隔水帷幕技术在非正规垃圾填埋场治理中的工程应用

王志高 谢金亮 郝建青 侯矗岳

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

在我国，垃圾填埋场主要分为正规垃圾填埋场和非正规垃圾填埋场两种类型。正规垃圾填埋场，即垃圾卫生填埋场，是按照国家相关标准规范建设和运营的垃圾填埋场；非正规垃圾填埋场一般是利用自然条件堆填，未按照相关标准规范进行设计和建设的生活垃圾填埋场所[1]。非正规垃圾填埋场的主要特征是基本上没有设置任何环境保护措施，也无建设和使用标准，对环境的污染危害程度较高[2]。

截止2008年底，北京市垃圾填埋量在200 t以上的非正规垃圾填埋场共有1 011处，这些垃圾填埋场主要以生活垃圾和建筑渣土为主，垃圾总量约8 000万t[3]。据不完全统计，截至2013年底，国内21个省计划共治理非正规填埋场1 236座，垃圾总量约3.212 6亿t。非正规垃圾填埋场极大地危害了生态环境，必须尽快对其进行修复治理。

1 非正规垃圾填埋场的治理

1.1 非正规垃圾填埋场的危害

非正规垃圾填埋场都没有采取防渗系统、导气系统和封场覆盖系统等环境保护措施，对填埋场周边的大气、水、土壤环境和社会环境等产生了较大的污染和影响，主要危害如下：

1)填埋垃圾发酵降解会产生大量的恶臭气体和可燃气体，造成了大气污染和安全隐患，如填埋垃圾产生的甲烷与空气混合比达到5%～15%时，极易引发爆炸和火灾事故。

2)填埋垃圾在发酵降解作用、降水淋滤作用、或地表水和地下水浸沥作用下，将产生出高浓度的渗滤液，渗滤液将会对地下水体产生长期的污染危害。

3)填埋垃圾中含有大量污染物质和有害微生物，它们会对土壤环境和农作物生长构成严重威胁[4]。

4)非正规垃圾填埋场大多是自发填埋建设的，随意性较大，在很大程度上占用了更多的土地资源，造成了土地资源的浪费。

5)非正规垃圾填埋场大都无法进行规范的运营和维护，填埋区垃圾大量暴露、填埋场周边臭味弥漫、蚊蝇滋生，对城镇的形象产生了不利影响[5]。

1.2 非正规垃圾填埋场的治理技术

目前，非正规垃圾填埋场的治理技术主要有搬迁减量技术、好氧稳定化技术、原位封场治理技术等。治理技术的选择，应根据垃圾填埋场的危害风险等级、垃圾污染源控制、垃圾污染途径阻断、填埋场土地利用、经济效益和社会效益等不同要求进行确定。

1.2.1 搬迁减量技术

根据对垃圾填埋物是否进行处理利用，搬迁减量技术分为整体搬迁减量技术和处理后搬迁减量技术。搬迁减量技术的优点是对垃圾填埋物污染危害的治理较为彻底。

1)整体搬迁减量技术。不考虑填埋垃圾的成分和利用等因素，将已经填埋的垃圾全部开挖，然后搬运至正规垃圾填埋场或垃圾焚烧发电厂进行规范化处置。此技术没有考虑垃圾的综合利用、浪费了部分有用资源，治理和处置成本也较高。

2)处理后搬迁减量技术。根据垃圾的成分情况采用相应的处理措施，对其中的轻质可燃筛上物、筛下腐殖土、无机骨料等进行综合利用，对无利用价值部分运送至正规垃圾填埋场进行填埋处置。此技术实现了垃圾资源的回收利用，但治理工程量较大、投资额高，综合利用过程中也会对环境产生不利影响。

1.2.2 好氧稳定化技术

好氧稳定化技术是通过在垃圾堆体中设置注气井、注液井及抽气井，向垃圾堆体内注入空气，并将收集的渗滤液和其他液体回注至垃圾堆体内，使堆体中有机物在适宜的含氧量、温度、湿度条件下，经好氧微生物作用快速降解，缩短垃圾分解时间，从而使垃圾堆体最快达到稳定化[6-7]。

1)好氧稳定化技术优点：垃圾降解速度快，使填埋场尽早进入稳定化状态；垃圾中有机物好氧处理的产物是CO2、H2O等，减少甲烷气体和恶臭气体的产量，有利于降低气体爆炸风险，减少恶臭；渗滤液在垃圾堆体内循环，可减少渗滤液产量和渗滤液中的污染物含量，降低处理难度和处理费用，也有助于垃圾降解。

2)好氧稳定化技术缺点：垃圾堆体达到稳定化程度的时间较长，一般需要3～4年，甚至更久；污染治理不彻底，稳定化后的垃圾堆体中仍有少量的有机质、渗滤液和填埋气体等；治理工程费用较高。

