垃圾填埋场垂直防渗帷幕设计及稳定性计算

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1、垃圾填埋场垂直防渗帷幕设计及稳定性计算引言随着中国城市化进程的不断推进，城市垃圾卫生填埋场的建设发展也刻不容 缓。垃圾填埋场的建设中，渗滤液的控制是最为关键的问题，以防止对填埋区周 围环境造成污染。目前在填埋场的防渗系统有水平防渗衬层和垂直注浆帷幕两 种，其中垂直防渗帷幕具有成本低、投资少及易修复等优势，其主要是通过延长 渗径来减缓渗滤液或污染物的扩散速度。城市生活垃圾卫生填埋场采用垂直防渗 技术，应根据不同工程场地，通过相应的工程勘探，经方案选优后确定相应的施 工方案。本文尝试以某工业园城市垃圾填埋场项目为基础，对该项目垂直防渗帷 幕方案选择、设计和施工等问题进行探讨和模拟计算，希望对工程实

2、践起到一定 指导。1垂直防渗帷幕设计1.1工程地质情况垃圾填埋场（危险废物填埋等）若不采取有效的垂直防渗作业，在降雨和地 下水渗流等综合作用下，将会对地下水造成污染，严重影响填埋区周围水质和环 境。拟建项目位于江苏省某工业园内，总占地面积约为9.8hm2，填埋库区位于 场地东部，填埋库区分为4个填埋单元分区进行填埋，处置物料为固态、半固态以及散料，不接受液态物料，其成分主要为盐渣、废盐、污泥、化工废渣等。本区域水文地质条件简单，与本工程关系密切的地下水主要是浅层潜水型地 下水，区域附近地表水系较发育，以河流及人工沟渠为主。内河水位、流量主要 受季节和大气降水控制。在勘探深度内，有2个承压水含水

3、层分布，分别赋存于 层、层、层和层、层、层中。其间有层隔水层，其渗透性较低， 系2个独立承压含水层，本身相互影响较小，层、层、层微承压含水层埋 藏相对较浅，对基础施工和垂直防渗工程有一定影响；层、层、层微承压 含水层埋藏在20m左右，相对较深，对基础施工和垂直防渗工程基本无影响，且 浅层土的化学成分基本与地下水化学成分相同，浅层土腐蚀性可等同于地下水的 腐蚀性，因此可得出本场地浅层土对钢筋混凝土具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构 中钢筋干湿交替环境条件下具微腐蚀性。但当场地水平防渗结构层出现漏点、或 地下水位未能有效抽排控制到位，填埋场内的危废污染物有可能对外围地下水及 土壤形成污染，故应在现有垂直

4、防渗墙外侧建设一道垂直防渗墙，达到阻隔污染 物外移扩散的主要目的，同时兼顾控制场内地下水位的功能。由于场地类型为较弱场地土且受软土存在影响，垂直防渗墙需有抗变形能 力，地下水及浅层土的腐蚀性，垂直防渗墙需有防腐蚀能力，由于地层下部黏性 土层力学性质较差，因此垂直防渗墙施工时需做好泥浆护壁等保护措施。1.2垂直防渗帷幕方案选择垂直防渗帷幕的设计与其施工工艺水平是紧密相关的，应根据工程场地的隔 水层条件、地形及稳定情况，结合渗滤液水质、帷幕需要达到的渗透系数、深度 和刚度选择与之相适应的垂直防渗型式。目前填埋场应用较多的是从水利、冶金 矿山等行业引进的防渗技术，总体说来可以分为柔性垂直防渗帷幕技术

5、（HDPE 土工膜-膨润土复合墙）和刚性垂直防渗技术（以膨润土或混凝土为主要材料） 两大类技术。根据以上比较，由于场地类型为较弱场地土且受软土存在影响，另外地下水 及浅层土的腐蚀性，同时根据生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范 （CJJ176-2012），“在特殊地质和环境要求非常高的场地，宜采用HDPE 土工膜 -膨润土复合墙”，因此采用抗变形能力好，耐化学性能力强的HDPE 土工膜-膨 润土复合墙。1.3 HDPE 土工膜-膨润土复合墙垂直防渗帷幕设计该危废填埋场建设时采用真空预压进行地基处理，根据地基处理要求，塑料 排水板的深度为7.9m8.3m，结合项目场地地质勘查情况，填埋场存在A层

6、淤泥质粉质黏土、层淤泥质粉质黏土两个隔水层，其中A层淤泥质粉质黏土 埋深1.21m3.24m，塑料排水板已将A层击穿且塑料排水板全场1.0m间距正 方形布置，因此不能将A层淤泥质粉质黏土作为隔水层；虽然C层淤泥粉质 黏土层顶埋深3.1m5.6m，厚度2.3m5.4m，渗透系数相对较低，但其下承压 水具有突涌可能性，不宜作为垂直防渗工程隔水层；而淤泥质粉质黏土层渗透 性相对较低，层厚为1.9m6.2m，埋深、分布基本稳定，结合填埋场埋深以及 下部承压水问题，选择淤泥质粉质黏土层作为不透水层，以控制地下水位，利 于污染物泄漏检测，降低污染扩散风险。根据施工规范槽段宽度模数为0.6m、0.8m、1.

