土工膜、复合土工膜和GCL在填埋场中的应用

9.5.1.1　衬垫系统和顶盖系统

土工膜、复合膜、GCL等的作用都是为了防渗防漏，用于衬垫系统和顶盖系统中。1980年以前，填埋场主要是使用压密黏土来防止渗滤液的渗漏。1980年前后，美国和德国发现，压密黏土会在填埋场中发生化学反应和退化，使其渗透系数大幅增加，超过规范所允许的值（1×10-7cm/s）。因此，美国就规定了在垃圾填埋场必须应用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜。国际有害废物规定和国际固体废物规定也分别于1986年和1993年要求使用含有土工膜的复合防渗系统，即使用土工膜加压密黏土组成的防渗系统，要求其渗透系数小于1×10-12cm/s。自此以来，复合防渗体系应用于现代垃圾卫生填埋场的衬垫系统已成为一种常规的做法。

除了土工膜与压密黏土复合层外，还有土工织物与膨润土构成的防渗材料（GCL），它又分为HDPE土工膜复合膨润土和土工布复合膨润土几种。土工布用途较多，可以起反滤作用、隔离作用以及加筋作用等多种功能。

实际上，采用土工膜防渗与采用压密黏土防渗有其等效性（尤官林，2002），一般7mm厚的土工布复合膨润土（钠质）（k≤1×10-10cm/s）的隔水性能与600mm的压密黏土层（k≤1×10-7cm/s）相当；HDPE土工膜复合膨胀土（钠质）的隔水性能与900mm的压密黏土层（k≤1×10-7cm/s）相当；5mm厚的土工网的排水性能与300mm的砂砾石排水层（k≥1×102cm/s）相当（图9.15）。

采用土工合成材料的衬垫系统，在欧美等国家也有一个发展过程。自1982年开始使用的单层土工膜衬垫后，发现土工膜存在接缝困难和接缝质量差的问题，而且它容易受垃圾中尖锐物刺破而出现缺陷，因此，从1984年改用单层复合衬垫的结构。压密黏土层可以阻断土工膜缺损所造成的渗漏。

图9.15　土工合成物的等效性示意图（尤官林，2002）

1—覆盖土层；2—砾石排水层；3—土工布；4—土工膜；5—压密黏土；
6—垃圾；7—复合土工网；8—复合膨润土

填埋场的实践和渗漏计算表明，渗漏液的渗漏与集聚于填埋场底的渗滤液水头有很大关系，渗滤液水头越高、渗漏量越大，因此，采取措施及时排除场底的渗滤液是控制填埋场底部渗漏的重要措施。按美国联邦资源保护和恢复法（RCRA）的有关规定，该水头值应小于30cm。为适应上述的要求，自1987年以来，广泛使用了带有两层渗滤液收集系统的双层复合衬垫，且要求防渗层和下卧含水层之间有一定厚度的土层（称衰减层），以进一步降低渗漏液的污染物浓度。衬垫系统的这种演变发展过程可从图9.16中清楚地看到。图9.17为另一种黏土层（CCL）或黏土衬垫（GCL）上的GT、GM、GC、GM复合结构衬垫系统。

图9.16　衬垫系统示意图

（a）单层黏土衬垫；（b）单层土工膜衬垫；（c）双层土工膜衬垫；（d）单层复合衬垫；（e）双层复合衬垫1—垃圾；2—砂质排水及保护层；3—压实黏土衬垫；4—底土；5—土工膜衬垫；
6—砂质保护层；7—土工织物反滤层；8—土工网排水层

现对图9.16、图9.17进行系统的说明。

双层系统由两个部分组成[图9.10（b）]：主防渗层⑤以上为集液层，其作用是隔断来自垃圾体内的渗滤液。⑤层以下至基土⑧构成检液层，该层是为了收集万一漏过集液层的废液进入此检液层，并可从该层中预设的管道汲取该层中的液样，以检验是否发生了漏液情况。在⑤以上的集液层中，②为反滤隔离层；③为透水集液层，由透水料，如砂砾石或土工合成材料（土工布、土工管和复合土工材料）构成，以收集滤液，内可设带孔的集水管，以便将滤液送到污水处理厂。④为保护层，保护下卧的防渗层⑤免遭破坏。⑤为土工膜。⑤′为补充防渗层，可用CCL材料。⑥为透水料检验层。⑦为次防滤层，可用土工膜。⑦′为补充防渗层，可用GCL材料。⑧为基土。