1.2.3 原位封场治理技术

原位封场治理技术是通过对垃圾堆体进行边坡整形，修建坡面平台、马道、截水沟、排水沟，并建设渗滤液定向收集导排系统、填埋气体收集处理系统，然后对垃圾堆体进行封场覆盖及植被恢复，最终达到消除垃圾堆体安全隐患及产生的臭味，减少渗滤液产生量，控制填埋气体及渗滤液对周边环境的污染，改善场区景观，恢复生态的目的[8-9]。

原位封场治理技术的优点是施工工期短、见效快、费用低，操作比较容易，建成后可减少对周围环境造成的污染，土地资源可得到开发利用；其缺点是渗滤液污染虽然可以得到有效控制，但短期内还会有少量渗沥液渗入地下和横向迁移。

2 垃圾填埋场中的隔水帷幕技术

隔水帷幕是用于阻截或减少基坑侧壁及基坑地下水流入基坑而采用的连续隔水体[10]。实际上，隔水帷幕相当于垃圾填埋场中的垂直防渗帷幕。

2.1 应用隔水帷幕技术的优势

隔水帷幕技术在非正规垃圾填埋场治理中可以有较多的应用。

1)在搬迁减量技术中，如果垃圾填埋场所在区域地下水贮存较为丰富，且垃圾填埋土已经侵入到地下含水层中时，最好采用隔水措施。隔水帷幕可有效阻止垃圾填埋场与周边地层之间的水力联系，减少垃圾填埋场内渗滤液污染的扩散。在治理时的开挖筛分施工中，大大减少了地下水和渗滤液的抽出量，降低环境治理费用。

2)在好氧稳定化技术和原位封场治理技术中，隔水帷幕可以阻止垃圾填埋土、渗滤液与填埋场周边土层和地下水的联系。一方面可有效减少垃圾填埋场的污染范围；另一方面也为垃圾填埋场提供一个更加独立封闭的稳定化空间，加速填埋场的稳定化速度。

2.2 隔水帷幕技术的适用范围

1)垃圾填埋土种类。如果垃圾填埋场不是以生活垃圾为主，没有必要进行隔水帷幕处理；只有存在大量垃圾渗滤液产生的填埋场，才适合采用垂直防渗帷幕技术。

2)地层类型。当垃圾场底部土层是由散体颗粒状的砂、砾、卵石、碎石等组成的透水性较强的砂质地基透水层时，不适合采用隔水帷幕的方式处理；垃圾底部如果位于裂隙发育区或灰岩区，也不适合采用隔水帷幕的方式处理；如果垃圾场底部是防渗效果较好的黏土层，则可以考虑采用隔水帷幕的方式处理。

3)土层厚度。如果垃圾场底部土层是黏性土层，则可视土层厚度而定；如果黏性土层上部土层超过40 m时，则不建议采用帷幕防渗的方式，因其造价昂贵，施工质量难以控制，不利于工程实施。

2.3 隔水帷幕的分类

岩土工程中的隔水帷幕大致可分为三类：利用围护结构本身形成隔水帷幕，如地下连续墙、SMW墙和重力式挡墙；独立设置隔水帷幕，如注浆帷幕、搅拌桩帷幕以及冷冻墙帷幕；围护结构和结构间隔水帷幕联合形成隔水帷幕，如灌注桩+旋喷桩、灌注桩+搅拌桩、钻孔咬合桩等[10]。

非正规垃圾填埋场多位于城市的郊区及城镇边缘处，周边环境简单，无重要的建筑物等。因此，非正规垃圾填埋场治理中的隔水帷幕多采用注浆帷幕、搅拌桩帷幕等独立设置隔水帷幕。隔水帷幕又分为悬挂式帷幕和落底式帷幕。为了减少垃圾填埋土和渗滤液的污染范围，非正规垃圾填埋场治理中的隔水帷幕多采用落底式帷幕。

2.4 落底式帷幕插入深度和墙体厚度的计算

1)落底式竖向隔水帷幕应插入垃圾填埋场下卧不透水层中，其插入深度宜按式(1)计算，且不宜小于1.50 m[11]：

l≥0.2Δhw-0.5D

(1)

式中：l——帷幕进入隔水层的深度，m；

Δhw——基坑内外的水头差值，m；

D——帷幕的墙体厚度，m。

2)隔水帷幕墙体厚度D可按式(2)计算，并应结合施工要求综合分析确定[12]：

(2)

式中：ΔH——上下游水头差，m；

J允——墙体材料的允许比降。

非正规垃圾填埋场周边地层一般受扰动较大，导致隔水帷幕的施工区域分布有深厚的填土，甚至局部区域还会有生活垃圾和建筑垃圾等，这些会大大影响隔水帷幕的施工质量和工程成本。因此，如何解决填埋场的深厚填土问题，也是隔水帷幕技术应用中的一个关键环节。

