（环境工程专业论文）应变片在垃圾填埋场土工膜变形测量中的应用.pdf

黼焘。量 应变片在垃圾填埋场十：i ：膜变形测量中的应用 应变片在垃圾填埋场土工膜变形测量中的应用 摘要 填埋技术具有处理费用低、操作简单、处置量大等特点，使其在 废弃物的最终处置方面得到广泛的应用。我国填埋技术起步较晚，技 术水平不高，致使许多填埋场对周围存在不同程度的污染，尤其是渗 滤液对地下水的污染。为了防止渗滤液对地下水的污染，隔断废弃物 与外界环境的接触，一般需要敷设防渗衬层。在防渗衬层的设计中， 防渗土工膜由于具有渗透系数小，价格便宜，敷设方便等优势，得到 广泛的使用。填埋场中的衬层不仅要承受上部填埋物的压力，还有覆 土作业时机械的压实作用。防渗土工膜被撕裂是常见的衬层破坏现 象。为了测量现场或者模型实验过程中防渗膜的拉伸性能，需要借助 于应变片( 实质上是一种传感器) 的方法对防渗膜工作性能做出检测 和评价。但是由于应变片的弹性模型大于一般防渗膜材料，计测应变 值小于应变片贴附部位周围的应变值，使得应变片在工程防渗土工膜 应变测量中的适用性有一定的局限性。 本实验以实际夹间距2 3 8 m m ，宽度为l o o m m 的试样为标准体， 通过改变应变片在工程测量中适应性的影响因素，对弹性模量分别为 低、中、高的三种人工合成防渗膜材料p v c 、l l d p e 、h d p e 进行的 拉伸实验，对所得应变计测数据进行引线长度修正和温度影响修正， 焘j 煮。叁焉 应变片在垃圾填埋场土t 膜变形测量中的应用 并对所得图像数据经多次转换后，用二元图像解析软件p t v 进行解 析。提出了衡量应变片适应性评价的两个指标，夹间距修正系数和图 像解析修正系数。结果表明，( 1 ) 应变片对p v c 、l l d p e 、h d p e 三种防渗土工膜均存在约束效果，弹性模量大的材料所受约束较小。 试样越狭小、间隔越大，拉伸速度越大，修正系数越大。拉伸过程中 试样并不是均匀移动的，各质点移动轨迹不同。( 2 ) h d p e 土工膜存 在各向异性。方向不同，土工膜承受的最大应力不同，修正系数也不 同。( 3 ) 在以往模型的基础上，提出了地基不均匀沉降过程中填埋场 的防渗土工膜变形的新型评价模型及最大应变和固定端张力的计算 方法，并用实验结果检验，较为准确。 本研究通过对几种常见防渗土工膜的应变测量实验，对应变片在 防渗土工膜应变测量中的适应性作出评价，并提出相应的修正系数改 进测量的准确性。 关键词：防渗膜拉伸试验约束效果修正系数 i i 焘，煞煮 庇变片在垃圾填堋场- 十i ：膜变形测量中的应用 a p p l i c a t i o no ft h es t r a ig a u g ef o r m e a s u r i n gd e f o 剐m a t i o no fg e o m e m b r a n ei n w a s t el a n d f i l l a b s t r a c t l a n d 矗l lt e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di nt 1 1 eu l t i m a t ed i s p o s i t i o no fw 觞t e ，d u et oi t sl o wc o s t c a s yo p e m t i o n ，锄dl a r g ed i s p o s a lc a p a c i 够t h ea r e a sw h e r es u 丌0 u n d i n gm el a n d f i o r 锄a r e p o l l u t e dt od i h 研td e g r e e sb c c s eo ft h el o wl 舳娟nt e c l l i l o l o g yi i lo u rc o u n n y i ti sn 懿s a r y t 0d 懿i g n 觚a n t i s e 印a g el i n 盯t op 他v 锄t 粤的咖dw a t 盯f r o i np o l l u t i o na n d s e p a m t et h ew a s t ef b m 饥“r 0 哪肌t i n l p e r “o u sg c o m c i i l b m n ci s 戗t 锄s i v e l ya p p l i e di i it l l ed 懿i 鲫o ft h e 勰t i s p a g e l i l l 甜b e c a 璐eo