HDPE土工膜在城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場中的應(yīng)用
近l0年來，我國城市生活垃圾的無害化處理率有較大幅度的提高。1991年，城市生活垃圾無害化處理率不足3％，到1998年基本上達到20％。從 1996年起，我國開始將高密度聚乙烯(HDPE)土工膜運用于城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場，大大提高了我國城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)水平。
2l世紀初期，城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場在我國得到了快速發(fā)展，有關(guān)建設(shè)標準及設(shè)計規(guī)范相繼出臺，如《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項目建設(shè)標準》和《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》2001年頒布執(zhí)行，為城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計指明方向。
按照《三峽庫區(qū)及其上游水污染防治規(guī)劃（2001～2010年）》，在未來l0年內(nèi)，國家將投入392.2億元防治三峽庫區(qū)及其上游的水污染。其中在 2003年前，國家將首批投入88.8億元用于重慶市庫區(qū)(包括40個區(qū)、縣)城鎮(zhèn)生活垃圾衛(wèi)生填埋場(全部使用HDPE土工膜防滲材料)設(shè)施的建設(shè)，并對滲濾液進行處理達標后排放。
我國已建成的數(shù)十座大中型城市生活垃圾填埋場，如深圳、北海、昆明、？、保定、北京六里屯、天津、青島、泉州等，皆采用了HDPE土工膜。目前正在設(shè)計、籌建的國內(nèi)其它大中城市(如珠海、杭州)和三峽庫區(qū)首批l3個城市(如開縣、奉節(jié)、云陽、忠縣、萬州)等生活垃圾填埋場皆采用了HDPE土工膜。 HDPE土工膜是城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲的核心材料。
1HDPE土工膜的特性、設(shè)計和施工
1.1HDPE土工膜特性
土工膜是垃圾填埋場工程常用的三種主要土工合成材料(另有土工網(wǎng)和土工織物)之一，其防滲性能是衡量垃圾衛(wèi)生填埋場是否達到環(huán)保要求的主要指標。
土工膜通常由連續(xù)的聚合物薄層制成，并不是絕對不透水氣，只是相對土工織物或填土甚至粘土而言是不透水氣的。其水氣滲透試驗測得的數(shù)據(jù)在 0.5×10-10～0.5×10-13cm／s之間。因此垃圾衛(wèi)生填埋場其土工膜主要功能是用來隔斷滲濾液和填埋場氣體的外泄，防止有害物質(zhì)污染周圍環(huán)境。HDPE土工膜是垃圾衛(wèi)生填埋場防滲工程中運用最廣泛的材料，其運用的部位主要有填埋場底部襯墊、填埋場封場覆蓋、滲濾液調(diào)節(jié)池襯墊等。目前，我國垃圾衛(wèi)生填埋場中常用的HDPE土工膜皆從國外引進，如美國、德國、韓國等，其厚度主要有1.0mm，1.5mm，2.0mm，3.0mm，3.5mm。 HDPE土工膜的結(jié)構(gòu)型式有光面的和加糙的，適用于不同的場地要求。
HDPE土工膜的主要特征和優(yōu)點有：
a.強度較高。屈服抗拉強度可達18MPa，斷裂抗拉強度可達35MPa，剝離強度31kN／m，剪切強度33kN／m；延展性良好。屈服延伸率為l3％～16％，斷裂延伸率為700％～800％，有較好的地表適從性、耐候性，其真正破壞時，應(yīng)變大約高達1000％。
b.防滲能力好。防滲系數(shù)小于1×10-13cm／s，可以確保滲濾液不因襯墊而泄漏、污染土地，雨水不會透過封場的覆蓋層，增加滲濾液量，填埋氣體不會透過襯墊而泄出。
