山谷型垃圾填埋场地下水的影响与控制

垃圾填埋场按场址地形可分为山谷型、平原型和坡地型，我国城镇垃圾填埋场以山谷型居多。一方面，选择“两山夹一沟”的山谷建设填埋场，可利用自然形成的库容，容易满足库容和使用年限要求。另一方面，相对于可耕土地，山地的经济价值相对较低、远离居住区，土地更容易获得。但从工程条件来看，山谷型填埋场并不是最优的选址[1]，存在一些不利因素，如易受山洪威胁、堆体存在失稳风险、垃圾运输及施工难度大等。此外，山区地下水对填埋场的安全也存在一定的影响。在填埋场建设中，常常更关注如何控制填埋场对地下水的污染，而对地下水给填埋场带来的影响往往重视不够，特别是山谷型填埋场地下水具有赋存量小、水深浅等特点，在设计和建设中更容易被忽略。此外，山谷型填埋场建设会改变原有地下水补、径、排条件，实践证明，如果忽视地下水的影响，可能出现安全问题。因此，应在设计和建设中采取有效的地下水控制措施以保证安全。

本研究根据辽宁等地区山谷型垃圾填埋场建设和运行经验，分析地下水浮力和土力学性能改变所带来的填埋场安全问题，探讨采取地下水导排盲沟、导流层等措施，有效控制地下水对填埋场影响的方法。

1.山谷型填埋场场址水文地质条件特点

我国幅员辽阔，不同地域的山区水文地质条件各有特点。以辽宁省为例，全省总体地势北高南低，山地丘陵位列东西两侧，广阔的辽河平原居于腹部。辽东山区山势较陡、土层较厚、植被良好，岩体以古老的变质岩和花岗岩为主、风化裂隙发育，地下水为第四系沉积物孔隙潜水和风化带裂隙水；辽西山区以低山丘陵地貌为主，沟谷多、植被少，水土流失严重，岩体为中生代火山岩与碎屑岩，地下水类型为碎屑岩孔隙裂隙水和基岩风化带裂隙水；辽北地区低丘波状起伏，丘陵和盆地相间、地势平缓，松散岩层中含孔隙水。大气降水是山区地下水的补给来源，降水沿岩石裂隙下渗汇集成地下径流，以潜流或泉水的形式注入河流。

山谷型垃圾填埋场一般为“两山夹一沟”的地貌形态，是相对独立的水文地质单元。从地貌来看，有的边坡较陡，沟谷较窄，呈V字形；有的边坡较缓，沟谷开阔平缓，呈U字形。从地质条件来看，基岩风化带裂隙一般较大，第四系覆盖层为坡积型、洪积型，边坡较浅，粗颗粒较多，有的地方基岩裸露；沟谷沉积物较厚，一般以黏土、粉质黏土的细颗粒为主。从地下水的赋存条件来看，东部山区降雨量较大，植被良好，地下水较丰富，埋藏较浅，在坡脚或沟谷多存在泉涌；西部山区降雨量小，地下水主要为碎屑岩裂隙水，排泄条件好，枯水期一般无地下水。

2.山谷型填埋场地下水的影响

山谷型垃圾填埋场多在沟口修建垃圾坝并利用山体合围成填埋库区，在库区场底和边坡铺设人工防渗层。同时，为保证边坡稳定和便于防渗膜的铺设，需要对场底和边坡进行一些开挖和修整，山谷的地貌也会随之发生一定的改变。典型的山谷型填埋场纵剖面，如图1所示。

图1 山谷型填埋场纵剖面示意图

由于土方清整和筑坝会改变原有的地下水补、径、排条件，导致原有的局部地下水位及泉眼位置发生变化，此时如果地下水疏导不畅，会对填埋场带来以下几个方面的影响：

（1）对场底防渗层的影响

对场底防渗层的影响易出现在下游沟谷位置（垃圾坝附近），原因在于这个区域标高最低、地下水水位较浅，开挖可能导致场底标高下降、水位升高。潜水主要受大气降水补给，水位变化较大，暴雨期间水位上升、水量增加，沟口平缓区域水位可能上升至填埋场场底标高以上。如果地下水导排不畅，在地下水浮力作用下，可能造成HDPE膜的隆起、开裂，进而导致GCL的失效。

