简易垃圾填埋场治理中垂直防渗治理技术的应用

杨 乐

（泛华建设集团有限公司湖南设计分公司，湖南 长沙 410000）

1 工程概况

湘南地区的某垃圾填埋场建于上世纪90年代，属于典型的山谷型垃圾填埋场，场区南、北、东侧为山体，西侧紧靠河流。由于该填埋场投入使用时间较早，所以未经过专门的设计和建设，是纯天然状态下的垃圾堆场，导致垃圾堆放随意散乱，填埋深度超过15 m。该填埋场废弃后一直处于缺乏维护和管理的状态，而且未设置防渗层，致使垃圾渗滤液直接渗透到地下，从而污染了土壤、地下水以及近岸水系。近年来，随着城市的发展，场区周边的居民小区、学校逐步兴建，因此，对该填埋场的封场和整治迫在眉睫。目前，针对该填埋场的现状问题，制定了整治计划：主要包括雨水截流导排工程、封场工程、渗滤液收集系统、填埋气体导排系统、垃圾坝、调节池以及垂直防渗系统等。但因该填埋场垃圾埋深较深，无法再设置人工水平防渗系统，因此，建设合适的垂直防渗工艺和选择合理的布置方案，对于减少污染源、控制渗滤液扩散，以及达到整治目标就显得尤为关键[1]。

2 场地水文地质分析

（1）根据填埋场场地水文地质勘察资料发现，本项目地下水主要分为赋存于素填土及第四系黏性土层中的上层滞水、赋存于卵石中的潜水以及赋存于各风化基岩层中的基岩裂隙水。而场区地下水是由场区南侧、北侧以及东侧山体向中部山凹地带排泄，水力坡度较大，径流途径较短，最后从场区西侧垃圾坝位置流向河流。

（2）填埋场场地土层由上至下分别为：人工填土、粉质黏土、卵石、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。场地内的各土层特性指标详见表1。由表1中的数据分析可知，卵石层属于强透水层，强风化泥质粉砂岩为强－中等透水性地层，中风化泥质粉砂岩为中－微等透水性地层，微风化泥质粉砂岩属于弱－微透水性地层。根据《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》（GB 50869－2013）中的规定，如果天然基础层的饱和渗透系数在1.0×10－7cm/s以下，同时，场底以及四壁衬里厚度均在2 m以上时，可采用天然黏土类结构。但场地内的人工填土层、粉质黏土层、卵石层、强风化泥质粉砂岩层、中风化泥质粉砂岩层渗透系数都大于1.0×10－7cm/s，均不符合作为天然防渗层的条件。而微风化泥质粉砂岩层渗透系数为3.2×10－8cm/s，可利用该层作为天然水平防渗层[2]。

表1 场地内土层特性

3 处理方案选择

3.1 垂直防渗系统应用现状

（1）在实际应用垂直防渗系统时，首先要从填埋场场地整体的地质、水文等各方面特征进行综合考虑，且合理利用场地下方的不透水层、弱透水层以及独立水文地质单元等，并在场地的周边或一侧，选择合适的位置布设垂直防渗工程，将可能产生或已经产生的污染物全部封控至封闭区，然后再按照既定的导排方案有序导出，以避免渗滤液继续渗透而导致地下水受到污染，同时也可以降低地下水流入到污染场地内的机率，从而最终实现污染源的隔离与控制，以及生态环境的修复。

（2）垂直防渗系统，最早广泛应用在岩土以及水利项目中。但随着技术的发展，垂直防渗系统越来越多的应用于各类防污控制工程，如污水控制、化工厂和油库的污染物控制等方面。近年来，由于需要治理的简易生活垃圾填埋场越来越多，且新建的垃圾填埋场渗滤液渗漏的情况也时有发生，因此，垂直防渗系统在填埋场整治和修复工程中也得到越来越广泛的应用。因此，根据对本工程场地水文地质分析，场地下微风化泥质粉砂岩层可作为天然水平防渗层，且和垂直防渗组成完整的防渗系统。由此可以看出，选择一种或多种适合的垂直防渗系统，是整治方案中的重中之重。在实际应用中，垂直防渗技术的种类较多，一般包括：刚性、塑性以及柔性三个类型[3]。

