HDPE土工膜在城市生活垃圾卫生填埋场中的应用
发布时间：2017-03-16 09:57:19 关注量：0
近l0年来，我国城市生活垃圾的无害化处理率有较大幅度的提高。1991年，城市生活垃圾无害化处理率不足3%，到1998年基本上达到20%。从1996年起，我国开始将高密度聚乙烯(HDPE)土工膜运用于城市生活垃圾卫生填埋场，大大提高了我国城市生活垃圾卫生填埋处理技术水平。
2l世纪初期，城市生活垃圾卫生填埋场在我国得到了快速发展，有关建设标准及设计规范相继出台，如《城市生活垃圾卫生填埋处理工程项目建设标准》和《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》2001年颁布执行，为城市生活垃圾卫生填埋场设计指明方向。
按照《三峡库区及其上游水污染防治规划(2001～2010年)》，在未来l0年内，国家将投入392.2亿元防治三峡库区及其上游的水污染。其中在2003年前，国家将首批投入88.8亿元用于重庆市库区(包括40个区、县)城镇生活垃圾卫生填埋场(全部使用HDPE土工膜防渗材料)设施的建设，并对渗滤液进行处理达标后排放。
我国已建成的数十座大中型城市生活垃圾填埋场，如深圳、北海、昆明、海口、保定、北京六里屯、天津、青岛、泉州等，皆采用了HDPE土工膜。目前正在设计、筹建的国内其它大中城市(如珠海、杭州)和三峡库区首批l3个城市(如开县、奉节、云阳、忠县、万州)等生活垃圾填埋场皆采用了HDPE土工膜。HDPE土工膜是城市生活垃圾卫生填埋场防渗的核心材料。
1HDPE土工膜的特性、设计和施工
1.1HDPE土工膜特性
土工膜是垃圾填埋场工程常用的三种主要土工合成材料(另有土工网和土工织物)之一，其防渗性能是衡量垃圾卫生填埋场是否达到环保要求的主要指标。
土工膜通常由连续的聚合物薄层制成，并不是绝对不透水气，只是相对土工织物或填土甚至粘土而言是不透水气的。其水气渗透试验测得的数据在0.5×10-10～0.5×10-13cm／s之间。因此垃圾卫生填埋场其土工膜主要功能是用来隔断渗滤液和填埋场气体的外泄，防止有害物质污染周围环境。HDPE土工膜是垃圾卫生填埋场防渗工程中运用最广泛的材料，其运用的部位主要有填埋场底部衬垫、填埋场封场覆盖、渗滤液调节池衬垫等。目前，我国垃圾卫生填埋场中常用的HDPE土工膜皆从国外引进，如美国、德国、韩国等，其厚度主要有1.0mm，1.5mm，2.0mm，3.0mm，3.5mm。HDPE土工膜的结构型式有光面的和加糙的，适用于不同的场地要求。
HDPE土工膜的主要特征和优点有：
a.强度较高。屈服抗拉强度可达18MPa，断裂抗拉强度可达35MPa，剥离强度31kN／m，剪切强度33kN／m；延展性良好。屈服延伸率为l3%～16%，断裂延伸率为700%～800%，有较好的地表适从性、耐候性，其真正破坏时，应变大约高达1000%。
b.防渗能力好。防渗系数小于1×10-13cm／s，可以确保渗滤液不因衬垫而泄漏、污染土地，雨水不会透过封场的覆盖层，增加渗滤液量，填埋气体不会透过衬垫而泄出。
c.化学稳定性好。因填埋体的最高温度可达50℃，化学稳定性是填埋场设计过程中最关键的因素。HDPE土工膜是所有土工膜材料中化学稳定性最好的材料，城市生活垃圾卫生填埋场的渗滤液化学成分对HDPE衬垫不构成威胁，HDPE土工膜具有良好的防腐蚀性。
HDPE土工膜软化点约121℃，冷脆化点约为-120℃。其对无机酸、有机酸、无机盐、酒精类、醛类、胺类、酯类、油脂有较强抵抗力，能防止这些化学物的直接腐蚀，也能防止因吸收和膨胀而导致性能衰退，对某些碳氧化合物(如苯、苯乙醛、已烷和甲醛)也有一定的抵抗力，仅对卤族碳氧化合物(如氯化苯醛、含溴苯)的抵抗力较差。
国外从1994年开始室外风化试验，结果表明HDPE材料的性能始终良好。跨大西洋的通讯电缆是20世纪40年代铺设的，至今没有损坏，埋在土中和水下HDPE衬垫的耐久性可达50年以上。
d.具有良好的抗紫外光老化性。HDPE土工膜中的炭黑加强了其抗紫外光的能力。其中不用增塑剂，因而没有暴露在紫外光下被分解的问题。