fi t sl o wp e 彻e a b i l i t ) ，c o e 佑c i 锄t ，l o wc o s t ，锄dc o n v 伽i e i l ti 璐t a n a t i o n t h e 锄t i s 唧a g eg m e m b r 锄ei nt l l e l a i i d f i l li ss u b j tt ou p p e rp r 豁s u 陀o fn l e 、张s t 懿锄dt l l e m c c h 卸i c a lc o m p a c t i o nw h c o v 盯o p e m t i 伽1 1 1 ea l s i o no ft l l e 锄t i s e 印a g eg e o m 锄b r 锄ei sa c o m m o np h 如o m 铋o n 1 i io r d e rt om e a s u 豫m et s i l ep m p 缸yo ft l l c 锄t i s 唧a g eg 恤e r i l b i 锄e i i lm o d e le x p 耐m 锄to ri i it l l ef i e i dc 鲫d i t i o n ，3 晚i ng 蛐g e ( a c t u a l l yi ti sas 蜘s o r ) i su s e dt od e “t 龃dc v a l u a t e 也ep t 习渤咖a n c co fm ea n t i s 唧a g eg e o m 锄b 啪e h o w e v e r n l ee l 如t i cm o d u l l l so f t l l es 仃a i l lg a u g ei sl a r g e rt l l 锄m a to fc o m m o n 觚t i s e e p a g eg m 锄b m n c ，t l l es 响i nm s 删 v a l 眦i l ias p o ti ss m a l l e rt l l a nm a to f o t i l 盯跚肼叭m d i n gs i t e s i tm a k e sm es t r a l i ng 蛐g eh a d m e l i m i t a t i o n si i ls 吼i nm c 笛u m n e n to f 锄t i s p a g cg m 锄b 咖ci i lp l q e c t 1 1 1 es t 眦删s 锄p i e 璐e di i it t i i sc x p e r i m 饥ti sa 嫩；t a r i g l es 觚l p l e 谢me f f 托t i v ci 吼g t l lo f 2 3 8 m m 。w i d t l lo fi0 0 m m t h et 饥s i l ct 铭协埘m 吐i ec h 锄g i n ga d a p t i v ef a c t o 幅i l im ce n g i n e e r i n g m 哪u 崩n 曲协a 旭c 锄i e d t i i l lp c 】咖c a b l es y n t h c t i cm 锄b n m cm a t 研a l sp v c ，l l d p e h d p ew i ml o w m e d i u m h i g he i 懿t i cm o d u l 懈潞p e c t i v e l y1 1 l m el c a dl e i l g t hc o n 优t i o n 锄d t 锄p e m t u 他c o r r o c t i 伽踟c o n d u c t e do nn l ed i a t ao b t a i n e df m mn l e8 竹a i nm 髓s 瑚m t a n da r 盯 m u l t i p i ec o n v e r s i o n s ，t l i ei m a g ed a t ai sp r o c 舒s e db yu s i n gt l l cb i n a 珂i m a g c 蜘a l y s i ss o f 啊啪 p t vt w oi n d 既髑f o rw a l u a t i n ga d a p t a b i l i t yo fs 仃a i l lg a u g ca 砖p r o p o s e d ，t l i e y 眦盯e c t i o n c o e 仿c i to fs p a c i n g 肌dc o m t i o nc