生活垃圾卫生填埋场防渗结构层的设计优化

刘原

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100000）

1 概述

防渗系统是生活垃圾卫生填埋场的重要组成部分，其结构层及材料的设计和选择决定了填埋场产生的污染物质向外部环境排放的量，也就是符合生活垃圾卫生填埋的防渗标准。渗漏的防止不是绝对的，不管采用何种结构的防渗系统，都会存在渗漏，从环境保护的角度来说，只要这种渗漏不会对周边的环境造成不可逆的破坏，都是可以接受的。作为工程应用来说，其建设成本还必须是可接受的。防渗系统的设计必须考虑施工的因素，因为实际上，生活垃圾卫生填埋场的防渗系统最终是否满足标准的要求，更重要的是对施工质量的控制，这可以通过在后文中防渗衬垫的渗漏率的计算中予以体现。

我国在生活垃圾卫生填埋场方面的设计及研究起步较晚，这与我国的经济发展水平和环境保护要求有关，但发展较为迅速。1997年我国才正式颁布了第一个与生活垃圾填埋场有关的标准《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889—1997）；2004年，第一部生活垃圾卫生填埋场设计技术的行业规范颁布（CJJ17—2004）；2007年，又颁布了专门针对防渗系统的行业技术规范（CJJ113—2007）；此后又相继颁布了针对封场、填埋气、岩土设计、运行维护、渗漏检测等较为齐全的行业技术规范并对部分标准和规范进行了升版。其中，《生活垃圾填埋污染控制标准》已升版为GB16889—2008版；填埋技术规范升版为《生活垃圾卫生填埋技术规范》（GB50869—2013）版（取代CJJ17—2004，并上升为国标），封场技术规范升版为GB51220—2017（取代CJJ112—2007，并上升为国标）。

相比较，国外则已有60多年的研究和发展历史[1]。尽管如此，由于填埋对象的复杂性以及废物在填埋场内反应的复杂性、综合性，关于填埋场的各学科方面研究还在不断的开展中。就填埋场防渗结构层的设计及渗漏研究，不同学者也有不同的见解。我国在这方面的研究起步较晚且相对较少，其根本原因是由于国内高校在这方面开设的课程较少，而且基本上把这一课程放在环境工程学科上。而本质上，这一学科既涉及与环境工程学科有关的污水（渗滤液）处理研究，更重要的是，其还涉及土工材料的应用。而环境工程学科基本不教授与土工材料有关的课程，而土木学科又不进行系统的污水处理方面的课程教授。从而形成了中间空白地带。根据笔者多年与同行设计人员的交流以及在施工图设计的审查过程中，均发现从事这一方面的设计人员基本为环境工程专业，普遍存在不熟悉防渗结构设计的基本概念，也不懂计算。实际设计中，均依据相关的规范直接选取相关的结构层及材料，而没有掌握科学的计算。

本文将通过对中外防渗系统的建设标准的对比和对国内外有关防渗系统渗漏计算方法的论述，在此基础上，以斯里兰卡科伦坡固废项目防渗结构的优化应用为例，论述具体的设计计算方法，可作为国内同行从事类似项目设计的参考[1]。

2 中外防渗系统标准的对比

2.1 国外标准

欧盟《废物填埋指令》[2]对废物分为3类：①危险废物；②非危险废物；③惰性废物。其中，生活垃圾归类为非危险废物类，该指令对防渗结构的具体规定如下：天然地质屏障：ks≤1×10-9m/s，厚度≥1m；或当天然地质屏障不满足上述要求时，可采用等效的人工加固防渗层，但厚度至少为0.5m；渗滤液导排层：不小于0.5m。欧盟《废物填埋指令》是对各成员国规定的最低标准，不同成员国的标准又有不同，如爱尔兰，则细化增加了双层防渗衬垫系统的最低标准；同时，对采用HDPE膜作为人工衬垫材料也做了具体的规定（厚度至少为2mm）；同时，为控制施工质量，对下部压实土壤衬垫的分层碾压厚度做了规定：不大于250mm[3]。而德国则更为严格，其《垃圾法第三管理条例》（又称《生活垃圾技术条例》）要求采用由人工膜衬层和黏土衬层组成的复合防渗结构。在人工膜衬层以上铺设排水层和保护层，总厚度不得小于30cm，其中人工膜衬层如果是HDPE膜，则要求最小厚度为2.5mm；黏土防渗层厚度不得小于0.75m（至少3层），渗透系数K≤1.0×10-8cm/s。美国联邦《城市固体废物填埋场标准》规定如下：①压实土壤衬垫：至少2ft（约60cm）。②必须采用柔性膜衬垫，当采用HDPE膜时，最小厚度为1.5mm。③渗滤液导排层的最小厚度为300mm（约12in）。