e.抗啮齿动物和微生物侵袭。各种试验证明，动物和微生物只侵袭那种含有增塑剂的聚合物，并以其为食物，HDPE土工膜不受这种影响。
f.施工方便，施工技术成熟，焊接质量高。焊缝强度高于母体材料强度，焊缝的形式有单轨、双轨焊缝，双轨焊缝便于检测。
国外常用土工膜还有超低密聚乙烯(VLDPE)土工膜、复合土工膜(如HDPE土工膜和膨润土复合，VLDPE和HDPE复合)等。VLDPE土工膜适应变形能力较强，可用于柔韧性要求较高的填埋场。复合土工膜除具有复合用材的优点之外，另外还有增强抗渗透能力的优点。
1.2HDPE土工膜厚度、强度设计
HDPE土工膜在水平和坡面铺设时，其厚度设计采用薄膜理论公式：
式中：T为单宽土工膜所受拉力，kN／m；p为膜承受的垂直压力，kPa；b为预计膜下支持层可能产生的裂缝宽度，m；ε为膜的拉应变，%。
HDPE土工膜的强度设计满足下式：
式中：Tf为单宽土工膜的极限抗拉强度，kN／m；Fs为安全系数，在填埋场设计中建议该值大于10。
1.3HDPE土工膜渗滤液的渗漏量计算
尽管HDPE土工膜渗透性极弱，但仍然会有少量渗滤液透过，特别是当膜本身存在缺陷或在运输、施工过程中破损，渗漏量会更大。渗漏量与HDPE土工膜下持力土层的渗透性、密实度、接触表面相关。
Giroud和Bonaparte通过分析研究和模型测试，提出了下面两个经验公式来计算穿过复合衬垫中HDPE土工膜上一个圆孔的渗漏量。
a.铺设的HDPE土工膜折皱较少，低透水性土层密实度较大，其上表面光滑：
b.铺设的HDPE土工膜有一定的折皱，低透水性土层密实度较小，其上表面不光滑：
式中：Q为复合衬垫中HDPE土工膜上一个圆孔的渗漏率，m3／s；a为土工膜上小圆孔的面积，m2；h为土工膜上水头，m；Ks为复合衬垫中持力土层的渗透系数，m／s。
1.4HDPE土工膜与其它介质界面摩擦特性
在斜坡上铺设HDPE土工膜时，HDPE土工膜与其它材料(包括砂、混凝土)之间的摩擦特性是设计上一个很重要的控制指标。光面HDPE土工膜与其它材料之间的摩擦角较土的摩擦角小，很容易沿界面产生滑动。光面HDPE土工膜与其它材料之间的摩擦角见表1。
表1光面HDPE土工膜与其它材料之间的摩擦角(°)
从表1可知，光面HDPE土工膜与土工织物间的摩擦角较小(小于11°)。垃圾卫生填埋场设计中，斜坡上的HDPE土工膜一般选用加糙的HDPE土工膜，以增加其抗滑能力。
1.5HDPE土工膜防渗系统结构层
水利工程上一般在土工膜下支持层采用强透水性的材料，但作为环保项目的垃圾填埋场工程，若支持层仍采用强透水性的材料，一旦发生非人为的膜破损，渗滤液将通过膜下强透水性材料迅速向周边扩散，对环境造成污染。为减少对周围环境的影响，提高防渗层的安全度，建议在HDPE土工膜下支持层采用弱透水性材料，如粘土(渗透系数小于10-7cm／s)。土工膜上的保护层采用土工布和粘土层(厚50cm)。
1.6HDPE土工膜防渗结构边坡稳定分析
垃圾卫生填埋场的垃圾坝、填埋区侧壁边坡皆采用HDPE土工膜防渗。垃圾坝的HDPE土工膜边坡稳定分析与一般水利工程的挡水土石坝相同。因HDPE土工膜斜墙靠近上游坝坡，HDPE土工膜与坝体之间的摩擦系数一般小于坝体的内摩擦系数，因此，需要计算校核HDPE土工膜与保护层或坝体之间的抗滑稳定性。HDPE土工膜边坡稳定分析采用我国土工合成材料应用技术规范所推荐的极限平衡法。
填埋区侧壁边坡稳定计算可参照垃圾坝的HDPE土工膜边坡稳定分析方法进行。
边坡上的HDPE土工膜破坏模式为：
a.从锚固沟中脱出向下滑动。这种破坏常发生在HDPE土工膜铺设时，但通过HDPE土工膜与坡面之间摩擦能阻止HDPE土工膜在坡面上的滑移，同时HDPE土工膜与锚固沟沟壁的摩擦及锚固沟的锚固作用也可阻止HDPE土工膜的滑动。
b.沉降过大。垃圾堆体的沉降过大(10%～20%)，是由于垃圾填埋过程中的压实密度较小(一般只有800～1000kg／m3)、孔隙率较大、垃圾生化反应分解所致。填埋场的沉降(垃圾堆体的沉降及地基自身的沉降)过大，会使斜坡上的HDPE土工膜产生较大的张力，可能导致HDPE土工膜破坏。
1.7HDPE土工膜施工要求
