（环境工程专业论文）垃圾填埋场替代衬垫研究.pdf

摘要 废弃物填埋的实质，是采用土木工程的方法包封废弃物，将污染物的扩散控制在特定 的区域及能够接受的水平之下。从这个意义上讲，垃圾填埋场的衬垫应具有极低的渗透系 数和明显的污染物拦截效果。因此，在填埋场衬垫材料的选择上多倾向于具有低渗透性和 良好吸附性能的粘土或其他人工合成材料。根据我国2 0 0 7 年最新颁布的城市生活垃圾卫 生填埋技术标准要求，只要满足衬垫渗透系数要1xl o - t c m s ，衬垫材料允许使用所有可 能的土质材料，给各地因地制宜地设计压实天然土替代衬垫提供了可能。 从污染控制方面考虑，包封实施的设计并不具有唯一性。换言之，不同的设计方案完 全可以达到相同的污染控制效果。因此，科学的垃圾填埋设计规范应当侧重污染控制标准， 容许在满足污染控制标准的前提下因地制宜，采用非标准之外的“替代方案”。 本文首先从衬垫材料替代方面出发，选取广泛分布在西北地区的黄土进行渗透试验， 添加膨润土、水泥、石灰、粉煤灰改性，测试改性后黄土的渗透系数。结果表明，膨润土 可以有效降低黄土的渗透系数，达到规范要求。其他三种改性剂可以增强黄土强度，但不 能降低黄土的渗透系数。然后从污染物控制替代方面出发，利用污染物在土中迁移的对流 弥散方程，考虑黄土对污染物z n 2 + 、c d 2 + 的吸附作用，计算污染物通过衬垫的污染物累积 量和污染物的衰减浓度。结果表明，增大厚度的黄土衬垫的污染物累积量和粘土衬垫的污 染物累积量浓度相当，对污染物的拦截效果是粘土衬垫的8 0 一9 0 。说明在实际衬垫渗透 系数大于国家规范的情况下，通过增大厚度进行补偿，可以取得相同的污染阻隔效果。 关键词：衬垫；替代；渗透系数；污染控制 a bs t r a c t t h ee s s e n c eo fl a n d f i l li st oc o n t r o lt h es p r e a do fp o l l u t a n t si nap a r t i c u l a rr e g i o na n d a c c e p t a b l el e v e lw i t he n c a p s u l a t i o nm e t h o d so fc i v i le n g i n e e r i n g i nt h i ss e n s e ，t h e l o w p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta n dt h eo b v i o u so b s t r u c t i n ge f f e c to fp o l l u t a n t si se x t r e m e l yi m p o r t a n t f o rt h el a n d f i l ll i n e r t h e r e f o r e ，c l a yo ro t h e rs y n t h e t i cm a t e r i a l sa r ep r e f e r r e df o rm a t e r i a lo f l i n e r t h ec h i n a s ”m u n i c i p a ls o l i dw a s t es a n i t a r yl a n d f i l lt e c h n i c a ls t a n d a r d s ”h a v eb e e n i s s u e di n2 0 0 7 t h i ss t a n d a r dr e q u i r e m e n tt h a tt h el a n d f i l ll i n e rc o u l du s ea l lp o s s i b l es o i l m a t e r i a l si ft h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tn om o r et h a nl xl o 7 c r r g s s ot h i ss t a n d a r dp r o v i d et h e p o s s i b l ef o rd e s i g n i n gt h ea p p r o p r i a t el i n e r c o n s i d e r i n gt h ep o l l u t i o nc o n t r o l ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ed e s i g no fe n c a p s u l a t i o ni sn o t o n l y i no t h e rw o r d s ，d i f f e r e n td e s i g n sc a na c h