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不同类型垂直防渗帷幕在固废填埋场中的适用情况分析

TRD工法·拉森钢板桩·搅拌桩 2022年7月24日 项敏 260

摘 要

要:我国早期固体废物大多以填埋为主,由于受制于当时设计规范和施工工艺的局限,同时缺乏相应的管理,早期固废填埋场库底及边坡处未设防渗系统或防渗系统破损,易导致堆体内渗滤液及填埋气外溢扩散,污染周边水土环境。设计在填埋场四周增设垂直防渗墙可有效隔绝填埋堆体与周边的水力联系,阻隔污染物扩散,促进填埋场生态修复。鉴于填埋场这一基础设施的重要性,垂直防渗墙要求渗透系数不大于10-7cm/s本文通过总结多个填埋场生态修复项目中垂直防渗帷幕的设计和施工实例,考虑填埋场的场地环境、地形地貌、地质条件和垂直防渗帷幕防渗效果,分析不同类型垂直防渗帷幕在固废垃圾填埋场中的适用情况,可为固废填埋场垂直防渗帷幕的设计提供参考。

 

关键词:固废填埋场、垂直防渗帷幕、适用性


前 言

填埋处理是国内外常用的固废处置方法。早期固废大多以简易填埋为主,即利用城市周边的一些凹地、沟谷等自然条件进行填埋。这些简易填埋场未建设防渗衬垫,同时缺乏相应的管理,造成渗沥液污染地下水土。与简易填埋场相比,按照早期规范标准建设的填埋场,因控制性能指标未完全达到国家现行卫生填埋标准,库底防渗系统易出现破损,导致渗滤液渗漏污染周边水土环境。我国约有1600余座城市固体废物卫生填埋场和两万余座简易填埋场普遍存在渗滤液渗漏污染土壤和地下水的风险,严重威胁城市环境卫生,丞需进行污染阻隔及填埋场治理。


环库区四周或下游建设垂直防渗墙,可有效隔绝填埋场污染扩散。目前,填埋场中常用的垂直防渗墙多采用置换法垂直开槽现浇连续墙、深层搅拌桩防渗墙、喷射注浆防渗墙和板桩防渗墙大量的工程实践表明,上述垂直防渗墙因施工工艺、质量管理的限制,往往适用于不同工程项目。本文通过列举多个平原型填埋场和山谷性填埋场的垂直防渗帷幕的设计及施工,综合分析各类型垂直防渗帷幕的施工可行性、施工质量、均匀性及其渗透系数,进一步论证各垂直防渗帷幕在固废填埋场中的可行性。


1 工程概况

(1)工程概况1


该填埋场为平原滩涂型填埋场,场地属于海滨平原,地形平坦,总占地面积307亩,分为南北两个库区,场地南北方向总长度约为880m,东西方向总宽度约为220m,具体见图1所示。该填埋场于2003年建成并投入使用,为简易型填埋场,库底无防渗系统(含水平和垂直)、无地下水导排系统、无滲滤液导排系统、无填埋气导排和处理系统。根据环境本底调查,周边地表水氨氮及总氮超标,最大超标倍数为0.2和2.287;周边地下水存在挥发酚和氨氮等共8项指标超标,为IV类水质标准;周边土壤存在铜和锌超标,最大超标倍数分别是0.900和0.623,存在轻微的重金属污染。2019年针对该填埋场实施封场生态修复。


不同类型垂直防渗帷幕在固废填埋场中的适用情况分析

图2 搅拌桩/高压旋喷桩防渗墙平面布置图

填埋场四周地层可分为三个地质层:

(1)杂填土,杂色,松散,湿,主要以粘性土为主,局部夹少量建筑垃圾,0.9m~3.2m厚;

(2)粉质粘土:灰色,软塑,含有机质、腐殖质及云母碎屑,韧性中等,干强度中等,仅个别点位有分布,层厚1.10m-3.80m;平均渗透系数为6.55E10-6cm/s。