3 隔水帷幕技术的工程应用

3.1 工程概况

1)某非正规垃圾填埋场位于北京市大兴区，所在区域位于永定河冲积扇中下部，场地内地势较为平坦。自然地面以下40 m深度范围内地层岩性以粉土、黏性土和砂土为主，主要分布2层地下水，含水层岩性以中细砂为主；填埋场东侧紧邻一公路，周边其他区域为耕地、土路和小型建筑物；场地中部分布有一积水坑塘。该非正规垃圾填埋场原为采砂坑，停止采砂后于2002年左右开始填埋垃圾，垃圾成分主要为生活垃圾和建筑渣土，填埋方式为混合填埋。

2)该非正规垃圾填埋场在勘查时共划分为5个区，即生活垃圾土填埋区(A区)、混合垃圾土填埋区(B区)、混合垃圾土浸泡区(C区)、建筑渣土填埋区(D区)和其他填埋土填埋区(E区)，具体划分情况如图1所示。本垃圾填埋场拟采用处理后搬迁减量治理技术，即开挖筛分治理技术。治理范围为A区、B区和C区，面积为90 815 m2，占勘查区总面积的21%。

3)场地自然地面平均标高为26.40 m，垃圾土埋深1.80～15.00 m，垃圾土底板标高为11.81～24.62 m。垃圾土周边的地层岩性以粉土、黏性土和中细砂为主，垃圾土底板下卧层为2.60～9.00 m的黏性土层。垃圾土与周边地层的关系如图2所示。

图1 非正规垃圾填埋场的勘查分区图

图2 垃圾土与周边地层的关系

4)积水坑塘水面标高为22.97 m，渗滤液水位埋深在4.00～7.00 m之间，水位标高在19.32～21.51 m之间(靠近积水坑塘的个别区域渗滤液水位标高为22.62 m)。填埋场周边地层共分布2层地下水，第1层地下水为潜水，埋深为5.53～7.81 m，标高为18.83～19.64 m，3～5年最高水位标高为22.00 m；第2层地下水为承压水，水位埋深为7.40～9.80 m，水位标高16.91～18.56 m。

3.2 隔水帷幕的设置

3.2.1 采用隔水帷幕技术的必要性

坑塘积水与填埋区垃圾土及周边土层主要通过垃圾或砂类土直接接触，其间存在较密切的水力联系，且坑塘积水补给渗滤液和地下水。垃圾填埋土已侵入到第1层含水层中，产生了大量的渗滤液，并污染到填埋场周边的地下水。

当垃圾填埋场采用开挖筛分治理技术时，若不采取止水措施，将大大增加地下水的抽出量，同时也加剧了垃圾土和渗滤液污染的扩散。基于环境保护要求，抽出水均需处理达标后排放，由此将增大填埋场治理经济成本。综合考虑，该垃圾填埋场治理采取隔水帷幕技术。

3.2.2 隔水帷幕的设置情况

本填埋场内分2个区段设置隔水帷幕，Ⅰ-Ⅰ区段隔水帷幕深度为15.50 m，Ⅱ-Ⅱ区段隔水帷幕深度为18.00 m；隔水帷幕中心线布置如图1示。隔水帷幕选用高压旋喷桩，设置两排，桩径800 mm，桩间咬合250 mm，两排桩间相互咬合250 mm，墙体厚度为1.057 m，桩身进入填埋土之下的相对隔水的黏土层中，且不小于1.50 m。

为了避免高压旋喷桩在垃圾土和填埋土中成桩，影响隔水帷幕的效果，填埋区先进行一级边坡开挖，再进行高压旋喷桩的施工，桩顶标高为22.00 m，成桩范围内均为自然土层。隔水帷幕桩的地层概化图如图3所示。隔水帷幕桩施工完成后，进行垃圾土填埋区内的降水施工；然后进行二级边坡开挖，至填埋土底板标高。

图3 隔水帷幕桩地层概化图

4 结术语

非正规垃圾填埋场的治理技术一般包括搬迁减量技术、好氧稳定化技术、原位封场治理技术等。搬迁减量技术属于异位修复技术，好氧稳定化技术和原位封场治理技术属于原位修复技术。异位修复技术对污染的治理较为彻底，但成本较高，同时又在受纳处增加了新的污染源；原位修复技术相对易于操作，成本适当，但污染治理不彻底。

通过工程应用详述了隔水帷幕技术在垃圾填埋场搬迁减量治理中的适用性，有效阻止垃圾填埋场与周边地层之间的水力联系，减少垃圾填埋场内垃圾土和渗滤液对周边地层污染的扩散，也可为垃圾填埋场提供一个更加独立封闭的稳定化空间，加速填埋场的稳定化速度等。隔水帷幕技术在非正规垃圾填埋场治理中有着较多的应用，但隔水帷幕技术也有其适宜性，隔水帷幕应用的基本条件是垃圾填埋场底部要有合适的防渗性较好的黏性土层。