o e f f i c i to fi m a g e 蚰a l y s i s t h er 懿u l t si n d i c a t em 瞰： ( 1 ) i ti sf o u n dt h a ts 弧i i lg a u g eh ab i n d i n ge a to n 柚t i s 唧a g eg m 锄b 舢ep v c ， l l d p e ，h d p e ，锄dm eb i g g 盯e l 勰t i cm o d u l u so fn wm a t c r i a lh 鹪，t l l cs m a l l 盯潞位a i n ti 8 跏b j t c dt o t h cs h o r t 盯觚dt l i i i l i l 盯t l l es 哪l ci s ，t t l el o n g 盯t i l ci l i t e r 垤li s ，吐i e1 a 唱玎m e 托t ei s ， m el a 曜c rc o l l r t i o nf a c t o fi s t h em o v | 拥e n to ft l l cs p i i i i e ni sn o te 呦i i it l l ec o m 鼬 o f s 魄t c h i n g ，e a c hm a r k e dp o i l l th 嬲i t so w nm o v i n g 打a c k i i i 国 、： 覃季天荸 应变片在垃圾填埋场土j 1 且莫变形测量中的应用 ( 2 ) h d p eg e o m 锄b r 眦eh a sc h a r a c t e ro f 锄i s o 仃0 p yd u et o t l l ev a r i e dd i r e c t i o 脑，t h e m a x i m u ms 廿岱sw h i c hm eg c o m 锄b r 扯ec a nb e a ri sd i 保：r e n t ，l e a d i n gt ot h ed i 缗：r 即tc o r r t i o n c o e f 五c i e n t s ( 3 ) b a s e d 册舯她。嘴t 1 1 e o r e t i c a lm o d e l ，an 唧m 文l e lt 0 e v a l u a t ed e f 0 珊a t i o no f i m p e 舯e a b l eg c o m 锄b r 锄ei i l 也ep r o c 懿so fu n e v 朋s e t t l e m 肌to ff o u n d a t i 蚰i sm i s e d ，t l l e c a l c l l l a t i v em e t h o do ft l l em 双i m u ms 仃c s s 柚dt 锄s i o no f6 x c de i l di sa l s op r o p o s e d ，孤dt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sb yt h i sm e t l l o da r ec o n s i s t e n tw i m t l l ee x 雕d m e n t a lr 嚣u l t s h lt h i ss t u d ms 仃a i l lm e a s u r e m 锄t 懿p 矗m 饥t s 谢ms e v e 豫lk i n d so fc o m m o n 锄l i s e 印a g e g e o m 锄b r ；m ea 陀c 锄i 酣0 u t n l ea d a p t a b i l i t yo fs 仃a i ng a u g eu s i n gi ns 衄i 1 1m e a s u l - 锄to f a n t i s e 印a g eg e o m e n l b r a n ei se v a l u a t e d ，绷dt h ea c c l l l a c yo fm e m e a s u r e m e n li si m p m v e db yt h e c o l l c s p o n d i n gc o 订e c t i o nf l a c t o r k e yw o r d s ：觚t i s e 印a g el i n c r ： t s i l et 懿t s ： b i n d m ge 妇t ； c o n 僦t i o nf a c t o r 踊。 