i e v et h es a m ee f f e c to fp o l l u t i o nc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ， t h es c i e n t i f i cl a n d f i l ld e s i g ns h o u l de m p h a s i z ep a r t i c u l a r l yo np o l l u t i o nc o n t r o ls t a n d a r d s ，a l l o w t oa d o p t ”a l t e r n a t i v e ”l i n e ra sl o n ga sm e e t i n g p o l l u t i o nc o n t r o ls t a n d a r d s i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yc o n s i d e rt h ea l t e r n a t i v em e t e r a lo fl i n e r s e l e c tt h el o e s st h a t d i s t r i b u t eb r o a d l yi nt h en o r t h w e s to fc h i n at ot e s tt h em i x e ds o i l ( 1 0 e s s - b e n t o n i t e ，l o e s s - c e m e n t ， l o e s s l i m e ，l o e s s - f l ya s h ) h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tb e n t o n i t e c a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fl o e s s t h eo t h e rt h r e em o d i f i e r sc a ne n h a n c et h es t r e n g t ho f l o e s s ，b u ti tc a nn o tr e d u c et h ep e r m e a b i l i t yo fl o e s s t h e n ，w eu s et h ec o n v e c t i o n d i s p e r s i o n e q u a t i o no fs o i lt oc a l c u l a t ep o l l u t a n tt a k i n gi n t ot h ea d s o r p t i o no fz n “、c d “f o rl o e s s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c u m u l a t i o no fp o l l u t a n t so ft h i c k e rl o e s sl i n e re q u a lt ot h ec l a yl i n e r ，a n d t h ea t t e n u a t i o no fp o l l u t a n t si s8 0 一9 0 t h i sr e s u l ts h o w st h a tt h ea l t e r n a t i v el i n e rc a n a c h i e v e dt h es a m eb l o c k i n ge f f e c tf o rp o l l u t i o nt h r o u g hi n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fl i n e r k e yw o r d s ：l i n e r , a l t e r n a t i v e ，h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ，p o l l u t i o nc o n t r o l 图形目录 图1 - 1 论文提纲。