2.2 国内标准

我国的防渗标准相对混乱，有住建部国家标准（GB 50869—2013），住建部行业标准（CJJ113—2007），还有环保部标准（GB16889—2008）。环保部标准和住建部行业标准基本一致，只是住建部行业标准制定的更为详细。同时，对于单层衬垫，还细分为单层防渗和单层复合防渗，其区别主要在于压实土壤的渗透系数，后者较前者小2个数量级。此外，住建部行业标准和住建部国家标准相比，前者更为严格，其主要区别在于前者的单层防渗和双层防渗标准中的膜下压实土壤厚度均为75cm，而后者为50cm。从颁布的时间上，前者较后者早颁布，而后者标准相对放宽，不能不说是一种倒退现象。另，环保部标准对于结构层的选择有明确的规定，而住建部的标准则相对模糊，因此，在标准的选择上较为混乱。

3 衬垫系统设计的基本理念

3.1 压实黏土衬垫的渗漏率计算

压实黏土衬垫的渗漏率可以通过达西定律来计算，达西定律是流体通过多孔介质的基本方程，方程式如下：

式中：Q——通过衬里的渗漏量，m3/s；ks——土体的渗透系数，m/s；i——水力梯度，无量纲；A——流体穿过的面积，m2。

如果土体饱和，没有土壤吸收，则水力梯度为：

式中：h——衬里上方水头，m；D——压实黏土衬垫厚度，m。

3.2 防渗理念

渗滤液透过压实黏土衬垫的时间可按下式计算：

按照天然黏土防渗结构的标准（GB16889—2008），即：天然黏土的渗透系数为1×10-9m/s，厚度为2m考虑，则计算不同渗滤液水头下渗滤液透过黏土防渗层的时间如表1所示。

表1 不同水头下渗滤液透过黏土衬垫的时间

根据标准，生活垃圾卫生填埋场应控制在填埋期间的衬层上方渗滤液深度不大于30cm。表中计算了衬里上方水头从0.3~2.0m之间的穿透时间，这是因为，实际在运行中，防渗衬层上方的水头均高于标准值。

我国《生活垃圾卫生填埋技术导则》（RISN—TG 014—2012）中提及“不同防渗系统的防渗有效年限应大于40年”，“防渗系统的安全性可参考渗漏率计算结果进行评估”。这是目前笔者所能查询到的关于防渗设计理念的出处，限于经验水平，目前未见国外标准和文献有此报道。

4 土工膜衬垫及复合衬垫的渗漏率计算

4.1 土工膜衬垫

土工膜衬垫是假设土工膜衬垫中有一个或多个小圆孔（缺陷），这些孔彼此分隔开，每个孔的渗漏都独立于其他孔。衬垫上的水头为常量，而土工膜下方的土体透水性相当高，即土体对膜上小孔的渗漏没有阻力。

伯努利方程如下：

式中：Q——土工膜的渗漏率，cm3/s；Cb——渗透系数，对圆孔约值0.6；a——土工膜中圆孔的面积，cm2；g——重力加速度，981cm/s2；h——衬垫上水头，cm。

4.2 复合衬垫的渗漏率计算

4.2.1 Giroudetal模型

该方法可针对土工膜衬垫上产生圆形、方形、无限长及矩形缺陷的状况计算，以圆形缺陷为例，公式如下：

式中：Q=渗滤液通过土工膜缺陷的渗漏率，m3/s；Cq0——接触质量因子，无量纲；h——膜上水头，m；ts——膜下低透水层的厚度，m；d——膜上圆孔的直径，m；ks——膜下低透水层的渗透系数，m/s。