图9.17　GCL或GCL上的GT/GM/GC/GM复合结构

对于单层衬垫系统实际上是为双层系统中上面一部分的集液层系统。我国目前的垃圾填埋场多用单层HDPE膜复合衬垫。

各种单、双层复合衬垫系统大同小异。图9.18（a）所示为各国所用的衬垫系统结构示意图（Masashi Kamon，2002）。从中可以看出，在美国（EPA），双层组合衬垫系统对于具有危险性的垃圾填埋场是必须采用的，这时，除一层土工膜外，第二层复合衬垫中黏土（k≤10-7cm/s）层的厚度应大于90cm。日本的规定没有这么严格，对于危险的但非灾难性的垃圾，它们规定，如果没有5m厚的天然黏土层，则应采用下列一种衬垫系统：①两层土工膜中间夹一层无纺织物或其他垫层材料；②一层土工膜，下设一层5cm厚的沥青混凝土层，要求k≤10-7cm/s；③一层土工膜其下设一层厚为50cm的黏土层，渗透系数k≤10-6cm/s。

图9.18（b）为中国、德国和美国规定的垫层系统示意图。一般说，目前垫层系统的趋势是采用：①土工膜+压实黏土层（大于60cm）或②土工膜+GCL。可见土工膜是必需采用的（陈云敏，詹良通，2007）。

9.5.1.2　衬垫的渗漏量

据研究，对于不同的防渗设施，通过衬垫的渗漏量如表9.4所示。

表9.4　通过不同衬垫的渗漏量（水力梯度等于1）

(www.xing528.com)

应当指出，不管何种复合衬垫，压实黏土层（CCL）是十分重要的，因为它不仅具有低的渗透性，而且具有吸收化学物质的能力。然而，黏土层的施工比较困难，同时它又会占用填埋场的容积。因此，膨润土的黏土衬垫GCL就特别受到青睐，因为它兼有黏土层的优点而没有黏土层的某些缺点。但GCL的问题是化学不相容性（incompatibility）以及抗剪强度较低。

图9.18　各国采用的衬垫系统示意

（a）各国采用的底部衬垫系统（kamon，2002）；（b）中国、德国、美国的规格化衬垫（陈云敏，詹良通，2007）

鉴于上述问题，日本正在研制一种三层的衬垫系统（tripec lineat system TLS），如图9.19所示。它是由土工织物+土工膜+聚氨酯合成橡胶+土工膜+土工织物组成，中间的聚氨酯合成橡胶层具有极好的阻水性和抗化学特性，渗透系数：k＜1×10-12 cm/s；抗酸性：在60℃温度条件下，在0.05%H2O4溶液中，10d后，其抗拉强度的保留率为98.3%。而它的抗碱性：当10℃温度下在Ca（OH）2饱和溶液中10d后，抗拉强度基本不变。

图9.19　三层衬垫系统示意（由上层土工布—土工膜—聚氨酯合成橡胶—土工膜—下层土工布组成）

9.5.1.3　衬垫系统的设计步骤

关于衬垫系统的设计步骤，大致如下。

（1）确定衬垫层的结构。依我国现有规范和标准的规定或推荐，大都采用单层复合衬垫系统。在选定具体的结构型式时，应参与国外和国内的工程实例。

应当说明，HDPE膜下的压密黏土层的厚度不一定太厚，但其黏土的渗透系数则更为重要。美国规定的黏土渗透系数为k≤1×10-7 cm/s，可以参照，应尽可能使用低渗透系数的黏土。

（2）HDPE膜的厚度选择。考虑到加工的质量和施工中的可能破损，膜的厚度不宜太薄。CJJ17—2001《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》规定HDPE膜的最小厚度为1.5mm，美国环保局的《城市固体废物填埋场指标参数》也规定为1.5mm。根据58个垃圾填埋场HDPE膜的实例统计，常用的厚度为1.5～2.0mm（占66%）。只有在顶部的封盖系统才采用1.0mm的膜厚。

（3）应力验算和稳定验算。对各种可能的工况进行应力验算，例如堆体荷载下、施工机具作用下，不均匀沉降引起的应力、斜坡上膜自重引起的应力等，以校算膜的强度是否足够。对于可能发生滑动的部位应进行稳定验算。

（4）膜的锚固设计。沟式锚固中膜会不会拔出或拉裂应进行锚固能力核算，如不安全，应减少锚固平台间的高差，或加大锚固力。

9.5.1.4　存在的问题

在衬垫系统中使用土工合成材料也存在一些问题，主要有以下几点。

（1）施工和填充垃圾时容易把土工膜刺穿和形成破洞。

（2）接缝处的连接是一个薄弱的部位，容易发生拉裂或密封不良，尤其当填埋场存在不均匀沉降时。

（3）对于含有机质的污染物可能会穿过膜而扩散。

（4）当铺膜时，若气温较高容易引起折皱，应注意膜与土层贴合密切，松紧适度，否则会降低防渗层的防渗能力。

（5）自然老化。

在国内的填埋场施工中曾发生过一些事例：如1994年安徽铜陵新桥硫铁矿污水处理站20000m3调节池系土方开挖后衬HDPE膜防渗的，当铺设完成后，发现膜上存在许多小孔，经调查系小孩乱扔石块所致。又如深圳下坪垃圾填埋场边坡的HDPE膜也出现过由上而下的一串孔洞，系碎石自坡顶滚下所致（王汉强等，2002）。