4 图2 1 考虑干密度和含水量的渗透系数理想区1 2 图2 2 膨润土含量和渗透系数之间的关系1 5 图3 - 1 常水头试验装置示意图2 7 图3 - 2 变水头试验装置示意图2 8 图3 3 三种常见的吸附等温线3 0 图4 1h m - 4 1 6 0 a 型柔性壁渗透仪4 3 图舢2 渗透试验步骤4 5 图4 - 3 不同膨润土掺量下两种改性黄土的渗透系数4 6 图4 _ 4 不同石灰掺量下两种改性黄土的渗透系数4 7 图4 - 5 不同水泥掺量下两种改性黄土的渗透系数4 8 图4 - 6 不同水泥掺量下复合黄土( 7 0 黄土+ 3 0 粉煤灰) 的渗透性4 9 图4 - 7 榆林黄土对z n 、c a 的吸附量5 1 图缸8 兰州黄土对z n 、c d 的吸附性5 1 图4 - 9 榆林黄土吸附性曲线拟合5 2 图4 1 0 兰州黄土吸附性曲线拟合5 2 图4 - 1 1 榆林黄土对z n 2 + 离子的最大吸附拟合结果5 3 图4 - 1 2 兰州黄土对z n 2 + 离子的最大吸附拟合结果5 3 图4 - 1 3 标准方案( a ) 中污染物的累积穿透量5 9 图4 - 1 4 压实黄土替代方案( b ) 中污染物的累积穿透量5 9 图4 1 5 标准方案( a ) 与替代方案( b ) 中污染物的浓度衰减情况6 0 表格目录 表2 1 按颗粒组成的土分类( g b j l 4 5 0 9 0 ) 6 表2 - 2 按渗透系数大小的土分类。6 表2 - 3 现代卫生填埋场防渗系统的主要构成9 表2 _ 4 各国填埋场衬垫要求1 1 表2 - 5 各种改型材料的渗透性指标1 3 表4 1 改性黄土衬垫配比方案4 2 表禾2 黄土基本物理性质4 2 表4 - 3 高庙子( g m z ) 膨润土的基本物理性质4 2 表4 _ 4 土样的最优含水量和最大干密度4 4 表4 - 5 黄土矿物成分5 0 表4 _ 6 标准方案与替代方案的主要设计参数5 6 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何 其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：逻童 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：逻壹导师签名：期： 1 1 研究背景 第一章绪论 随着经济的不断发展，我国固体废弃物的产量不断增加。为了控制固体废弃物造成的 环境污染问题，我国先后出台了一系列政策和法规。这些法规对防治固体废弃物污染做出 了全面规定，是加强我国固体废弃物管理的基础。目前，我国防止城市固体废弃物污染的 基本原则是“减量化、资源化、无害化 。从技术层面而言，目前形势下，我国城市生活 垃圾处理处置的对策依次是“卫生填埋一焚烧一堆肥 。 卫生填埋场是处置城市固体废弃物的最常用的方法。如果按照固体废弃物增长速度计 算，在未来的2 0 年我国需要建造1 4 0 0 座垃圾填埋场才能满足垃圾处理的要求。如何因地制 宜地设计并建造垃圾填埋场，是当前必须考虑的问题。 关于城市生活垃圾的卫生填埋工程，我国于1 9 8 8 年首次颁布了城市生活垃圾卫生 填埋技术标准( c j j1 7 8 8 ) 【1 】，该标准于2 0 0 1 年再次修订为城市生活垃圾卫生填埋技术 规范( c j j1 7 2 0 0 1 ) 1 2 1 ，于2 0 0 4 年第三次修订为生活垃圾卫生填埋技术规范( c j j 1 7 2 0 0 4 ) 3 1 。与此相配套，针对填埋场的具体技术细节，2 0 0 3 年颁布了城市生活垃圾卫 生填埋场运行维护技术规程( c j j 9 3 2 0 0 3 ) 4 1 ，2 0 0 7 年颁布了生活垃圾卫生填埋场防渗系 统工程技术规 范) ) ( c j j l l 3 2 0 0 7 ) 1 5 】和生活垃圾卫生填埋场封场技术规程( c j j l l 2 2 0 0 7 ) 6 1 。 虽然经历了近2 0 年的论证和实践检验，建设部的垃圾卫生填埋技术规范始终停留在 部颁标准的层面上，没有上升为国家标准。最主要的原因可以归纳为如下3 个方面： ( 1 ) 我国各个地区经济发展水平很不均衡，如果制定国家级的强制标准，经济欠发达 地区废弃物处置要达到这个标准，需要承受与当地经济实力不相适应的经济支出，这种情 况反过来制约了经济不发达地区的废弃物管理水平的提高。 ( 2 ) 我国地域辽阔，各地气象、水文、地质等条件差别很大，需要充分考虑各个地区 的自然环境条件差别，需要在积累大量数据的基础上才能制定出符合实际情况的通用标 准。 ( 3 ) 废弃物填埋的实质是，采用土木工程的方法包封废弃物，将污染物的扩散控制在 特定的区域及能够接受的水平之下。从这个意义上讲，包封实施的设计并不具有唯一性。 换言之，不同的设计方案完全可以达到相同的污染控制效果。因此，科学的垃圾填埋设计 规范应当侧重污染控制标准，容许在满足污染控制标准的前提下因地制宜，采用非标准之 外的“替代方案”。 1 1 1 衬垫材料的替代 传统的水力屏障以低渗透性来防止污染物的渗透迁移，各国对于填埋场沉底渗透系数 的基本要求都是k 姜1 0 。1 c m s 。因此，压实后具有低渗透性的粘土一直被用作垃圾填埋场的 衬垫。但是由于粘土是一种比较匮乏的土，不能广泛使用。所以对粘土进行改性或使用其 他具有类似粘土性质的土作为填埋场的衬垫材料已被广泛使用。这就是对垃圾填埋场衬垫 材料的替代。