需注意，该模型的应用具有如下的前提：对于圆形缺陷，其孔径应不小于0.5mm且不大于25mm，对于非圆形，缺陷的宽度也应满足该要求；膜下低透水层的渗透系数应不大于一定的限值。

4.2.2 Rowe模型

Giroud模型中，对土工膜与下部低透水衬垫的结合分为“好”和“差”两种情形，Rowe则提出了另外一种观点，其采用“界面传递率”来计算渗滤液穿过土工膜的渗透率，根据Rowe的研究，土工膜在铺设过程中产生的褶皱是引起渗滤液透过土工膜的主要因素之一。

Rowe模型如下：

式中：Q——渗滤液通过土工膜缺陷的渗漏率，m3/s；L——褶皱长度，m；2b——褶皱宽度，m；ks——膜下低透水层的渗透系数，m/s；θ——界面传递系数，m2/s；hd——(hw+HL+HA-ha)，透过衬垫的水头损失，m；ts——（HL+HA），膜下低透水层的厚度，m。

目前，我国《生活垃圾卫生填埋技术导则》（RISNTG014—2012）中对复合衬垫的渗滤液计算推荐采用Giroud模型，导则应引用自USEPA93，因为该模型为Giroud1989模型。J&W环境咨询公司受南非废物研究所（ISWMSA）委托对某项目的渗滤液渗漏风险分析报告的评估中对未采用最新的Giround模型进行了严厉的批评。这一事例充分说明，设计人应及时跟进和掌握最新的设计理念和计算模型，否则在国际项目中将会遭遇极大挑战[2]。

5 黏土衬垫的改性

5.1 改性的目的

国外的标准对膜下低透水层的渗透系数要求不大于1×10-7cm/s。根据经验，满足如此低渗透系数的土壤一般都是粉质性黏土。因此，都会涉及改性或者在设计上采用具有同等防渗性能的结构调整，需要小心控制工作参数，布置设备和控制压实程序。按Giroud模型，防渗膜与低透水层结合差的情形下的渗漏率是较结合好的情形的5倍多。采用GCL+压实黏土（CCL）的结构层则较单纯的CCL更容易控制施工质量且施工方便，因为GCL通常是扁平安装的，而且如果施加足够的压应力，从水化GCL中渗出的膨润土泥浆有助于土工膜和GCL之间建立紧密的接触。

5.2 黏土衬垫的改性

通过在黏土中添加膨润土粉进行黏土改性是最普遍的一种方法，N.K.Ameta通过在沙土中添加膨润土粉的研究得出：渗透率受膨润土的影响较大，在最佳含水率下、最大干密度下加入10%的压实膨润土后，渗透率由10-4cm/s降至10-8cm/s。DitaIndahLestari通过对印度尼西亚Batulayang的土壤改性研究发现，50%膨润土和75%原状土的混合物的渗透系数大于50%高岭土和75%的原状土的混合物的渗滤液。实际上，通过在土壤中混合膨润土还可以增加混合土的固结强度。

5.3 科伦坡固废项目防渗结构层的优化

该项目招标文件中防渗结构层规定为HDPE膜单层复合衬里，膜下低透水层的渗透系数要求为不大于10-7cm/s，厚度不小于30cm。该场地周边土壤以粉质性沙土为主，室内固结试验测得场地土体的渗透系数约3.95×10-8~1.01×10-7m/s。本项目防渗黏土总用量约37000m3，如按采用膨润土改性（10%的投加量），则需膨润土量为3700m3，根据填埋场的使用要求，需采用纳基改性膨润土，综合考虑施工成本，调整后节省投资约100万元[3]。

6 结语

本文主要对中外国家的生活垃圾卫生填埋场技术标准进行了介绍，同时，说明了填埋场衬垫设计的基本理念，文中提到的防渗衬垫渗漏的计算模型均为当前的最新进展和成果，这些成果的总结有助于我国的生活垃圾卫生填埋设计工作者在从事国外项目的设计工作时使用。