附件一： 学学位论文版授一燃 学位论文作者完全了解学校有关保留、使刖学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部fj 或机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被夯阅或借阅。本人授权东华人学可 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，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适川本版权j f 5 。 本学位论文属丁 不保密哦 指导教师签名： 日期： 绷磨切 荦 一岁 、套侣 ： 名 片 签乏 者 年 作 l 史 州 做 桫 位 期 学 日 裘煮。焘量 应变片在垃圾填埋场十一膜变形测量中的应用 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 1 1 年1 0 月3 1 同凌晨，全球第7 0 亿名成员在菲律宾降生。按照目前的生育 率，本世纪术世界人口将突破1 0 0 亿。根据联合国人口统计资料预测：2 0 世纪未 世界人口将有7 0 8 0 生活在城市中。发达国家人均年产垃圾3 吨，发展中国家人 均年产垃圾1 吨，发达国家垃圾增长率为3 4 ，发展中国家垃圾增长率为2 3 。 全球年产垃圾8 0 1 0 0 亿吨【1 1 。如此大量的垃圾产量严重地坡坏了生态环境，将带 来全球性的环境灾难。 城市垃圾已经引起世界范围的广泛的重视，许多国家积极研究对策，采用各 种方法，物理、化学以及生物方法，对其加以处理，使其变害为利，实现自然界 的物质循环，减少对环境的污染。 一方面人们以最大限度减少垃圾产生，使垃圾产生量降低最小程度，另一方 面，对已经产生的垃圾进行处理处置。目前，垃圾处理技术有焚烧、填埋、堆肥， 还有厌氧消化、高温热解、综合利用等等。目前，垃圾处理处置技术正由单一技 术向多种技术结合的方向发展。 填埋作为一种最古老的处理方式，目前是应用最广泛的垃圾处理方式之一。 填埋场最大程度消纳垃圾的同时，经常带来严重的二次污染，尤其是渗滤液的污 染，据美国的一份调查显示：7 0 的填埋场存在不同程度的渗漏。为了减少渗滤液 污染的发生，需要在填埋场中设置防渗系统以阻止污染物与外界环境的接触，美 国等一些发达国家均要求填埋场必须设置防渗系统。 防渗膜是防渗系统的主要组成部分，直接影响到防渗系统的效果。目前常见 的填埋场防渗系统失效经常是由防渗膜在填埋场不等量沉降过程中被撕破引起 的。为了研究防渗膜的拉伸特性以防止事故的发生，需要精确的测得防渗膜的应 叁量。焘。量 应变片在垃圾填埋场士- 1 ：膜变形测量中的应川 变值。 目前广泛采用应变片来计测应变值，填埋场中的防渗膜种类繁多，为了保证 计测的精确性以保证填埋场的安全可靠的运行，对应变片在工程中测量应变的适 应性的研究十分必要。 1 2 城市生活垃圾产生现状 全球每年有大量的垃圾产生。据1 9 9 3 年德圆国家统计署的统计，德国每年产 生各类垃圾3 3 8 5 0 万吨，其中生活垃圾43 5 0 万吨z j 闩本1 9 9 4 年年产垃圾5 0 0 0 万吨，人均产生垃圾1 1 k 鲥以上【3 】。随着城市化进程的加快，我国的城市人口不 断增多，每天产生的废弃物量也在不断增加。据统计，全国6 6 8 座城市年人均产 生生活垃圾4 4 0k g ，每年垃圾总量高达1 6 亿多吨，占世界总量的2 5 以上。并 且以每年8 的速度增长，有少数城市的增长率甚至达到1 5 2 0 。全国6 6 8 座 城市中至少有2 0 0 座以上处于垃圾的包围之中【4 】；以北京市为例，每天产生垃圾 1 6 0 0 吨，平均每人每天产生垃圾lk g ，与发达国家相当。现在北京市的垃圾占用 土地量已达2 万多亩，按现在速度每年还要占用5 0 0 刮5 1 。未来我国城市生活垃 圾的产生量还将迸一步增加。 我国的城市生活垃圾处理与处置起步较晚，目前尚处于发展阶段，无害化水 平低，随意堆放，任其自然分解，导致很多问题，具体表现在：1 ) 垃圾中的有机 物腐败容易滋生细菌、病原菌等，容易引发传染病；2 ) 垃圾堆放向大气释放大量的 有害气体，包括甲烷和一些致癌、致畸物，不仅对大气环境造成污染，甚至可能 引发火灾等事故；3 ) 在城市周围历年堆存的生活垃圾量侵占了大量土地，造成对 土地资源的极大浪费；4 ) 垃圾降解和雨水的淋滤携带其中的污染物溢出，污染地 下水和附近居民的饮用水源，严重威胁居民的健康安全【6 j 。 