从我国城市生活垃圾卫生填埋技术标准中关于压实土衬垫使用的土料可 以看出，1 9 8 8 规范要求是“粘土，2 0 0 1 规范使用“改良土 一词，2 0 0 4 规范变为“改性 粘土”，2 0 0 7 规范将其扩展到粘土及粘土之外的其他类型土。也就是说，在满足厚度( h ) 大 于2 m ，渗透系数( k ) 小于或等于1 0 - j 7c m s 的前提下，2 0 0 7 规范允许使用所有可能的土质材料。 我国地域辽阔，地质条件差异很大，特别是在粘土匮乏地区，新规范无疑给各地因地制宜 地设计压实天然土替代衬垫提供了可能。目前，国内外对于粘土或其他类型的土进行改性， 以满足渗透系数要求的研究已比较成熟，国外已有在实际工程中应用改性衬垫的实例。 1 1 2 污染控制等效替代 如果将k 三1 0 1 c m s ，h = 2 m 作为我国压实土衬垫的“标准 设计参数，从污染控制的角 度来看，土质类型、渗透系数、衬垫厚度三者之间以不同的形式组合，从理论上均可达到 和标准方案相同的防渗效果。 对于不同结构的衬垫而言，假定渗滤液水头h 、时间t 相同，根据达西定律可知，只要 渗透系数k 与衬垫厚度h 的比值k h 相等时，通过底衬的渗滤液流量q 就相等，即这些底衬体 系的污染物拦截效果相同或等效。换言之，要达到相同的污染拦截效果，如果设计衬层的 渗透系数高于规范的标准要求，可以适当增加衬层的厚度进行补偿。这就是所谓的“污染 控制等效替代原则”。基于这个原则，提出一种新的污染控制等效替代方案，注重衬垫对 污染物本身的拦截作用。 本论文从水力阻隔和污染控制的角度出发，探讨黄土地区“替代底衬”的可行性。本 项研究对于开发适合黄土地区自然条件的替代底衬，以及在满足污染控制条件下降低垃圾 处置的成本方面，具有重要的理论意义和使用价值。 1 2 研究目标 本论文充分利用西北地区广泛分布的黄土，通过添加膨润土对黄土进行改性降低其渗 透性，以满足防渗需要。同时提出2 种不同构造的衬垫方案，定量预测垃圾渗滤液在不同 衬垫中的迁移规律，对比分析不同构造的衬垫方案对污染物的长期控制趋势，论证黄土地 区“替代衬垫 的合理性和可行性。 本论文的研究目标是，从水力阻隔和等效替代这一新理念出发，试图找到科学合理的 替代方案设计思路。一方面通过改性黄土降低衬垫的渗透系数，起到水力屏障的作用。因 为黄土是就地取材，施工方便，因此能够降低处置工程成本，特别适合在干旱半干旱地区、 蒸发量远远大于降雨量的西部地区及经济欠发达地区推广使用，具有良好的应用价值。另 一方面，基于等效原理的污染控制替代方案设计思想，不仅是对单一的标准设计方案的扩 展和补充，还从理论上进一步阐明了污染控制工程的科学本质，具有重要的理论价值。 1 3 研究内容 本论文属于理论探讨和应用研究并重的环境工程研究课题。概括起来，研究内容分为 以下4 个方面： ( 1 ) 选择黄土为主料，添加不同比例的膨润土，水泥、石灰、粉煤灰。测试复合土 的渗透系数； ( 2 ) 创建垃圾填埋场污染控制“等效性原理，阐释其科学涵义； ( 3 ) 测定黄土对污染物的吸附性，设计并验证污染控制替代底衬与“标准”底衬的 “等效性 ； ( 4 ) 结合材料替代和污染控制替代，建立垃圾场“替代 底衬设计方法。 1 4 论文提纲 本论文结构如图1 - 1 。第1 章为绪论部分，说明本研究的选题依据、研究目标及主要研 究内容。第2 章为文献综述，首先从土的性质和分类提出可用作填埋场衬垫的粘性土及本 论文中试验所用的黄土，然后综述了影响填埋场压实粘土衬垫渗透系数的因素和填埋场衬 垫改性后的渗透系数，最后描述了污染物在衬垫中迁移转化规律。第3 章阐述了土的渗透 性、吸附性及污染物在土中迁移转化的对流弥散模型，为后续试验和数值模拟提供理论依 据。第4 章描述试验过程、分析试验结果并模拟了替代衬垫对污染物的阻隔效果。第5 章 为研究的结论与展望。 本章参考文献 图1 - 1 论文提纲 【1 】中华人民共和国建设部城市生活垃圾卫生填埋技术标准( c j j1 7 8 8 ) 【s 1 1 9 8 8 【2 】中华人民共和国建设部城市生活垃圾卫生填埋技术规范( c j j1 7 2 0 0 1 ) 【s 】2 0 0 1 【3 】中华人民共和国建设部生活垃圾卫生填埋技术规范( c i j1 7 2 0 0 4 ) 【s 】2 0 0 4 【4 】中华人民共和国建设部城市生活垃圾卫生填埋场运行维护技术规程( c j j9 3 2 0 0 3 ) 【s 】2 0 0 3 【5 】中华人民共和国建设部生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范( c j j1 1 3 2 0 0 7 ) 【s 】2 0 0 7 【6 】6 中华人民共和国建设部生活垃圾卫生填埋场封场技术规程( c j j1 1 2 2 0 0 7 ) 【s 】2 0 0 7 一4 一 2 1 土的物质组成与分类体系 2 1 1 土的三相体系 第二章文献综述 土通常是由固体颗粒、液体水和气体组成，称为土的三相。