c.化學(xué)穩(wěn)定性好。因填埋體的最高溫度可達50℃，化學(xué)穩(wěn)定性是填埋場設(shè)計過程中最關(guān)鍵的因素。HDPE土工膜是所有土工膜材料中化學(xué)穩(wěn)定性最好的材料，城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場的滲濾液化學(xué)成分對HDPE襯墊不構(gòu)成威脅，HDPE土工膜具有良好的防腐蝕性。
HDPE土工膜軟化點約121℃，冷脆化點約為-120℃。其對無機酸、有機酸、無機鹽、酒精類、醛類、胺類、酯類、油脂有較強抵抗力，能防止這些化學(xué)物的直接腐蝕，也能防止因吸收和膨脹而導(dǎo)致性能衰退，對某些碳氧化合物(如苯、苯乙醛、已烷和甲醛)也有一定的抵抗力，僅對鹵族碳氧化合物(如氯化苯醛、含溴苯)的抵抗力較差。
國外從1994年開始室外風(fēng)化試驗，結(jié)果表明HDPE材料的性能始終良好。跨大西洋的通訊電纜是20世紀40年代鋪設(shè)的，至今沒有損壞，埋在土中和水下HDPE襯墊的耐久性可達50年以上。
d.具有良好的抗紫外光老化性。HDPE土工膜中的炭黑加強了其抗紫外光的能力。其中不用增塑劑，因而沒有暴露在紫外光下被分解的問題。
e.抗嚙齒動物和微生物侵襲。各種試驗證明，動物和微生物只侵襲那種含有增塑劑的聚合物，并以其為食物，HDPE土工膜不受這種影響。
f.施工方便，施工技術(shù)成熟，焊接質(zhì)量高。焊縫強度高于母體材料強度，焊縫的形式有單軌、雙軌焊縫，雙軌焊縫便于檢測。
國外常用土工膜還有超低密聚乙烯(VLDPE)土工膜、復(fù)合土工膜(如HDPE土工膜和膨潤土復(fù)合，VLDPE和HDPE復(fù)合)等。VLDPE土工膜適應(yīng)變形能力較強，可用于柔韌性要求較高的填埋場。復(fù)合土工膜除具有復(fù)合用材的優(yōu)點之外，另外還有增強抗?jié)B透能力的優(yōu)點。
1.2HDPE土工膜厚度、強度設(shè)計
HDPE土工膜在水平和坡面鋪設(shè)時，其厚度設(shè)計采用薄膜理論公式：
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式中：T為單寬土工膜所受拉力，kN／m；p為膜承受的垂直壓力，kPa；b為預(yù)計膜下支持層可能產(chǎn)生的裂縫寬度，m；ε為膜的拉應(yīng)變，％。
HDPE土工膜的強度設(shè)計滿足下式：
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式中：Tf為單寬土工膜的極限抗拉強度，kN／m；Fs為安全系數(shù)，在填埋場設(shè)計中建議該值大于10。
1.3HDPE土工膜滲濾液的滲漏量計算
盡管HDPE土工膜滲透性極弱，但仍然會有少量滲濾液透過，特別是當膜本身存在缺陷或在運輸、施工過程中破損，滲漏量會更大。滲漏量與HDPE土工膜下持力土層的滲透性、密實度、接觸表面相關(guān)。
Giroud和Bonaparte通過分析研究和模型測試，提出了下面兩個經(jīng)驗公式來計算穿過復(fù)合襯墊中HDPE土工膜上一個圓孔的滲漏量。
a.鋪設(shè)的HDPE土工膜折皺較少，低透水性土層密實度較大，其上表面光滑：
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b.鋪設(shè)的HDPE土工膜有一定的折皺，低透水性土層密實度較小，其上表面不光滑：
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式中：Q為復(fù)合襯墊中HDPE土工膜上一個圓孔的滲漏率，m3／s；a為土工膜上小圓孔的面積，m2；h為土工膜上水頭，m；Ks為復(fù)合襯墊中持力土層的滲透系數(shù)，m／s。
1.4HDPE土工膜與其它介質(zhì)界面摩擦特性
在斜坡上鋪設(shè)HDPE土工膜時，HDPE土工膜與其它材料(包括砂、混凝土)之間的摩擦特性是設(shè)計上一個很重要的控制指標。光面HDPE土工膜與其它材料之間的摩擦角較土的摩擦角小，很容易沿界面產(chǎn)生滑動。光面HDPE土工膜與其它材料之間的摩擦角見表1。
表1光面HDPE土工膜與其它材料之間的摩擦角(°)
