填埋体不均匀沉降以及填埋气气压分布不均对覆盖层也会产生不利影响而削弱覆盖层防渗效果。作为填埋场的最后一道屏障，其就像填埋体的皮肤，防渗性能直接影响MSW堆场内填埋体状态、环境污染和填埋场运营成本，因此要求封顶覆盖层必须要具备良好防渗功能的同时必须又要具有优良的耐久性以保证其长期服役。在众多填埋场覆盖层中，土质腾发覆盖层的造价和防渗效果以及耐久性等方面显示出了极好的性能，是垃圾填埋场覆盖层发展的重点方向。

[1]钱学德，郭志平，施建勇，等.现代卫生填埋场的设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[2]贾官伟.固废堆场终场土质覆盖层中水分运移规律及调控方法研究[D].杭州:浙江大学，2010.

[3]CJJ 17-2004，城市生活垃圾卫生填埋技术规范[S].

[4]CJJ 176-2011，生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范[S].

[5]EPA，Subtitle D Clarification，in 40 CFR 257 ＆ 258[S].1992:28626-28632.

[6]Melchior S.In situ studies of the performance of landfill caps(compacted soil liners，geomembranes，geosynthetic clay liners，capillary barriers)[J].Land Contamination ＆ Reclamation，1997，5(3):209-216.

[7]Stefan Melchior，Volker Sokollek，Klaus Berger，et al.Results from 18 Years of In Situ Performance Testing of Landfill Cover Systems in Germany.Journal of environmental engineering，2010:815-823.

[8]Hauser V L，Weand B L，Gill M D.Natural covers for landfills and buried waste[J].Journal of Environmental Engineering，2001(127):768-775.

[9]Benson C H.Modeling Unsaturated Flow and Atmospheric Interactions.Theoretical and Numerical Unsaturated Soil Mechanics，Springer Berlin Heidelberg，2007:187-202.

[10]Kristopher D.Barnswell，Dary F.Dwyer.Assessing the Performance of Evapotrans piration Covers for Municipal Solid Waste Landfills in Northwestern Ohio Journal of environmental engineering，2011:301-306.

[11]刘川顺，赵 慧，罗继武.垃圾填埋腾发覆盖系统渗沥控制试验和数值模拟[J].环境科学，2009，30(1):289-296.

[12]王 康，刘川顺，王富庆，等.腾发覆盖垃圾填埋场覆盖层机理试验研究及结构分析[J].环境科学，2007，28(10):2307-2314.

[13]张文杰，邱战洪，朱成仁，等.长三角地区填埋场ET封顶系统的性能评价[J].岩土工程学报，2009，31(3):384-389.

[14]陆海军，栾茂田，张金利.垃圾填埋场ET封顶的系统水量平衡数值分析[J].大连理工大学学报，2009，49(6):913-918.