固体土粒是土的最主要的 物质成分，由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一 起，构成土的骨架主体，称为“土粒 。在土颗粒间的孔隙中，通常有液体的水溶液和气 体( 主要为空气) 充填。土颗粒、水和气体这三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混 合在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成土的工程地质性质。 固相土粒是构成土的主体，也是最稳定、变化最小的成分。在三相之间相互作用过程 中，它们一般居主导地位。天然土体中遇到的固体颗粒的粒径分布范围较广。在进行土的 工程地质研究时，从土粒大小的组合、土的矿物成分和化学成分三个方面来考虑。土中不 同大小颗粒的组合，也就是各种不同粒径的颗粒在土中的相对含量，称为粒度成分。它是 反映土的固体组成部分的指标之一；组成土中各种土粒的矿物种类及其相对含量称为土的 “矿物成分”；组成土的固体相和液体相部分( 有时也包括气体部分) 的化学元素、化合物 的种类以及它们之间的相对含量，称为土的“化学成分 。土中三相物质组成的自身特性、 它们之间的相对比例关系和相互作用，是决定土的工程地质性质的最本质的因素。 2 1 2 土的性质 在工程实践中，有重要意义的是固体相和液体相或气体相三相的比例关系、相互作用 以及在外力作用下所表现出来的一系列性质，即所谓土的物理性质和力学性质。土的物理 性质实际是研究土中三相物质在质量与体积间的相互比例关系，以及固、液两相相互作用 所表现出来的性质，前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度及土的干湿状况， 如土的密度、土的含水率、土的饱和度等；后者反映固、液两相的相互作用，亦称为土的 水理性质，主要研究土的稠度与塑性、土的膨胀性与收缩性、土的渗透性等。土在外力作 用下所表现的性质称为土的力学性质，如土的压缩性、抗剪强度、压实性等。 2 1 3 土的分类 土分类的目的在于通过分类来认识和识别土的种类，并针对不同类型的土进行研究和 评价，以便更好地利用和改造土体，使其适应和满足工程建设需要。对种类繁多、性质各 异的土，按一定的原则进行分f - l 另j l 类，以便合理地选择研究内容和方法，针对不同工程建 筑的要求，对不问的土给以正确的评价，为合理利用和改造各类土提供客观实际的依据。 按具体内容和适用范围，土分类可以概括为一般性分类、局部性分类和专门性分类三 种基本类型。其中一般性分类是对包括工程建筑中常遇到的各类土，考虑土的主要工程地 质特征而进行的划分。这是一种比较全面的综合性分类，有着重大的理论和实践意义，最 常见的土分类就是这种分类，也称通用分类。局部性分类和专门性分类都是针对部分土或 某些工程的具体需要进行分类，是一般性分类在实际应用中的补充和发展。 提供工程设计与施工所需要的参数，按照土体的结构及其所处的状态不同对土进一步 分类，就是土的工程分类。土的工程分类是按土的具体特性的分类，主要考虑与水作用所 处的状态( 如湿度、饱和度、稠度、膨胀性或收缩性、湿陷性、冻胀性或热融性等) 、土 的密实程度或渗透性、压缩性和固结性等特性进行分类。 表2 1 和表2 2 分别是按照土的颗粒成分分类和渗透系数进行分类的。 表2 - 1 按颗粒组成的土分类( g b j l 4 5 0 9 0 ) 土类粒组质量百分含量 巨粒土 巨粒组( 粒径大于6 0 m m ) 质量多于总质量的5 0 巨粒混合土 巨粒组( 粒径大于6 0 m m ) 质量为总质量的1 5 - 5 0 粗 砾类土 砾粒组( 粒径大于2 0 m m ) 质量多于总质量的5 0 粒 土 砂类土 砂粒组( 粒径大于0 0 7 5 m m ) 质量多于总质量的5 0 含粗粒的细粒土粗粒组( 粒径大于0 0 7 5 r a m ) 质量多于总质量的2 5 5 0 细粒土 粗粒组( 粒径大于0 0 7 5 m m ) 质量少于总质量的2 表2 2 按渗透系数大小的土分类 极弱透水 透水性分级 极强透水强透水 中等透水 弱透水 ( 不透水) m d 1 01 0 11 0 0 10 0 1 0 0 0 1 l x l o 。ll x l o 。1 - - q x l o dl x l o 。3 1 1 0 5l x l o 5 l x l o - 7 0 0 7 5 m m ) 不n 5 0 的土。粘性土粘粒含量 较多，含较多亲水性的粘土矿物，具有结合水连结和团聚结构，有时有胶结连结，孔隙较 细而多；随着含水率的不同，土表现出固态、塑态、流态等不同稠度状态。由于水分的浸 入或蒸发，土的体积会膨胀或收缩。 粘性土的性质主要取决于连结和密实度，即与粘粒含量、稠度、孔隙比有关。