3.2 刚性垂直防渗技术

刚性垂直防渗技术属于三个类型中最传统的一项技术，主要包括：深层搅拌桩、高压旋喷桩、帷幕灌浆、槽（孔）式混凝土四个类型的防渗墙。

（1）搅拌桩防渗墙是将水泥等作为固化剂，并利用深层搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌进而产生一系列物理化学反应，从而形成具有一定承载能力和固结度的柱体、墙体；而在相应反应后，土体强度显著增加，随之渗透性下降，因此，适合在由不同原因引起的饱和软黏土中应用，例如淤泥、黏土、淤泥质土、亚黏土等地质条件中，同时，也包括地质复杂、区域狭长、沉降要求较高的场地。在实际应用过程，搅拌桩防渗墙造价较低、施工速度快、防渗效果好，而且可以通过调整桩长以及调整置换率，使其适应各类土质和各项防渗要求。

（2）应用高压旋喷桩防渗墙需借助高压喷射技术，通过同心钻杆，将注浆浆液、高压水、压缩空气共同喷射至设计深度位置，而钻杆在进行高压喷射过程中还应同时旋转，以构成喷射流加速土层的破坏，使土粒脱落于土体，这样部分土粒可随浆液冒出地面，其余被灌入的浆液会进行搅拌，并在土体内部凝结成为桩体，当桩体相互咬合搭接后，就可借此达到加固和防渗的目的。

（3）帷幕灌浆防渗墙就是将浆液灌注于岩体内，或灌注于土层的裂隙、孔隙之中，从而共同构成连续性的阻水帷幕，便于能有效控制渗流量，同时也降低渗透压力。在岩石或砂砾石的地基中，一般需要应用灌浆的模式构建防渗帷幕，且帷幕底部需要向相对不透水的岩层中进入一定深度，以尽可能控制地基部分的地下水渗透。帷幕灌浆一直是垂直防渗处理的主要手段，按照其中的灌浆孔排数，孔帷幕可以分为“两排”和“多排”两种类型，如果地质条件较为复杂，并且水头相对较高，一般应选择至少三排的孔帷幕。此外，可根据灌浆孔底部针对相对不透水岩层是否进行深入，可判断其为“封闭式帷幕”或“悬挂式帷幕”。

（4）槽（孔）式混凝土防渗墙是在松散透水土中实施连续造孔施工，并采用泥浆护壁的模式，向孔内灌注混凝土，以构成具有防渗效果的墙。混凝土防渗墙是采用分段的方式进行防渗墙建造工作，并针对每一个圆孔或槽孔实施混凝土浇筑后，即形成一个墙段，而数个墙段就可联结成一整道防渗墙。需要注意的是，防渗墙底部还应适当嵌入搭配基岩内，或嵌入相对不透水土层中，以尽可能地控制渗透水流。

3.3 塑性垂直防渗技术

（1）塑性混凝土防渗墙的主要原材料为柔性混凝土材料，其可在水利工程或其他地区防渗处理工程中充分应用。而塑性混凝土，即将常规形式混凝土中的大部分水泥采用膨润土或黏土替代，进而形成的类柔性墙体材料。塑性混凝土墙指采用塑性混凝土的一种防渗墙形式。相对于普通混凝土，塑性混凝土的弹性模量要小很多，其变形模量与周围土体基本一致，因此，可充分适应地基部分出现的变形情况，还可以有效减小墙体内应力，进而可有效降低墙体开裂等不良情况出现的机率，同时还有利于节约水泥等主要材料的使用量。

（2）在通常情况下，塑性垂直防渗墙中应用的材料主要包括水泥、粉煤灰、膨润土以及黏土。根据塑性防渗墙使用材料的不同，防渗墙的主要类型包括以下几种：①土－水泥－膨润土防渗墙；②水泥－膨润土防渗墙；③土－膨润土防渗墙。