如何高效、安全的处理城市生活垃圾已成为城市发展过程中亟待解决的主要 环境问题之一。 2 熊磊量 应变片在垃圾填埋场十i ：膜变形测量中的戍用 1 3 垃圾主要处理方式 目前，世界范围内生活垃圾的处理方法主要有填埋、焚烧和堆肥三种。另外 还有热解、回收利用、综合处理等方法。 1 3 1 国外主要处理方式 从1 9 世纪8 0 年代开始到2 0 世纪初期，英国诺丁汉和美国纽约先后采用焚烧 方法处理生活垃圾。德国汉堡和法国巴黎也先后建立了世界上最早的生活垃圾焚 烧厂【7 1 。2 0 世纪6 0 年代开始，随着电子工业变革，许多先进技术应用在垃圾焚 烧炉上，使得越来越多的国家采用焚烧方式处理垃圾。目前，同本、瑞士、比利 时、丹麦、法国、卢森堡、瑞典、新加坡等国采用焚烧法处理垃圾的比例，都接 近或超过填埋法【8 l 。联邦德国通过垃圾焚烧途径获得全年所需能量的4 5 ，节约 该国2 5 的石油和煤的用量。荷兰阿姆斯特丹市垃圾焚烧发电量可提供该市用 电总量的6 。日本的焚烧垃圾率占7 4 ，居世界之首，垃圾焚烧厂获得电能不仅 供给厂内使用，还向电网出售多余电量【9 】。 2 0 世纪7 0 8 0 年代是堆肥法发展的一个黄金时期。许多发达国家在这一期间 建立了大批机械化程度较高的垃圾堆肥厂。一方面积极推进堆肥的产品质量，不 少国家还制定了垃圾堆肥产品的技术标准，并依据相关技术标准生产多种用途的 堆肥系列产品，在扩大垃圾堆肥产品销售和拓展垃圾堆肥产品使用范围等方面做 了大量工作，有效地推动了垃圾堆肥技术的推广应用【1 0 】。2 0 世纪8 0 年代后期，由 于堆肥产品质量的不足，发达国家的垃圾堆肥技术进入了低谷时期，许多规模较 大，机械程度较高的堆肥厂纷纷倒闭。在这种形势下，一些国家或城市在提高垃 圾堆肥产品质量，制定产品标准，扩大堆肥应用等方面仍不断的进行研究，积极 推动堆肥技术的发展【i l 】。2 0 世纪9 0 年代以来，出现了动态厌氧堆肥处理技术，并 在一部分国家得到应用。 2 0 世纪9 0 年代以前，世界上很多国家，像奥地利、比利时、加拿大、丹麦、 芬兰、法国、德国、意大利、日本、卢森堡、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、 英国、美国和新加坡等主要采用填埋法处理生活垃圾【8 】。近年来，由于人们生活 3 塞；董。惫煮应变片在垃圾填埋场十：。：膜变形测量中的应用 结构的变化，垃圾成分中纸质、塑料等比例略有上升，使得填埋法处理的垃圾占 垃圾处理总量的比例有所下降。 近年来，一些国家针对生活垃圾中的可利用物质制定了相关鼓励政策，提出 了一系列回收利用的新方法。目前，发达国家的垃圾回收利用率平均在2 5 左右， 像同本等国家高达5 0 以上。德国西门子公司开发的干馏燃烧垃圾处理工艺，该 工艺可将垃圾中的各种可再生材料分离，然后加以回收利用，处理过程中产生的 燃气，则用于发电。每吨垃圾经干馏燃烧处理后仅剩下2 3k g 的有害重会属物 质，使得可再生材料得到有效的回收利用，并使垃圾减容最大化【i 列。 1 3 2 我国主要处理方式 我国城市垃圾的主要处理方式与国外基本相同，有填埋、焚烧、堆肥，另外 热解、生物处理等方式。 我国对垃圾卫生填埋处理方法的研究与应用起步较晚，2 0 世纪8 0 年代，我国 开始采用填埋技术处理处置城市生活垃圾。起初的填埋场设计较为简单，基本等 同于堆放，无任何的方式措施。目前，这种填埋场在我国仍大量存在，导致二次 污染的发生。1 9 9 1 年建设部和国家科委才正式将卫生填埋处理技术确定为我国推 广的垃圾处理首选技术，并先后在北京、天津、杭州等地开展试点工作。我国现 有垃圾填埋场约7 0 0 座，卫生填埋和准卫生填埋占9 5 以上i l3 1 。其中也建成了 一批具有国际水平的城市生活垃圾填埋场，例如广州市兴丰生活垃圾卫生填埋场， 杭州市第二垃圾填埋场等。2 0 0 1 年，我国已经建立了两家利用填埋气体发电的卫 生填埋场。在近几年新建的填埋场中，仍然存在着卫生填埋比例偏低的问题，真正 符合卫生标准的填埋场的处理规模仅仅占到处理总量的8 9 ，而不完全符合标准 的填埋场占到4 3 9 ，简易填埋场的比例超过4 0 【1 4 1 。主要表现在：大多填埋场 缺乏填埋气收集处理设施，仅仅简单地设置了以排放为目的的导气管，填埋气体直 接排放。这不仅对填埋场及周边地区构成威胁。虽然也有少量发电，但是l 岔发 电不到1 6 度，与国际上l m 3 ，沼气发电2 度以上的技术水平相比成本较耐临】。现 有的垃圾渗滤液处理工艺处理渗滤液废水效果较差，化学需氧量，氨氮，大肠菌值 普遍超标。