随着粘 粒含量的增多，粘性土的塑性、收缩性和膨胀性、透水性、压缩性、抗剪性等有明显变化。 例如，从亚粘土到粘土，土的塑性指数、收缩率、膨胀率和内聚力逐渐增大，而渗透系数、 内摩擦角则逐渐减少。 粘土是粘性土的一种，含水铝硅酸盐产物，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化和 地质的作用而生成的。粘土具有颗粒细、可塑性强、结合性好，渗透性低等特点。基于粘 土的特殊性质，粘土在工程设计与施工中主要用作防渗材料，如垃圾填埋场的压实粘土衬 垫，已被广泛使用。 2 2 2 膨润土 膨润土又名班脱岩、膨土岩、蒙脱土等，是由凝灰岩或其它火山岩石在碱性水的作用 下蚀变而形成的一种层柱状化合物，具有细小的颗粒，其主要成分为蒙脱石【。蒙脱石的 晶体结构是一种二维平面层状结构的硅铝酸盐，分别由硅氧四面体和铝氧( 羟基) 八面体 组成的四面体片( t ) 和八面体片( o ) 相间排列而成，蒙脱石最主要的结构单元是2 ：1 层，即二个四面体片夹一个八面体片所组成的t - o - t 层。由于膨润土的这种结构，它具有 以下性质： 1 、吸附性 蒙脱石的这种2 ：1 型层状结构，具有很大的内外比表面积( 6 0 0 8 0 0m 2 g ) 和孔容， 伴随产生了巨大的表面能，从而对气体、水分以及溶液中的某些色素、有机化合物等均具 有很强的吸附性。 2 、离子交换性 蒙脱石晶层间存在的永久性负电荷，以静电引力的形式将水合阳离子( k + 、n a + 、c a “、 一7 一 m 9 2 + 等) 吸附于其间，并保持着交换状态。在常温、常压下，与无机、有机溶剂接触时，可 发生明显的变化；离子、水和盐类以及几乎所有有机物都能够出入蒙脱石矿物的层间，使 其形成复杂的蒙脱石矿物无机盐复合体和蒙脱石矿物有机复合体。蒙脱石层电荷的强弱与 吸附金属离子的量成正比，其吸附的阳离子种类、数量的变化可以形成不同类型的蒙脱石。 3 、悬浮性和分散性 膨润土在水介质中具有悬浮性，一方面由于蒙脱石颗粒非常细小，另一个原因是蒙脱 石晶胞带负电荷( 层间负电荷) ，彼此同性相斥，在稀溶液里很难聚附成大颗粒而保持良 好的悬浮性。晶胞又带有很多金属阳离子和羟基亲水基，因此出现了强烈的亲水性和分散 性。 4 、粘结性 膨润土与水混合产生很大的粘结性，其原因有很多，如膨润土的亲水性，颗粒细小及 不规则性等。晶体表面电荷的多样化，羟基与水形成氢键，对微量有机物的吸附和多种聚 附形式形成的溶胶、聚集、絮凝、凝胶等也是产生粘结性的主要因素。 2 2 3 黄土 黄土类土属于特殊土，是一种特殊的第四纪大陆松散堆积物，在世界各地分布很广， 性质特殊。我国黄土类土基本上分布在西北、华北和东北地区，面积达六十多万平方公里。 黄土基本上是由小于0 2 5 m m 的颗粒组成的，尤以0 1 0 o l m m 的颗粒占主要地位。粉粒含量 常超过一半以上，甚至达到6 0 7 0 ；且其中主要是0 0 5 0 o l m m 的粗粉粒；砂粒含量较 少，一般很少超过2 0 ，甚至只有百分之几，且其中主要的是0 1 0 0 5 m m 的级细砂粒；粘 粒含量变化较大，( 从5 到3 5 ) ，最常见为1 5 2 5 【2 1 。 黄土以石英和长石组成的粉粒为主，矿物亲水性较弱，粒度细而均一，连结虽较强但 不抗水，具有湿陷性；未经很好压实，结构疏松多孔，大孔性明显。所以，黄土具有明显 的遇水连结减弱，结构趋于紧密的倾向。 2 3 垃圾填埋场概况 2 3 1 城市固体废弃物处置 城市固体废弃物是指居民生活、商业活动、市政建设与维护、机关办公等过程产生的 固体废弃物。随着经济的不断发展，人类生活水平的提高，城市固体废弃物的产生量不断 8 一 增加。我国城市固体废弃物人均垃圾产生量已达4 5 0 k g ，全国每年城市垃圾年产生量超过 1 亿吨，年增长率达8 一1 0 。按照这个速度增长，预计到2 0 3 0 年我国的固废产量将超过 4 8 亿吨【3 1 ，给经济发展和环境保护带来巨大影响。当今世界各个国家对城市固体废弃物的 处理方法主要有：减量、回收、焚烧及处置。 填埋法是城市生活垃圾的最终处置方式，自二十世纪九十年代现代填埋场理念【4 】诞生 以来，以衬垫( b o t t o ml i n e r ) 、最终盖层( f i n a lc o v e r ) 、渗滤液收集系统( 1 e a c h a t ec o l l e c t i o n s y s t e m ) 、填埋气体收集系统( 1 a n d f i l lg a sc o l l e c t i o ns y s t e m ) 为特征的现代包封设施走向应 用【5 1 。由于垃圾填埋具有投资省，处理费用低，处理量大，所需设备少，操作简便，回收 填埋气可获得一定经济效益等优点，得到了广泛采用，在世界各国城市垃圾处理中一直占 很大比例。在我国，填埋也是目前大多数城市生活垃圾的最主要出路1 6 1 ，2 0 0 3 年底全国共 有4 5 7 个生活垃圾填埋场，近8 5 的城市生活垃圾采用填埋处理。 