(3)淤泥质粉质粘土:灰色,薄层状,含少量粉土、粉细沙,揭露层厚0.50~9.20m,该层未揭穿,平均渗透系数为1.01E10-6cm/s。


鉴于该工程环境等级要求较高,填埋场防渗效益尤其重要。综合相关因素分析,考虑场区施工条件,东侧和南北两侧堤坝宽度大于7.0m,西侧防浪围堤堤坝宽度仅为5.0m,设计该工程东侧和南北两侧采用深层搅拌桩防渗墙作为防渗处理方案,造价低,该段防渗帷幕水平总长为1400m;西侧采用高压旋喷桩防渗墙作为防渗处理方案,施工空间小,该段防渗帷幕水平总长度为800m,防渗帷幕平均深度约为12.0m,嵌入⑤淤泥质粉质粘土不小于2.0m。搅拌桩和旋喷桩直径为500mm,双排搭接,横向搭接长度为150mm,竖向搭接长度为150mm,桩间距350mm。为提高防渗墙防渗性能,掺入水泥质量20%的膨润土,测得搅拌桩防渗墙和高压旋喷桩防渗墙平均渗透系数为3E10-6cm/s-1.2E10-8cm/s。


(2)工程概况2


该填埋场为山谷型填埋场,场地属于丘陵山区两大地貌单元的交接地带,四周群山环抱,地势由南向北渐次倾斜,形成北向开口通道式断陷盆地。填埋场总占地面积8.0万m2,分为东酉两个库区,具体见图3所示。一区填埋场于1989年建成并投入使用,2001年停止垃圾进场;二区填埋场于2001年开始填埋,2017年停运。该填埋场两个区域均为简易型填埋场,缺乏防渗系统及液气导排系统。根据场地环境调查,填埋场地表水COD和总氮超标;下游地下水COD含量为115mg/L,超过V类水水质指标;周边土体中的重金属含量大部分介于一级和二级土壤重金属含量限值之间,有一定污染。2018年针对该填埋场实施封场生态修复。


填埋场四周地层主要有四个地质层:

(1)杂填土,主要以粉质黏土和碎石块为主,土质不均匀,厚度为0.8~5.3m;

(2)全风化凝灰岩:灰黄色,可塑~硬塑,中等韧性,原岩结构完全被破坏,岩芯风化成黏土状,夹少量砾石,层厚在1-9~3.8m,透水率为95.21Lu;

(3)强风化凝灰岩:灰白色,灰黄色,块状构造,强风化,原岩结构大部分被破坏,节理裂隙较发育,岩体较破碎,岩芯呈碎石和碎块状,少量呈短柱状;层厚0.9~5.3m,透水率为28.13Lu;

(4)中风化凝灰岩:灰白色,紫红色,块状构造,原岩结构部分被破坏,节理裂隙一般发育;岩体较完整,岩芯呈柱状和长柱状,岩芯不易被破碎,该层全场分布,未击穿,透水率为0.68 Lu。


为有效控制该填埋场对周边水土环境污染,设计环库区四周增设一圈垂直防渗帷幕,总水平长度约为1387m。综合相关因素分析,考虑该填埋场岩层较厚,设计垂直防渗帷幕结构形式为防渗墙+帷幕灌浆。防渗墙为土-膨润土防渗墙,在土中掺入水量6%的膨润土,回填料坍落度为100mm,防渗墙宽度为L2m,平均深度约3.5m,底部嵌入全风化凝灰岩不小于1.0m。帷幕灌浆孔间距为1.5in,双排布置在防渗墙两侧,排间距1.5m,底部嵌入中风化凝灰岩不小于3m,灌浆的水泥浆液中掺入水泥量20%的膨润土。为提高垂直防渗帷幕防渗性能,设计要求防渗墙与帷幕灌浆搭接长度不小于1-5m,具体见图3。对施工好的土-膨润土防渗墙进行取样室内渗透试验,测得渗透系数为2.8E10-6cm/s~6.7E10-7cm/s;针对下部帷幕灌浆采取压水实验检测,测得渗透系数为1.5E10-5cm/s~9.4E10-6cm/s。