很多填埋场由于缺乏先进的压实设备没有进行很好的压实，使得这些填 4 象煮。焘煮腋片在垃圾填埋膜删脚的应用 埋场未达使用年限，造成了填埋空间的浪费，也容易引起较严重的沉降问题。 我国生活垃圾焚烧技术的研究和应用起步于八十年代中后期，在“八五”期间被 列为国家科技攻关项目。目前，全国有生活垃圾焚烧厂5 0 多座，其中，我国已经 建成一批工程规模较大，配套设施比较完善，建设及运行成本较高的综合型焚烧 厂。代表性的焚烧厂有深圳市市政环卫综合处理厂和上海市江桥生活垃圾焚烧厂。 目前，我国已经初步建立起利用余热发电的焚烧厂，例如，上海浦东的垃圾焚烧 发电厂，其投资6 7 亿元，采用法国阿尔斯通公司提供的技术设备，设有三座焚 烧炉，两台8 5 0 0 k w 汽轮发电机组，每天处理垃圾1 0 0 0 1 1 0 0 t ，发电量达3 0 3 5 k w h ，是我国已建成的最大的垃圾发电厂l l 们。 目前存在一些制约我国垃圾焚烧的因素，主要有：我国城市垃圾成分中不可 燃物质的含量较高，包括无机物及灰尘等，焚烧后产生大量的灰渣；另外，我国 的城市垃圾含水量较高，低位热值较低( 不大于3 3 4 4l ( j k g ) ，通常不能满足垃圾焚 烧的要求，需要加入其它的燃料助燃，这样加大了焚烧垃圾的成本；焚烧设备投 资大、运行成本高，焚烧工艺复杂，焚烧过程中产生很多有毒有害的气体。例如， 深圳市龙岗区中心城环卫综合处理厂的烟气中二恶英类物质超标5 4 倍，北京昌 平区垃圾综合处理厂的二恶英超标l o 8 倍，福建莆田垃圾焚烧厂的烟气超标 2 3 5 倍【i7 1 。但是由于焚烧法具有减容减量效果好，一般可达9 5 9 8 ，无害化 程度高，余热可变为能源进行利用等优势，将成为我国高效能源化处理城市生活 垃圾主要方式。近年来我国城市生活垃圾中有机可燃组分比例不断增加，也为焚 烧处理的推广奠定了基础。 堆肥处理生活垃圾的量占我国垃圾总处理量的l o 左右。目前我国已建成各 类生活垃圾堆肥厂约7 0 多座。目前我国常用的生活垃圾堆肥技术基本可分为简易 堆肥、好氧堆肥和厌氧堆肥三类。简单堆肥化处理技术是将垃圾露天堆积，在厌 氧或自然通风的条件下进行发酵，然后将得到的产品简单筛分后即变为肥料。后 来引进机械化程度较高的国外技术，不仅缩短了发酵周期，还对沼气进行收集后 进行发电，大大提高了生活垃圾资源化利用率。但是，投资及运行费用也普遍较 高。由于我国城市生活垃圾未进行分类，玻璃、塑料等杂质较多，降低了堆肥效 率和产品质量，肥料中往往含有重金属等有害物质，严重危害人类健康，从而限 制了堆肥方法的推广。 5 曩，煮。杰，煮应变片在垃圾填埋场j t t 膜变形测量中的应用 建设部中国城市建设统计年报显示，截止至2 0 0 5 年底，我国垃圾填埋、 堆肥和焚烧的无害化处理能力所占比例分别为8 2 4 、4 ，7 和1 2 9 。填埋处理 是适合我国国情的一种处理方式，也是目前我国最常用的垃圾处理处置方法。 1 4 国内外填埋现状 垃圾填埋场作为固体废物最终处理的一种方法很早以前就丌始实行。据最早 的记载，在盛兴于公元前3 0 0 0 1 0 0 0 年前的克罩特文明时期，人们定期地把固体废 物收集起来掩埋在土坑里，并用泥土覆型堪j 。 2 0 个世纪3 0 年代，美国加利福尼亚的弗雷斯诺首次提出了分块一覆盖操作的 卫生填埋“s 锄i t a r yl a i l d 6 l l ”概念【1 9 】，对填埋作业的基本要求是：每同覆土掩盖；无 露天堆放焚烧固体废弃物；作业现场不污染体表水和地下水。 德国基本上是在7 0 年代开始普遍采用卫生填埋技术的，其发展历程大致可分 为如下两个阶段【2 。 第一阶段( 7 0 年代前) ：这一阶段的垃圾的排放基本等同于随意乱堆乱放，无 法可依。据估计约有5 0o o o 个无控制的垃圾堆填场【2 1 】。直到1 9 7 2 年颁布了德国 第1 个垃圾处理法联邦德国垃圾处理法律( a b f g ) ，垃圾填埋必需得到垃圾法律 许可，并对地下水保护提出了总的要求。 第二阶段( 7 0 年代后) ：政府在7 0 年代又相继颁布了几项重要的法律，直至 1 9 9 3 年制订了完善实用的有关卫生填埋的技术指南。该指南包括垃圾处理、选址 条件、防渗系统、填埋气体的收集和利用、渗出液的收集和处理、堆体稳定性、 运行方式等进行了强制性规定【2 l 】。目前、德国的卫生填埋处理技术总体水平应处 于国际领先水平。代表性的有w 舐饥l b u tt c l 垃圾卫生填埋场。 