2 3 2 填埋场构成 由于人们对填埋体的不断认识，填埋体的设计理念发生了重要的变化。填埋处置已不 是单纯的堆、填、埋，而是一种综合性土工处置技术。它从堆、填、埋向包封、屏障隔离 的工程处置方向发展。一个现代化的卫生填埋体必须具备良好的水文地质，环境岩土工程 条件，并要进行精心的规划、选址、设计。然后按照严格的技术规范进行填埋操作和封场 工作。表2 3 列出现代卫生填埋场防渗系统的主要构成。 表2 3 现代卫生填埋场防渗系统的主要构成 构成作用 渗滤液侦测系统铺设于衬垫系统下部，监测渗滤液渗出情况 渗滤液排出系统铺设于衬垫系统上部，当渗滤液在底部累积时，及时抽出 防渗系统包括衬垫系统和最终覆盖层，减少渗滤液对地下水的污染 气体收集排出系统控制填埋体气体的运动和填埋体中气体的浓度 设置于填埋体内部及周边地区，及时监测填埋体对周边环境的影 渗滤液及气体监测系统 响情况 2 3 3 填埋场衬垫结构 衬垫系统在填埋体中发挥关键阻隔作用，它是由污染物阻隔屏障、渗滤液收集或渗滤 液排放层组成的。衬垫系统按结构组成一般可分为单层粘土衬垫系统、单层土工膜衬垫系 统、双层土工膜衬垫系统、单层复合衬垫系统、双层复合衬垫系统【刀。 2 4 填埋场衬垫研究现状 2 4 1 填埋场衬垫技术要求 关于填埋场衬垫的设计标准，各国的要求都是具有极低的渗透系数，衬垫材料都是压 实粘土、g c l ( 土工聚合粘土底衬) 、高密度聚乙烯土工膜等( 表2 4 ) 。欧美各国针对不同 类型的垃圾和填埋场地地形条件有相应的衬垫要求，压实粘土和土工膜是最常用的衬垫材 料，只是厚度有所不同。日本的衬垫要求和其他各国有所不同，衬垫材料是低渗透性土或 土工膜，砂土水泥膨润土混合物，沥青层等，在衬垫材料的选择上趋于更广阔的范围 我国对于衬垫材料的要求也一直不断完善，1 9 8 8 规范要求是“粘土，2 0 0 1 规范使用“改 良土”一词，2 0 0 4 规范变为“改性粘土 ，2 0 0 7 规范将其扩展到粘土及粘土之外的其他类 型土。也就是说，在满足厚度( h ) 大于2 m ，渗透系数( k ) 小于或等于1 0 7 c m s 的前提下，2 0 0 7 规范允许使用所有可能的土质材料。 2 4 2 传统压实粘土衬垫 由土的性质可知，粘土中含有亲水性较多的粘土矿物，遇水易膨胀分散，可以大大降 低土的渗透性。粘土矿物膨胀到一定程度，就发生分散，形成更细的微粒，并随流体在粘 土层孔隙中运移，导致孔隙堵塞。经过压实的粘土具有低渗透性，高抗剪强度，抗干裂， 几乎不怕被废弃物穿透，对于化学液体有较强的迟滞能力，因此被广泛用于填埋场衬垫和 废弃物的拦蓄，用来覆盖新的废弃物处理单元和封闭旧的废弃物处理场地。只要填埋体的 周围能取得大量的可满足要求的粘土，那么压实粘土衬垫是工程建设的第一选择。 对填埋场压实粘土衬垫而言，其渗透系数是衬垫发挥防渗功能的关键所在。实验室内 测得压实粘土的渗透系数常常小于1 0 7 c m s 。然而，在实际的现场施工中，渗透系数往往会 比室内测得的高，产生这种差别的主要原因有土体本身的性质、级配、压实过程的控制， 土体的含水率和前期处理等因素。 1 土体颗粒。土体颗粒对渗透系数的影响主要存在于现场试验。用于室内测量的试验 经过筛选、研磨，颗粒十分细小，均匀程度十分好，击实后测量的渗透系数比较低。但在 现场碾压时，土体颗粒不容易混合均匀，会有较大的颗粒甚至土块存在，有可能影响衬垫 的渗透系数。 1 0 表2 4 各国填埋场衬垫要求隅卿 国家基底衬底要求垃圾类型 澳 新南 0 9 m 厚的压实粘土料城市垃圾 大 威尔士州 0 9 m 厚的压实粘土+ 土工薄膜( 用于对暴风设施威胁严重的区域) 城市垃圾或者有害垃圾 利 料 亚 维多利亚州0 6 m 厚的压实粘土城市垃圾 欧洲 1 m 厚的压实粘土( 对于城市固体废弃物填埋场要求k = 1 0 7 c m s ：对 生活垃圾或惰性垃圾 于惰性废弃物填埋场要求k = 1 0 5 c m s ) ( 欧共体指令) 5 m 厚的压实粘土* + g c l 有害垃圾 0 6 m 厚的压实粘土，g c l 加防护土工布 城市垃圾、已处理的有害 垃圾 0 8 m 和1 m 后的双层粘土衬垫，g c l 加防护土工布，且两层粘土具有潜在复杂毒性的有害 奥地利 衬垫由排泄层隔开 垃圾 多层基底：粘土衬垫( 3 层) 1 8 m 、1 2 m 、0 8 m ，衬垫层间由排 位于粉沙含水层以上，具 有潜在高且复杂毒性的有 泄层隔开，g c l 加防护土工布 害垃圾 法国5 m 后的原位粘土+ g c l + 防护层 工业、有害、城市和商业 垃圾 0 5 m 厚的压实粘土+ g c l + 防护层 惰性垃圾 德国 0 5 m 厚的压实粘土+ g c l + 防护层+ 天然( 地质) 屏障或压实土 生活垃圾 质基础 1 5 m 厚的压实粘土+ g c l + 防护层，3 