（2）对边坡稳定性的影响

山谷型垃圾填埋场边坡可能会失稳、滑坡，造成防渗层的破坏。滑坡的形态有平面滑动和圆弧滑动两大类，山谷型填埋场易发生土层沿基岩面的滑动，该滑动为非弧形滑动，可采用不平衡推力传递法进行边坡抗滑稳定计算，计算公式[2]如下：

式中，Pi、Pi-1为第 i块、i-1块滑体的剩余下滑力；Wi为滑体自重；K为安全系数；φ为土的内摩擦角；c为土的粘聚力；li为滑体沿滑动面的长度。

滑坡推力计算示意图如图2所示：

图2 滑坡推力计算示意图

如果计算结果剩余下滑力Pi≤0，说明该段以上边坡是稳定的。由公式可知，边坡稳定与场址的地形地貌、岩土性质等有关，岩土性质会因地下水（渗流）发生改变。因此，地下水对边坡稳定性造成的影响不容忽视。

山谷型填埋场一般沿库区周边设置截洪沟，截流场外雨水，但截洪沟只能截流地表径流，部分降雨会渗入地下。渗入地下的径流量与植被、岩土渗透性等因素有关，当植被茂盛、土层松散时，截洪沟截流的地表径流量较小，除了植被的蒸腾作用，大部分雨水会形成地下渗流由边坡进入库区底部。地下渗流增加了岩土重量，土体的内摩擦角和粘聚力发生改变，岩土的抗剪强度降低、稳定性下降，暴雨期间容易造成岩土滑坡。边坡开挖可能造成局部泉涌出露，如果排泄通道受阻，渗流压力更容易造成边坡失稳，给防渗层造成破坏。

（3）对渗沥液调节池的影响

调节池一般设置在垃圾坝下游，有土池（铺设HDPE膜防渗）和钢筋混凝土等结构形式。山谷型填埋场一般利用重力流收集垃圾渗沥液，因此，调节池池底标高一般较低，受地下水浮力的影响更大。如果钢筋混凝土池体在设计时忽略了抗浮设计，或在施工时未采取有效的基坑降水措施，可能会造成池体的开裂和渗漏。土池抗浮能力很差，如果地下水未能有效导排，地下水位较高，HDPE膜将会浮起。

3.山谷垃圾填埋场地下水影响的控制方法

填埋场设计和建设前，应对场址水文地质情况进行详细勘测，掌握地下水的赋存形式，地下水的补给、径流、排泄条件，地下水的运动特征及水量变化规律等[3]，并结合库区土方清整、坝体工程设计，评估地下水可能造成的影响。地下水影响控制的主要方法是修建地下水导排系统，其目的首先是对场区地下水进行疏导，避免地下水在场区底部、边坡、坝体等处滞留，有效降低场区地下水水位。根据山谷型填埋场特点，地下水导排系统设计要点主要包括以下几个方面：

（1）地下水导排系统的布置及结构形式

地下水导排系统一般由主盲沟、支盲沟和地下水导流层组成。山谷型垃圾填埋场的形状一般为沿山谷纵向较长、横向较窄。地下径流沿山体两侧向沟谷汇流，在沟谷底部地下径流较为集中，因此，地下水导排主盲沟一般沿山谷纵向铺设。根据场底宽度和水力计算结果，可铺设一条或多条主盲沟。沿主盲沟方向间隔20m～40m设置支盲沟。同时，为保证地下水导排效果、更安全地控制地下水水位，可在场区基础层底部铺设地下水导流层。

导排盲沟一般由HDPE穿孔管外包卵（砾）石反滤层组成。导流层由卵（砾）石铺设而成，粒径20mm～50mm，厚度不小于30cm。导流层和基础层之间铺设200g/m2非织造土工布作为反滤层。