日本每年的生活垃圾产量约为5 1 4 5 万吨，每人每天平均产生生活垃圾约1 1 千克。1 9 6 9 年代以前，垃圾是不进行分类的；1 9 7 1 年，根据垃圾处理法确定垃圾 填埋场有三种类型：安定型，管理型，遮断( 隔断) 型。1 9 7 7 年，根据垃圾填埋 场的建设指南，明确规定填埋场中必须使用防渗材料，日本最早在垃圾填埋场中 使用的防渗材料是e p d m f 捌。1 9 9 8 年，政策又进一步规定填埋场必须设置两层防 渗层和保护层。见图l ，左边为斜面防渗结构图，右边为平面防渗结构图。 6 黪季，巷。学 戍变片在垃圾填埋场十l ：膜变形测量中的应刚 竺布 二二二拦一 匮蜜翌 兰竺 图1日本两层防渗层结构图 目前很多发达国家都已经具有成熟的填埋场设计要求和构造，典型现代卫生 填埋场的典型剖面【2 3 】。见图2 ，一般由组合衬挚系统、淋洗液收集和排除系统、气 体控制系统和封顶系统组成。 l 体搏玲、 图2 典型的现代填埋场剖面图 ( 1 ) 组合衬垫系统：主要由防渗粘土层或复合土工膜组成，通常包括在上面设 置的一层保护层。日本通常采用土工织物作保护层。 ( 2 ) 淋洗液收集和排除系统：渗滤液收集系统是用来将填埋场内产生的渗滤液 收集起来，并通过污水管或积水池送至污水处理站进行处理。 ( 3 ) 气体控制系统：收集和排出垃圾分解产生的废气。 ( 4 ) 封顶系统：减少地表径流和地面降水渗进填埋场，使场内渗沥液减至最少。 国外城市固体废物填埋场广泛复合封顶系统，从下到上依次为：低透水性压实土 层、排水及保护层、表面覆盖层【硼。 7 黼叁，鬟 应变片在垃圾填埋场十t 膜变形测量中的应用 我国生活垃圾卫生填埋处理技术发展较晚，2 0 世纪8 0 年代以前，生活垃圾的 处理方式主要是堆肥及在城郊裸露堆置，即所谓自然衰减型填埋场1 2 引。9 0 年代填 埋技术发展成为较成熟的技术。代表性的填埋场有1 9 9 1 年投入使用的杭州市天子 岭废弃物处理总场，是当时国内第一家j 下规垃圾卫生填埋场。该工程采用了垂直 帷幕灌浆防渗技术，并设黄了排气系统，但是没有对气体进行回收利用。9 0 年代 后期，卫生填埋技术多采用人工水平防渗系统。1 9 9 7 年建成的全国第一座现代化 垃圾填埋场一深圳市下坪固体废弃物填埋场，其采用的就是h d p e 膜水平防渗技 术。随着城市生活垃圾卫生填埋技术规范( c j 儿7 2 0 0 1 ) 的颁布，填埋技术得 到了较大发展。广州市兴丰生活垃圾卫生填埋场、杭州市第二垃圾填埋场等按照 国际先进技术进行设计，垃圾渗滤液处理均达到生活垃圾填埋污染控制标准 ( g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 ) 中的一级标准。 目前我国填埋场的主要问题是：1 ) 大多数填埋场都没有设置填埋气体收集利 用装置，不仅造成对大气的污染，还存在严重的安全隐患；2 ) 垃圾降解和地下水 的入侵，致使渗滤液外溢，对水环境的污染。我国明确规定填埋场必须设置防渗 系统，设置防渗系统是解决这些问题的有效途径。 1 5 卫生填埋防渗系统 1 5 1 国内外防渗现状 国外对防渗系统要求不尽相同。德国垃圾处理技术指南规定，从1 9 9 9 起所有 新建、扩建的生活垃圾填埋场都应铺设基底和终场防渗系统。该规定还对基底防 渗做出了具体的规定【2 6 l ：防渗层由柔性膜和粘土层构成，柔性膜采用有许可的、厚 度不小于2 5 咖的h d p e 膜；粘土层厚度为5 0 7 5 c m ，分三层施工，渗透系 数不大于5 1 0 7 c n 洮。 美国各州对垃圾卫生填埋场防渗的要求各不相同。通常安全填埋场的防渗结 构由上下两层及中间的排水系统构成，具体要求是：上防渗层由1 5 或2 0 咖 厚的两层h d p e 膜中间夹1 0 0 咖厚的膨润土组成；下防渗层由1 5 或2 0 衄 8 黼罴。量 应变片在垃圾填| ；i ! 场十ji ：膜变形测量中的应用 厚的h d p e 膜和矿物层组成，矿物层厚度不小于o 9m ，分六层压实，渗透系数 不大于1 0 6c l n s 【2 7 】。 r 本7 0 的城市生活垃圾通过垃圾焚烧减容减量。垃圾焚烧后的灰渣及其他 粗大不可燃的废弃物再投入卫生填埋场填埋。根据厚生劳动省在1 9 9 8 年颁布垃圾 填埋场防渗标准：当填埋场底层具有渗透系数小于1 x 1 0 6c m s 的粘土层5m 以上， 可以不设置人工防渗衬挚；如果满足不了以上条件，必须设置以下衬热结构：土工 膜厚度不低于1 5m m ；中间须设置保护垫；保护挚和保护覆土须铺设在土工膜之 上，且厚度须大于5 0 c m ；土工膜下面也应设置保护挚。 