7、0m和1.2m。受开槽机宽度 （0.55m）影响，目前采用的槽段宽度已为最低值。另外考虑到开槽过程中槽壁 收缩、机械振动等不可避免因素影响，国内外工程案例开槽宽度均不低于0.6m， 以利于开槽垂直下膜为原则，将本工程开槽宽度定为0.6m，本工程基本槽段采 用一槽三抓挖槽法，先两边后中间。开槽宽度为600mm。深度抵达本地段连续相 对不透水层，并且深入不透水层2.0m。HDPE膜-膨润土复合防渗墙被认为是目前最为安全有效的地下污染源阻隔 技术。该复合防渗利用膨润土的高吸附性能和自愈合性能结合，形成一种很好的 垂直屏障，从而对地下污染源实现有效的封堵。膨润土是一种蒙脱石为主要矿物 成分的粘土岩，具

8、有强的吸湿性和膨胀性，可吸附815倍于自身体积的水量， 体积膨胀可达数倍至30倍，能自动修补土工膜施工时可能产生的微小孔洞，且 其防渗性能较好，由于利用膨润土的吸附性和自愈性，因此可以采用国内普遍存 在的钙基膨润土。回填料按粘土：膨润土：水泥=90： 10： 16。水泥需为抗硫酸 盐水泥，且强度等级32.5以上。混合成泥浆后，含水率不宜大于40%，用导管 在HDPE膜靠近硬化道路的一侧实施水下浇注。水泥土的标准强度评定以90天的 无侧限抗压强度为准，90天后无侧限抗压强度为0.84MPa。水泥土 7d可达 0.23MPa； 28d 可达 0.64MPa。垂直防渗墙设置在库区四周，将填埋库区底部

9、围成封闭的单元，阻断地下水 的补给，并通过内侧抽水井抽排，从而降低地下水。2 FLAC 3D数值模拟计算2.1计算模型及参数设置垂直防渗工程设置在库区四周，将填埋库区底部围成封闭的单元，阻断地下 水的外渗，并通过内侧抽水井抽排，从而降低地下水。垂直防渗体放置在填埋库 区环场围堤边坡下，围堤高度为2.0m2.5m，后期的填埋堆体以1：5的坡度收 坡，且填埋高度每升高2m，建造一个3m宽平台，填埋至封场标高约10.5m，然 后进行堆体整理和封场（封场顶标高12.5m）。垂直防渗体开槽宽度0.6m，回填 物为膨润土、水泥和粘土。垂直防渗帷幕施工期和堆载期稳定性采用FLAC 3D 软件计算，模型各土层

10、划分区域如图1，各土层参数见表1。模型靠近沟槽处网 格划分精度为0.2m，计算采用大变形分析（单元体可变形），计算工况分别为 垂直防渗施工期和后期库区堆载期。2.2垂直防渗帷幕施工期稳定性计算计算垂直防渗帷幕施工期土体的稳定性时，没有添加堆载体，所以模型的 19号分区不计入计算。对模型施加位移边界条件并对各土层赋参数，不考虑地 表土层的塑性破坏，所以17、18号土层仅赋弹性参数，其余编号土层塑性破坏 准则采用摩尔一库仑破坏准则进行计算。根据本工程具体特点，基槽挖深度较深， 土层以粉质黏土为主，渗透系数较大，地层下部黏性土层力学性质较差，在开挖 过程在若不采取有效措施，极易发生失稳破坏从而影响防

11、渗槽工程的施工，因此 采用间隔分序成槽的施工方法结合膨润土水泥护壁以提高槽壁稳定性。在自重条 件下计算，平衡之后开始挖槽，模型长度100m，槽宽0.6m，深18.89m，每次开 挖20m。挖槽后施加泥浆压力，护壁泥浆重度为Y=16kN/m3,按此重度在槽内施 加槽内表面压力yXh（y为护壁泥浆重度，h为沟槽从地表向下的深度）， 压力从地表向下逐渐增大。由计算结果可以看出，在长100m的模型中每次开挖长20m，宽0.6m，深 18.89m的垂直防渗帷幕沟槽的施工过程中，工程整体处于稳定状态，未出现破 坏。沟槽开挖完毕后，槽壁压力最大处出现在沟槽底部，符合实际施工状态。在 沟槽开挖后，周围两侧土体