地下水导排系统的具体布置应根据场址的水文地质条件、地下水径流和排泄条件进行设置。同一山谷由于填埋场所处位置的不同，所受地下水的影响情况也不尽相同。如果填埋场位于地势较高的山谷上游，汇水面积小、地下径流排泄条件好，填埋场将不受地下水的影响或影响很小，地下水导排系统可相应地进行简化；相反，若填埋场位于山谷下游，靠近洪积层、冲积层，地下水的影响相对较大，地下水导排系统就应当得到加强。基于此，设计时就不能机械地照搬一个模式布置地下水导排系统，这样不仅可能会造成不必要的浪费，而且会达不到导排效果。

另外，对于边坡地下渗流的影响也应当引起重视。如果边坡地势高、水力坡降大，第四系覆盖层和岩石透水性较好，地下渗流一般将不会由边坡渗出，就不需要设置地下水导排系统。但是，当土层渗透性差，特别是局部形成泉涌时，边坡的地下水导排就显得十分重要。由于边坡铺设HDPE防渗膜，边坡渗水被阻隔，只能导流至场底地下水导排系统。针对这一情况，一般可铺设复合排水网和卵（砾）石盲沟进行导排。其中，采用卵（砾）石盲沟对局部泉涌导排的效果更好。同时，对于透水性差、易塌陷的淤泥土，可更换填透水性较好的材料。山谷型填埋场地下水收集系统的做法，如图3所示。

图3 山谷型填埋场地下水收集系统典型断面图

（2）山谷型填埋场地下水导排系统的水力计算

《生活垃圾卫生填埋技术规范》 （GB50869-2013）规定，地下水水量的计算宜根据填埋场址的地下水水力特征和不同埋藏条件分不同情况计算，计算方法可参照《建筑基坑支护技术规程》 （JGJ120-2012）附录E“基坑涌水量计算”。此方法比较适合场底面积大、场底位于地下水位下的平原型填埋场。山谷型填埋场一般通过盲沟导排地下水，可参照给水工程中无压含水层渗渠计算公式，其包括完整式渗渠和非完整式渗渠。计算公式如下：

式中，Q为渗渠出水量(m3/d)；K为渗透系数 (m/d)；R为影响半径 (m)；L为渗渠长度(m)；H为含水层厚度 (m)；h0为渗渠水位距含水层底板的高度(m)。

设置地下水导排盲沟的主要目的在于收集地下水，降低填埋区底部地下水水位。《生活垃圾卫生填埋场污染控制标准》 （GB16889-2008）规定，地下水导排系统应确保填埋场的运行期地下水水位距离填埋区基础层底部1m以下。应用上述公式通过计算来确定地下水导排盲沟的管径、标高，以满足上述规定。通常地下水导排干管外径不小于250mm，支管外径不小于200mm。

4.山谷型填埋场地下水影响与控制案例分析

（1）桓仁县垃圾填埋场

桓仁县位于辽宁省东南部，垃圾填埋场一期工程于2007年建成，二期于工程2014年完成。场址位于地势较高、起伏较大的山谷。场址基岩为安山岩和凝灰岩，第四系松散堆积物主要为坡积层，厚度为3m～6m，主要为碎石土、黏土。地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水，孔隙潜水埋藏于山坡下部和沟底覆盖层内。

一期工程沿沟底纵向设计了地下水导排盲沟。施工开挖时发现垃圾坝坝址处东侧山体存在泉涌，由于征地限制坝址无法移位，所以在坝址东侧增加了下水导排支盲沟，将泉水导排到下游，一期工程运行至今坝体未出现问题。但库区东侧边坡出现局部坍塌、防渗膜接口开裂的现象，经现场勘查以及结合地质条件分析，本场址第四系沉积物以黏土为主，渗透性差，局部易形成泉涌。由于设计和施工中未对边坡泉涌进行导排，暴雨期间径流量增大，造成边坡坍塌、防渗层破坏，后又增设了碎石盲沟将泉涌导排至场底主盲沟，处理后边坡至今未出现问题。