a.须配合整个工程进度，彻底清除场地草皮、树根和一切尖角硬物，下垫层平整，不可有凸起褶皱，以防损伤土工膜。
b.对于松软部位应进行挖除回填夯实。场内任何足以毁损HDPE土工膜之物品，如铁钉、木材、突出物等，在HDPE土工膜铺设前应全部清除。为了防止人为损伤土工膜，禁止施工人员穿硬底鞋或带钉鞋，禁止往土工膜上扔杂物。
c.在平整场地完成后依据工程师核准的铺膜施工图铺设，并根据场地地形加设工作平台及锚固沟(1000mm×1000mm)，锚固沟的开挖回填均应满足土工膜安全稳固的要求。
d.土工膜和土工布铺设完成后，在填埋场库底覆盖50cm的粘土和40cm的小粒径碎石层，边坡部分自坡趾线垂直距离1.5m内覆盖50cm厚的压实粘土，保护HDPE土工膜免遭损坏。
e.现场搭接前须先彻底清除搭接部分的异物，如泥土、砂石等，搭接的接缝必须错开排列，搭接方法应采用挤出成型焊接法，下雨天或有雾、风沙太大时，不得进行搭接施工。铺设土工膜时可在膜上放置砂包压重，以防大风吹卷土工膜，且能保护土工膜不被损伤。
f.为保证土工膜的焊接质量，要将土工膜的焊缝面清理干净。根据气温和风向、风力，随时调整焊接温度和行焊速度；经常清除焊机胶轮表面及热楔表面粘附的土工膜材料的残余物，保持其表面清洁；施焊时基底一定要平整坚硬，拼缝搭接面一定要平整，防止焊缝褶皱不平。
g.在铺设土工膜上垫层、保护层面层及用粘土填锚固端时，不可损伤复合土工膜。
h.每道工序完成后必须经现场监理工程师的验收认可，方能进行下一道工序施工。
2应用实例
2.1深圳市下坪固体废弃物填埋场概况
深圳市下坪固体废弃物填埋场受纳物为城市生活垃圾，是我国最早采用20世纪90年代国际通用卫生填埋技术处理城市生活垃圾的大型现代化填埋场，于2001年3月被国家建设部批准为国家级城市生活垃圾处理示范工程。其总占地面积149hm2，整个工程规划分三期建设：一期填埋区占地63.4hm2，库容1493万m3，服务年限12a，投资3.4亿元；二期填埋区占地55.8hm2，库容约1200万m3，服务年限10a；远期计划在一、二期填埋区上再堆高50～60m，库容约2000万rn3，服务年限13a。
总填埋库容为4693万m3，目前日均处理规模为2000t，属I级规模填埋场。下坪固体废弃物填埋场采用人工水平防渗技术，有效地实现了场区清、浊、污分流，建有完善独立的地下水收集系统、渗滤液收集系统、填埋场气体收集系统、环境监测系统、自动称重系统、闭路电视监控和电脑网络系统。自投产运行以来，认真执行卫生填埋技术规范，采用先进的辗压设备，达到了卫生填埋压实覆盖的技术标准要求。
2.2HDPE土工膜应用
下坪固体废弃物填埋场最大的垃圾堆积高度达120余m，根据计算，采用表面加糙HDPE土工膜，厚2mm(美国进口，幅宽6.8m)，其物理力学性能见表2。垃圾容重按10kN／m3考虑。经计算，HDPE土工膜的强度安全系数为50。
在单层HDPE土工膜上有保护层(土工布、粘土层)，膜下有支持层(粘土层)。在主渗滤液收集系统之下增加了一层土工复合膜(膨润土厚6mm)，增加其抗渗能力。
若HDPE土工膜与下层土接合良好，复合衬垫中HDPE土工膜每4000m2有一个0.1cm2小孔，复合衬垫中土层的渗透系数为1×10-7m／s，土工膜上水头0.3m，则复合衬垫渗漏率为3.206×10-6m3／(m2•d)。
HDPE土工膜防渗结构边坡稳定计算采用极限平衡法，其边坡抗滑稳定安全系数达到1.3。
3结语
根据国内外成功实例的经验，采取以HDPE土工膜为核心的层状防渗结构层，在填埋场的底部和周边形成隔离层，防止渗滤液污染地下水，减少渗滤液产生量，并实现渗滤液和地表水、地下水的分流排放，能有效达到防渗环保目的。目前土工膜已在我国城市生活垃圾填埋场中广泛运用，土工膜的设计(厚度、强度、渗漏量、边坡稳定等)、施工技术已逐渐被我国的工程技术人员掌握。土工膜施工保护措施是非常重要的，施工单位需有完善的施工组织设计，确保土工膜不因石、锐器、人为等因素损伤而发生渗漏现象。深圳市下坪固体废弃物填埋场5年多运行和地下水的监测表明，城市生活垃圾填埋场采用土工膜复合结构防渗系统是科学合理、安全可靠的。