m 厚压实土质基础 有害垃圾 瑞典 压实粘士、或膨润土垫、或高密度聚乙烯土工膜、或低密度聚乙 生活垃圾 烯七工膜( 厚度大于l m m ) 0 5 m 厚的压实粘土+ g c l 或沥青层( 厚度大于0 0 7 m ，孔隙率小 生活垃圾 瑞士于3 + o c l ，地基土厚度大于1 0 m ) 0 8 m 厚的压实粘土惰性垃圾 英国1 5 m 厚的压实粘土4 + g c l ( 厚度大于2 m m )生活垃圾 压实粘士( 厚度n s ) + 检漏+ g t x + 压实粘土( 厚度n s )生活垃圾 南非 压实粘土( 厚度a s ) + 干燥保护层 生活垃圾( 干旱地区) 低渗透性土或土工膜，砂土水泥膨润土混合物，沥青层，双层 日本生活垃圾( 粉煤灰) 十工膜 2 m 厚k 实粘土( 自然衰减填埋场) ，l m 厚压实粘土( 人工设计 生活垃圾 的填埋场) 加拿大( 英属哥伦比双层衬垫：o 7 5 米厚压实粘土+ g c l ，l m 厚地基土层有害垃圾 亚、安大略省和魁北 克省) 0 7 5 m 厚压实粘土+ g c l ，3 m 厚地基土层生活垃圾 0 6 m 厚压实粘土，双层土工膜且层间由检漏层隔开，0 6 m 厚地 生活垃圾 基士层 新西兰0 6 m 厚低渗透性土或压实粘土+ g c l 生活垃圾 0 6 m 厚压实粘士，g c l生活垃圾 美国( 环境保护局) 双层衬垫：0 9 米厚压实粘土和g c l ，两者之间用排泄层分开 有害垃圾 最小厚度，i s - - 没有指定厚度；一非强制性措施，例如，法律法规。它们是指导方针。这可能是证 明一个地方的天然渗透系数作为衬垫足够的低。 d a n e i l n 1 1 】对压实土的渗透系数做了多次现场试验研究。他的一个重要发现是实验室 测得的渗透系数有时会比现场压实上的渗透系数低一个甚至几个数量级，而造成这种差别 的原因主要是因为室内试样和现场压实土的土块大小不同。b e n s o n 和d a i l e i l l l 2 j 通过更深入 的研究表明，高塑性压实粘土的渗透系数受压实土料中土块尺寸的影响很大。另外，土中 颗粒、团粒及孔隙的分布也会引起渗透系数的变化【1 3 1 5 】。 2 击实方法和击实能。不同击实方法和击实能对渗透性的影响，主要在于压实土结构 方面。增加击实能可使土的结构更趋向分散，具有较小的孔隙，从而使渗透系数降低。 m i t c h e l l 等人【1 6 】对此作了深入研究，他认为击实能和击实方法对压实粘土的渗透系数影响 最大。对于一定的压实方法，增加压实能会使土的渗透系数k 值降低。 3 击实含水量和干密度。击实含水量通过影响土的组构来控制着渗透性，含水量小于 最优含水量时，渗透系数随击实含水量增大而减小；含水量大于最优含水量时，渗透系数 变化不大。干密度的大小表明土团间孔隙的情况，干密度越大，土团间孔隙越小，渗透系 数小d a n i e l 和w u 经过研究，重绘了压实粘土在不同含水量一千密度下测量的几组渗透系 数【r 7 1 ，给出了渗透系数的理想区，以供施工参考( 图2 - 1 ) 2 5 改性衬垫 譬 0 瑙 龆 h - 制备含水量w ( ) 图2 - 1 考虑干密度和含水量的渗透系数理想区 压实粘土衬垫虽被广泛应用，但受场地因素控制，并不是在所有填埋场的建设过程中 都能较容易取得大量满足工程要求的粘土，一旦粘土需要外运，工程造价就会上升。一些 具有细密纹理的土( 例如粘性土) ，如果不满足衬垫的防渗要求时，可以对其进行改性或 添加化学稳定剂，以达到相应的渗透系数要求【1 8 l 。另外，某些渗滤液中含有的污染物通过 粘土衬垫时，会破坏粘土衬垫的结构，导致粘土衬垫渗透系数的增大。因此，可以向土中 加入一些添加剂，改善混合土的性质，降低渗透系数，从而使混合土达到和粘土衬垫相同 的防渗效果。常见的添加剂主要有膨润土、石灰、水泥、粉煤灰等材料增强衬垫的稳定性 1 9 1 。表2 5 给出了各种改性材料的改性效果。 表2 5 各种改性材料的渗透性指标 改压实指标 性 配比渗透系数参考文献 材 最大干密度 1 0 9 2 0 膨润土+ 8 0 砂土1 5 41 6 2 93 0 1 0 1 0 粉2 0 c 类灰+ 8 0 粘性土 1 8 21 1 92 2 0 1 0 7 【2 2 】 煤 灰2 8 c 类灰+ 7 2 粘性土 1 6 61 8 o3 1 0 1 0 8 5 石灰+ 1 4 干灰+ 8 1 1 5 82 2 7 83 3 4 x 1 0 7 石 粘性土 【2 3 】 灰 1 0 石灰+ 2 8 干灰6 2 1 5 42 2 8 92 8 4 x 1 0 。7 粘性土 其 他 下蜀黄土 1 6 61 9 15 8 3 1 0 9 【2 4 】 2 5 1 膨润土 膨润土是是由凝灰岩或其它火山岩石在碱性水的作用下蚀变而形成的一种层柱状化 合物，具有细小的颗粒。当一种质量很好的膨润土与土混合时，它会占据土的一些空隙。 而当膨润土