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從表1可知，光面HDPE土工膜與土工織物間的摩擦角較小(小于11°)。垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計中，斜坡上的HDPE土工膜一般選用加糙的HDPE土工膜，以增加其抗滑能力。
1.5HDPE土工膜防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層
水利工程上一般在土工膜下支持層采用強透水性的材料，但作為環(huán)保項目的垃圾填埋場工程，若支持層仍采用強透水性的材料，一旦發(fā)生非人為的膜破損，滲濾液將通過膜下強透水性材料迅速向周邊擴散，對環(huán)境造成污染。為減少對周圍環(huán)境的影響，提高防滲層的安全度，建議在HDPE土工膜下支持層采用弱透水性材料，如粘土(滲透系數(shù)小于10-7cm／s)。土工膜上的保護層采用土工布和粘土層(厚50cm)。
1.6HDPE土工膜防滲結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定分析
垃圾衛(wèi)生填埋場的垃圾壩、填埋區(qū)側(cè)壁邊坡皆采用HDPE土工膜防滲。垃圾壩的HDPE土工膜邊坡穩(wěn)定分析與一般水利工程的擋水土石壩相同。因HDPE土工膜斜墻靠近上游壩坡，HDPE土工膜與壩體之間的摩擦系數(shù)一般小于壩體的內(nèi)摩擦系數(shù)，因此，需要計算校核HDPE土工膜與保護層或壩體之間的抗滑穩(wěn)定性。 HDPE土工膜邊坡穩(wěn)定分析采用我國土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范所推薦的極限平衡法。
填埋區(qū)側(cè)壁邊坡穩(wěn)定計算可參照垃圾壩的HDPE土工膜邊坡穩(wěn)定分析方法進行。
邊坡上的HDPE土工膜破壞模式為：
a.從錨固溝中脫出向下滑動。這種破壞常發(fā)生在HDPE土工膜鋪設(shè)時，但通過HDPE土工膜與坡面之間摩擦能阻止HDPE土工膜在坡面上的滑移，同時HDPE土工膜與錨固溝溝壁的摩擦及錨固溝的錨固作用也可阻止HDPE土工膜的滑動。
b.沉降過大。垃圾堆體的沉降過大(10％～20％)，是由于垃圾填埋過程中的壓實密度較小(一般只有800～1000kg／m3)、孔隙率較大、垃圾生化反應(yīng)分解所致。填埋場的沉降(垃圾堆體的沉降及地基自身的沉降)過大，會使斜坡上的HDPE土工膜產(chǎn)生較大的張力，可能導(dǎo)致HDPE土工膜破壞。
1.7HDPE土工膜施工要求
a.須配合整個工程進度，徹底清除場地草皮、樹根和一切尖角硬物，下墊層平整，不可有凸起褶皺，以防損傷土工膜。
b.對于松軟部位應(yīng)進行挖除回填夯實。場內(nèi)任何足以毀損HDPE土工膜之物品，如鐵釘、木材、突出物等，在HDPE土工膜鋪設(shè)前應(yīng)全部清除。為了防止人為損傷土工膜，禁止施工人員穿硬底鞋或帶釘鞋，禁止往土工膜上扔雜物。
c.在平整場地完成后依據(jù)工程師核準的鋪膜施工圖鋪設(shè)，并根據(jù)場地地形加設(shè)工作平臺及錨固溝(1000mm×1000mm)，錨固溝的開挖回填均應(yīng)滿足土工膜安全穩(wěn)固的要求。
d.土工膜和土工布鋪設(shè)完成后，在填埋場庫底覆蓋50cm的粘土和40cm的小粒徑碎石層，邊坡部分自坡趾線垂直距離1.5m內(nèi)覆蓋50cm厚的壓實粘土，保護HDPE土工膜免遭損壞。
e.現(xiàn)場搭接前須先徹底清除搭接部分的異物，如泥土、砂石等，搭接的接縫必須錯開排列，搭接方法應(yīng)采用擠出成型焊接法，下雨天或有霧、風(fēng)沙太大時，不得進行搭接施工。鋪設(shè)土工膜時可在膜上放置砂包壓重，以防大風(fēng)吹卷土工膜，且能保護土工膜不被損傷。
f.為保證土工膜的焊接質(zhì)量，要將土工膜的焊縫面清理干凈。根據(jù)氣溫和風(fēng)向、風(fēng)力，隨時調(diào)整焊接溫度和行焊速度；經(jīng)常清除焊機膠輪表面及熱楔表面粘附的土工膜材料的殘余物，保持其表面清潔；施焊時基底一定要平整堅硬，拼縫搭接面一定要平整，防止焊縫褶皺不平。
g.在鋪設(shè)土工膜上墊層、保護層面層及用粘土填錨固端時，不可損傷復(fù)合土工膜。