3.4 柔性垂直防渗技术

（1）HDPE（高密度聚乙烯）膜的使用，为柔性垂直防渗技术的产生和发展提供了重要基础。柔性垂直防渗膜的屏障系统即采用柔性HDPE土工膜为主体防渗材料，是通过震动或垂直开槽技术将柔性HDPE土工膜垂直插入到基岩或黏土层等相对不透水层，并利用灌浆密封材料对底端进行止水固结。同时，通过连接锁扣与止水条实现多幅土工膜的无缝连接，且构筑对土壤和地下水中污染物阻控的立体式垂直生态屏障，以此达到防控污染物水平和垂直迁移的目的。

（2）在实际应用中，HDPE土工膜防渗墙可以根据现场施工的具体情况选择采用震击式或开槽式的铺膜方法，目前开槽施工的应用频率更高。其建设过程是，在通过长臂挖机或液压抓斗开槽完成后，需要对槽段进行泥浆护壁，而护壁完成后要采用下膜机铺膜。目前，我国能实现的最大垂直铺膜深度已达到30 m，但相对于黏土－膨润土泥浆防渗墙来说，可达到的防渗深度相对较低。由于HDPE土工膜防渗墙是由矿物材料以及土工膜的共同作用，因此，HDPE土工膜防渗墙针对盐、碱、酸以及无机类等有腐蚀性的污染物，均具有较好的抗侵蚀性能，同时，还具有渗透系数低的特点，非常适合在阻隔期较长且对于防渗要求较为严格的工程中应用。

4 处理方案设计

（1）本项目的简易生活垃圾填埋场下游紧邻耒水，所以，地下水受到污染之后会被直接排入河流，导致河流水质受到严重影响，且下游水环境也会遭到破坏。因此，为了解决渗滤芯液的渗漏问题，需选用技术成熟、安全性高、经济性好、并适合本工程实际情况的垂直防渗系统，以达到本项目整治的目的，进而促使本区域内的环境得到改善。

（2）槽（孔）式混凝土防渗墙强度较高，但工程造价也略高，但抗渗能力一般，且混凝土一旦被腐蚀后，防渗性能将大幅降低；而高压旋喷桩防渗墙工艺成熟，施工简便，但在施工过程中容易对环境造成二次污染，且在松散土层中的浆液容易渗透，工程造价也较高。又由于本项目场地中有卵石层以及中、微风化的泥质粉砂岩层，所以高压旋喷桩防渗墙技术不适用；搅拌桩防渗墙施工简便、技术成熟、造价一般，但施工深度一般不超过20 m，且在硫酸根等污染物腐蚀下易开裂，长期稳定性差；塑性垂直防渗技术抗渗性能好、造价低、施工简便、施工深度大，但难以保证墙体底部有效嵌固，且阻滞能力也会随时间的推移而削弱。通过上述分析，槽（孔）式混凝土防渗墙、高压旋喷桩防渗墙、搅拌桩防渗墙以及塑性垂直防渗技术均不适合本项目垂直防渗系统的建设。

（3）灌浆帷幕法施工便捷性良好，可适应的地层较广、造价低、工期短、见效快、安全性能良好，其防渗效果以及工程造价相对容易被接受，但灌浆帷幕施工质量需进行严格控制，否则抗渗性将不能满足整治需求。柔性垂直防渗技术的防渗性能良好，可针对污染源渗漏情况起到较好的垂直屏障作用，同时，还可以针对地下污染源进行充分封堵。并且，柔性垂直防渗技术可与其他类型的阻隔技术联合应用，从而进一步提升了阻隔作用。因此，从技术成熟性、安全性、经济性等多方面进行综合考虑，并结合项目实际情况，本项目垂直防渗系统采用帷幕灌浆防渗墙和HDPE土工膜防渗墙相结合的整治方案。