12、由于土体的主动土压力，将会向沟槽挖空处移动。现 场工程情况中，沟槽右侧上部修筑有环场围堤，考虑围堤土体自重和滑移，沟槽 右侧（即修筑有围堤一侧）的位移量理论上将大于沟槽左侧，沟槽位移计算结果。显示在模型中沟槽开挖后，沟槽左右两侧将出现位移。模型最大位移发生在 沟槽附近，其中沟槽左侧土体最大位移量为3.998cm，方向指向沟槽；沟槽右侧 土体由于上覆有高度为2m2.5m的围堤，固围堤一侧最大位移量为5.457cm大 于沟槽左侧，方向指向沟槽，与理论相符合。根据上述计算，施工期沟槽左右两端土体将出现不同程度且指向沟槽的位 移，工程主体整体处于稳定状态。计算结果为理论结果，受现场条件影响很大， 如围

13、堤填筑情况、沟槽开挖施工工艺、长度和宽度，护壁泥浆质量等因素。若沟 槽施工期出现裂缝或实际位移量大于理论计算位移量，应根据实际施工情况进行 判断，是否需增加支护措施。2.3垂直防渗帷幕堆载期稳定性计算后期库区堆载，在垂直防渗帷幕沟槽施工完毕且预填水泥土已固结的基础上 按重量分十次依次堆载，对模型施加位移边界条件并对各土层赋参数，不考虑地表土层的塑性破坏，所以17、18号土层仅赋弹性参数，其余编号土层塑性破坏 准则采用摩尔一库仑破坏准则进行计算。考虑在第一次填埋时沟槽内预填水泥土 已固结，根据经验值选取固结后水泥土体积模量K=57.14MPa，剪切模量 G=52.17MPa，密度1800kg/m

14、3,堆载按照十次依次叠加，最终达到库区设计堆载。 堆载物以表层素填土的物理性质参与计算，计算结果如图4所示。a峰区堆裁期土是状态FL 1CW 土加Q3QT2IMU CsnihrtNi* ftw z4 inaAonr fllf KV ItWrHIgnn-E 4 项= T 001 3JL 配2 &_： OS -? MmF C&iOf中 ?OWMS T C ： WL 站 -4 Kf - 家掘皿 辱glW K4ft 03b库区堆载期水平应力云csxm图4库区堆载期计算结果从图4可以看出，当土体堆载完成后可明显看到工程整体未发生破坏，且堆 载期各项应力分部与实际工程情况相符（最大应力集中部分分布在围堤右

15、侧下 部，方向指向围堤），各土层处于稳定状态。考虑到沟槽开挖宽度较大（0.6m）， 深度较深（平均深度达18.89m），且开挖前围堤已经修建完毕，对沟槽会产生 较大主动土压力，故施工过程应严格按照施工工序进行，库区堆载应考虑垂直防 渗帷幕预填水泥土固结情况进行，同时做好堆载物体修坡工作，以确保工程整体 稳定性。3结论根据对工程项目所在地地质勘探资料分析和FLAC 3D模拟软件计算结果，可 以得出以下结论：对比4项垂直防渗帷幕技术，结合工程地质条件和实际情况，若场地类型为 较弱场地土且受软土存在影响，另外若地下水及浅层土的腐蚀性，宜采用抗变形 能力好，耐化学性能力强的HDPE 土工膜-膨润土复合墙；在选择垂直防渗帷幕不 透水层时应充分考虑工程场地的工程地质条件及地下水文条件，确保有效的控制 地下水位，利于污染物泄漏检测，降低污染扩散风险；根据项目的工程地质勘探 资料及规范要求，利用FLAC 3D对垂直防渗帷幕实际工程进行模拟计算。计算结 果显示，在垂直防渗帷幕沟槽施工期，工程整体处于稳定状态，围堤一侧位移量 为5.457cm方向指向沟槽，另一侧位移量3.998cm方向指向沟槽，与实际施工情 况相符;库区堆载期工程整体处于稳定状态，各项应力分部与实际工程情况相符; 利用FLAC 3D计算软件对工程垂直防渗帷幕施工期和库区堆载期进行稳定性计 算，对工程施工过程具有一定的指导作用。