h.每道工序完成后必須經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理工程師的驗收認可，方能進行下一道工序施工。
2應(yīng)用實例
2.1深圳市下坪固體廢棄物填埋場概況
深圳市下坪固體廢棄物填埋場受納物為城市生活垃圾，是我國最早采用20世紀90年代國際通用衛(wèi)生填埋技術(shù)處理城市生活垃圾的大型現(xiàn)代化填埋場，于2001 年3月被國家建設(shè)部批準為國家級城市生活垃圾處理示范工程。其總占地面積149hm2，整個工程規(guī)劃分三期建設(shè)：一期填埋區(qū)占地63.4hm2，庫容 1493萬m3，服務(wù)年限12a，投資3.4億元；二期填埋區(qū)占地55.8hm2，庫容約1200萬m3，服務(wù)年限10a；遠期計劃在一、二期填埋區(qū)上再堆高50～60m，庫容約2000萬rn3，服務(wù)年限13a。
總填埋庫容為4693萬m3，目前日均處理規(guī)模為2000t，屬I級規(guī)模填埋場。下坪固體廢棄物填埋場采用人工水平防滲技術(shù)，有效地實現(xiàn)了場區(qū)清、濁、污分流，建有完善獨立的地下水收集系統(tǒng)、滲濾液收集系統(tǒng)、填埋場氣體收集系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自動稱重系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控和電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自投產(chǎn)運行以來，認真執(zhí)行衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范，采用先進的輾壓設(shè)備，達到了衛(wèi)生填埋壓實覆蓋的技術(shù)標準要求。
2.2HDPE土工膜應(yīng)用
下坪固體廢棄物填埋場最大的垃圾堆積高度達120余m，根據(jù)計算，采用表面加糙HDPE土工膜，厚2mm(美國進口，幅寬6.8m)，其物理力學(xué)性能見表2。垃圾容重按10kN／m3考慮。經(jīng)計算，HDPE土工膜的強度安全系數(shù)為50。
在單層HDPE土工膜上有保護層(土工布、粘土層)，膜下有支持層(粘土層)。在主滲濾液收集系統(tǒng)之下增加了一層土工復(fù)合膜(膨潤土厚6mm)，增加其抗?jié)B能力。
若HDPE土工膜與下層土接合良好，復(fù)合襯墊中HDPE土工膜每4000m2有一個0.1cm2小孔，復(fù)合襯墊中土層的滲透系數(shù)為1×10-7m／s，土工膜上水頭0.3m，則復(fù)合襯墊滲漏率為3.206×10-6m3／(m2•d)。
HDPE土工膜防滲結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定計算采用極限平衡法，其邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達到1.3。
3結(jié)語
根據(jù)國內(nèi)外成功實例的經(jīng)驗，采取以HDPE土工膜為核心的層狀防滲結(jié)構(gòu)層，在填埋場的底部和周邊形成隔離層，防止?jié)B濾液污染地下水，減少滲濾液產(chǎn)生量，并實現(xiàn)滲濾液和地表水、地下水的分流排放，能有效達到防滲環(huán)保目的。目前土工膜已在我國城市生活垃圾填埋場中廣泛運用，土工膜的設(shè)計(厚度、強度、滲漏量、邊坡穩(wěn)定等)、施工技術(shù)已逐漸被我國的工程技術(shù)人員掌握。土工膜施工保護措施是非常重要的，施工單位需有完善的施工組織設(shè)計，確保土工膜不因石、銳器、人為等因素損傷而發(fā)生滲漏現(xiàn)象。深圳市下坪固體廢棄物填埋場5年多運行和地下水的監(jiān)測表明，城市生活垃圾填埋場采用土工膜復(fù)合結(jié)構(gòu)防滲系統(tǒng)是科學(xué)合理、安全可靠的。
參考文獻：略
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