不同类型垂直防渗帷幕在固废填埋场中的适用情况分析

(3)工程汇总

根据已实施生态修复的填埋场占地面积、地形地貌及地质条件,汇总不同填埋场采用的垂直防渗帷幕类型,具体见表1所示,实际工程案例表明,不同类型垂直防渗帷幕适用于不同固废填埋场。

不同类型垂直防渗帷幕在固废填埋场中的适用情况分析

3 垂直防渗方案比较

目前垂直防渗帷幕类型主要有:


(1)置换法垂直开槽现浇连续墙,可以是混凝土连续墙、土-膨润土连续墙、塑性混凝土连续墙和土工膜复合墙,用专门的挖槽设备,沿构筑物边缘,采用触变泥浆护壁,按设计的长度、宽度和深度开挖沟槽,待沟槽成形后,浇筑塑性混凝土以形成一定厚度的地下连续墙,起到防渗效果,适用于一般的软黏土、砂土和碎石类土,该方法防渗效果较好,但成槽成本较高,对施工设备和施工单位的要求也较高,故目前在国内应用较少。


(2)搅拌桩,可以是水泥、膨润土或土-膨润土混合料搅拌桩,可以达到渗透系数k<10-7cm/s和一定的抗压强度。适用于处理淤泥、淤泥质土、地基承载力小于120 kPa的黏性土和粉性土等地基。比较其他防渗墙工艺,造价相对便宜,但适用性较差,且由于是地下工程,对于是否能达到渗透系数k<10-7cm/s还存在疑问;


(3)喷射注浆,包括高压旋喷桩和帷幕灌浆,钻孔,利用液压、气压或电化学原理,通过注浆管把水泥均匀地注入地层中,水泥以煽充、渗透和挤密等方式,赶走土颗粒或岩石裂隙中的水分和空气后,把原来松散的土粒或裂隙胶结成一整体,形成具有一定强度和防渗性能的结石体。

(4)渠式切割水泥土连续墙(TRD);TRD工法的成墙原理是将链锯式刀具插入土体中,通过刀具的切割沿水平方向掘削前进,在土体中形成连续的沟槽,同时将固化的灰浆从刀具的端部喷出,将灰浆与土体在原地搅拌混合,形成水泥土地下连续墙。该工法成槽和搅拌为连续作业,墙体完全连续,可不分段施工,均匀性好。


(5)板桩防渗墙,可作为截渗截流屏障,常用材料有钢板桩、塑钢板桩和加筋板桩。板桩防渗墙施工简单、强度大、防腐效果好,其防渗效果主要取决于板桩之间的连接锁扣。

 

在选择防渗结构时,不同填埋场受制于场地环境、地形地貌、地质条件和工程造价影响,选择垂直防渗帷幕时需从技术可靠性、施工工艺成熟性、国内外的惯例、经济性等方面综合考虑。


不同类型垂直防渗帷幕在固废填埋场中的适用情况分析

不同类型垂直防渗帷幕在固废填埋场中的适用情况分析


4 结 论

环填埋库区周边增设一圈垂直防渗墙,底部嵌入天然相对不透水层一定深度,以此控制库区内地下水的自然排泄和流入,从而使库区形成一个完整的相对独立的水文地质单元。通过这种方式,既可以防止渗沥液从库区内向库区外渗漏,同时又可以有效地阻隔库区外地下水渗入库区,较好地控制填埋场污染扩散,改善场区周边水土环境。


(1)各固废填埋场因其场地环境、地形地貌及地质条件,均有其特殊性,在选择垂直防渗帷幕时,应综合考虑其工艺的可行性、成熟性和适用性。


(2)不同类型垂直防渗帷幕因其施工工艺的差异,导致防渗效果有一定差别,为了提高垂直防渗帷幕的防渗效果,可在回填料或注入料中掺入膨润土。


(3)为确保垂直防渗帷幕施工质量,在施工过程中及竣工验收时应进行检测,监测项目包括防渗帷幕均匀性和强度检测,外观和整体性监测,渗透系数检测。

 

来源:中国环境科学学会科学技术年会论文集(2020)

作者:吴小雯

编辑整理:项敏

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