（4）本次项目在填埋库区的南、北以及东侧设置帷幕灌浆防渗墙，在西侧垃圾坝处及其两侧位置设置HDPE土工膜防渗墙。采用这两种技术联合的处理方案，既可以通过帷幕灌浆防渗墙防止场外地下水进入场内，减少渗滤液的产生量，又可以利用HDPE土工膜防渗墙良好的防渗性能使场内渗滤液，以及受到污染的地下水均能够被拦截，再通过渗滤液收集井导排至调节池，最后采用吸污车运至城区垃圾填埋场渗滤液处理中心进行处理。帷幕灌浆防渗墙和HDPE土工膜防渗墙相联合的处理方案可较好地阻隔场区外地下水进入填埋区内，同时也能保证场区内受到污染的地下水能得到有效收集，从而实现整治目的，同时也大幅度节省了工程造价。在实际应用中，帷幕灌浆防渗墙和HDPE土工膜防渗墙两种工艺技术成熟，施工难度较低，既缩短了建设工期，又保证了本项目的整治进程。

（5）根据水文地质的勘察结果可知，场地中的强、中风化岩层渗透系数偏大，所以，需将帷幕灌浆防渗墙穿透至强、中风化岩层，并深入至微风化泥质粉砂岩层的顶面位置。因此，为了保证帷幕灌浆的防渗效果，本工程采用三排灌浆的模式，将孔距控制在2.0 m，将排距控制在1.0 m，施工过程分为3序，每序采用“自下而上” 的分段灌浆模式；灌浆孔孔径为75 mm，平均注浆段长9 m，平均孔深15 m，共1 467个孔，墙体长度917 m，帷幕灌浆形成后下面深入微风化泥质粉砂岩约为2 m，而两侧和柔性垂直防渗系统交叉重叠，可以对地下水形成良好隔离；在垃圾坝位置及两侧设置柔性垂直防渗（HDPE膜）系统，该系统会进入微风化泥质粉砂岩，深度为1 m，而底部防绕渗密封剂灌注厚度不小于1 m；成槽护壁泥浆制作选用膨润土，每个槽段长为4 m，柔性垂直防渗系统总长度为330 m。

5 结论

（1）针对简易垃圾填埋场开展渗漏修复工作，对于保护环境具有重要意义，但在实际施工作业时，应避免出现二次污染情况，并保障水体质量，优化生态环境。基于此，在简易垃圾填埋场整治工程中，应考虑采用柔性垂直防渗系统，因为该防渗系统属于应用效果良好的新型系统，可以将可能产生或已经产生的各类污染物控制于屏障之外，因此，既能起到良好的污染物控制作用，也可以为生态环境的持续优化奠定坚实基础。同时，该防渗系统能有效保障垃圾填埋场下游的水体不受污染，所以，在山地环境中，也体现出了较好的应用效果，并逐渐构成了较为完善的防渗技术应用体系。此外，还可以将该项技术应用于污染工业、场地、土壤或其他存在污染情况的地下水修复工程之中，均能体现出较高的应用价值。而帷幕灌浆防渗墙采用多次、分层、分段的方式进行精细注浆，可有效减少注浆材料，节省工程投资，且技术成熟、施工便捷、工期短，同时对环境的二次污染较小。在实际应用中，采用两种垂直防渗技术的联合，与地下不透水水层以及场区上部封场系统一起形成封闭性较好的防渗系统，不仅实现了良好的环境治理效果，还可以节约占地，便于渗滤液收集，且能大幅度地减少工程投资。

（2）针对简易垃圾填埋场的场区周边设置一道封闭的垂直防渗墙，防渗墙的底部应该深入天然相对不透水层，可有效控制地下水的流入和流出，从而就可以使库区构成独立的、完善的水文地质单元。由此，即可以有效阻隔场外的地下水渗入到填埋区域内，也可以有效避免渗滤液由填埋区域内渗入到场外，从而有效控制污染情况扩散，使周边水土环境得到了优化。此外，受到地质条件、地形地貌以及其他客观因素的影响，不同的填埋场均具有各自的特殊性，所以，在应用垂直防渗墙时，必须要充分考虑其可行性和适用性，从而有效提升防渗墙的应用效果。