（2）黑山垃圾填埋场

黑山县位于辽宁省西部，垃圾填埋场于2011年建成，地处该县北部的尖子山南侧坡地。填埋库区利用坡地两条自然冲沟开挖而成，地表土层较厚，以粉质黏土为主，基岩为凝灰岩、砂岩、花岗岩，风化程度高，地下水为基岩裂隙水，坡脚平缓地带为上层滞水。

库区北侧开挖遇风化岩，局部裂隙出现渗水，设计采用碎石盲沟进行导排。西北侧按设计库区边界对现状冲沟上游进行了回填。2012年夏季辽宁地区发生特大暴雨，库区回填处发生滑坡，防渗层局部破坏，原因在于回填未采用设计要求的透水性好的土料，而是以库区黏土回填，回填处边坡岩石裂隙水未进行导排处理。暴雨导致岩石裂隙水增多、黏土渗透性变差、饱和后抗剪强度降低，地下径流导排不畅最终导致回填土滑坡、防渗层破坏。为此，采取了如下处理措施：将回填土全部挖除，采用透水性好的材料回填，并分层设置碎石盲沟与场底地下水导流层相连，同时在回填后的坡面设置复合排水网。处理后边坡至今未出现问题。

（3）内蒙古扎兰屯市垃圾填埋场

扎兰屯市垃圾填埋场位于扎兰屯市东南部，为低山丘陵地貌，地势平缓开阔。第四系沉积物以残积松散堆积物为主，由粉砂、粉质土、黏土砂砾、角砾等组成。基岩为第三系残积岩，岩石破碎，呈碎块状。地下水埋深在5m～10m之间，大气降水直接渗入补给，排泄方式以侧向径流为主。

由于填埋场场底设计标高高于地下水位，该工程未设计地下水导排系统。但渗沥液调节池标高较低，设计中忽略了调节池的地下水导排问题。调节池位于垃圾坝下游，采用HDPE膜防渗的土池结构（长60m×宽40m），运行中发现调节池东北角池底防渗膜鼓起，其原因为调节池建在地质条件不均匀的场地，池底部大部分为粉质土、无地下水，但东北角为砾石土，存在地下径流。采取的补救措施是在调节池东北角上游打出一眼管井，放置潜水泵自动抽水，以降低地下水水位，调节池防渗膜鼓起问题得到解决。该案例说明如果地下水位于防渗层上，即使地下径流不大，如果不及时导排，也会对防渗衬层造成破坏。

5.结论

在垃圾卫生填埋场的设计和施工中，人们更多地关注如何控制填埋场对地下水的污染，而地下水对填埋场的影响往往重视不够。特别是山谷型填埋场的地下水问题更容易被忽视。实践证明，如果对地下水的情况考虑不周、导排措施不当，山谷型填埋场也会出现安全问题，影响填埋场的正常运行，甚至造成较大的安全事故和经济损失。

山谷型垃圾填埋场地下水带来的影响与场址地形地貌、水文地质条件、人工开挖回填及降雨强度等因素有关，地下水导排系统设计应在查明场址水文地质情况下，有针对性地进行设计。主要措施包括设置地下水导流层、导排盲沟等。设计中不能忽视库区边坡的地下渗流导排，特别是库区汇水面积较大、岩石裂隙发育、坡积物较厚、存在泉涌的场址。边坡地下水导排措施可采用复合排水网，局部集中渗流采用卵（砾）石盲沟效果较好。

《生活垃圾卫生填埋技术规范》 （GB50869-2013）规定了地下水导排系统设置的条件、形式、收集管管径等，但对山谷型垃圾填埋场地下水水力计算、边坡导排形式等内容没有具体的规定和参考，这方面的设计方法和经验需要设计人员在实际工程中不断总结和完善。