位于同本东京青梅的同出垃圾填埋场代表了同本垃圾场建设的科技水平【2 8 】， 防渗系统采用了2 层t p o 土工膜，1 层g c l 。最下面是1 层5 0 c m 厚的掺有膨润 土的复合土。最上面一层t p o 破损造成渗漏的情况下，中间层g c l 中的膨润土遇 到渗滤水立即膨胀止水，阻止渗滤液渗入地下水系统。 我国建设部颁布的生活垃圾卫生填埋技术规范( c j j l 7 2 0 0 4 ) 中规定：填 埋场必须进行防渗处理，防止对地下水和地表水的污染，同时还应防止地下水进 入填埋区；天然粘土类衬里及改性粘土类衬里的渗透系数不应大于1 o l o 。7 c 州s ， 且场底及四壁衬里厚度不应小于2 m ；在填埋库区底部及四壁铺设高密度聚乙烯 ( h d p e ) 土工膜作为防渗衬里时，膜的厚度不应小于1 5 m m ，并符合填埋场防渗 的材料性能和现行国家相关标准的要求【2 9 】。 我国的填埋场大多设置在工程地质和水文地质条件比较好的盆地或山谷中， 不仅减少工程投资，有效的减少污染。我国绝大部分这种填埋场采用垂直防渗技 术，通过设置截污坝及帷幕灌浆垂直防渗墙，以保护地下水免受污染，例如杭州 天子岭垃圾填埋场等。 1 5 2 防渗系统 防渗系统主要是将填埋气体和垃圾渗滤液封闭于填埋场之中，对填埋气体的 收集并防止其对大气的污染，有利于后续利用；控制地下水防止其入填埋场导致 渗滤液量的大量增加，阻止渗滤液渗透流出填埋场之外污染土壤和水体。防渗系 统一般分为垂直防渗、水平防渗或两种结合的方式。垂直防渗指防渗层竖向布置， 9 圆黪墨。煮 应变片在垃圾填埋场土工膜变形测量中的应用 防止废物渗滤液横向渗透迁移，污染周围土壤和地下水。目前，垂直防渗已在我 国得到广泛应用，同时也取得了良好的防渗效果，如杭州天子岭垃圾场，就是采 用局部帷幕注浆垂直防渗系统进行防渗。通过对主要渗漏途径注浆，使整个过水 断面岩层的的渗透系数为1 0 。5c i t l s 左右，实践证明垂直防渗相当成功p u l 。另外， 垂直防渗也应用在老填埋场的补救工程中，像北京的阿苏里填埋场即是通过建立 垂直防渗系统对其进行补救的。 水平防渗指水平方向铺设防渗层，包括场底防渗及其周边防渗，从而防止渗 滤液向周围及垂直方向渗透而污染土壤和地下水。水平防渗又可分为自然防渗和 人工防渗。自然防渗是指利用场地天然的土壤、水文地质条件进行防渗。人工防 渗是指利用人工合成防渗材料进行防渗。根据我国城市生活垃圾卫生填埋技术 规范( c j j l 7 2 0 0 1 ) 规定：“卫生填埋场必须防止对地下水的污染，不具备自然 防渗条件的填埋场和因填埋垃圾可能引起污染地下水的填埋场，必须进行人工防 渗，即场底及四壁用防渗材料作防渗处理”【3 1 1 。具体需要根据当地的地形、水位、 降水等条件来选择。我国标准规定卫生填埋场必须设防渗系统，一般要求防渗系 统渗透率均小于等于1 1 0 。1 7 c l s ，抗压强度必须大于o 6m p a 。人工防渗分为单 层防渗和复合防渗系统。下面为典型的单层、复合层防渗系统结构图： ( 1 ) 单层防渗系统 渗两液收集导捧系撬 土工布 i l j ：) p e 奠 压实土壤保护屡 瑟鋈鋈懑鋈磁糊层 ( 2 ) 复合防渗系统 图3 单层防渗系统 1 0 麓f 水段集鲁捧秉筑 熏，煮巷。煮应变片在垃圾填惭：膜删 渗巍梭收策碍排系统 i i ：粕 i l f ) p f i 髓 萑蜜 ：壤酾渗腹 均：尔牧攥导撸系统 图4 复合防渗系统 早期的填埋场多采用单层防渗系统，其具有造价便宜，施工简便等优势，但 是不足之处在于，对于材料容易被下面的垫层的碎石等穿破导致防渗效果不佳。 复合防渗系统虽然造价较高，防渗效果较好，随着环境质量标准的提高，越来越 被广泛应用。目前，国内对于寻求适合我国国情的衬层作了大量研究。 刘长礼”2 】等关于砂地的改良研究表明，在土中掺入一定量( 2 7 ) 的膨润 土，砂土渗透性能可从原来的4 6 1 0 q c i n s 降低到3 o l o c 州s ，完全达到衬 挚系统的标准。 法纳姆【3 3 】等研究结果揭示，泥炭可作填埋场衬垫系统材料。 董军等【3 4 】建议在垃圾填埋场底部设计防渗型和反应型的双层防渗系统，其中 反应型防渗层主要作用是控制污染物的运移，以进一步提高防渗系统的安全性。 1 5 3 防渗材料 常用的防渗材料按照材料性质分为三类：天然无机防渗材料、无机与有机复 合防渗材料和人工合成防渗材料。 ( 1 ) 天然无机防渗材料：主要有粘土、亚粘土、膨润土等。由于其来源广泛、 经济，以前被视为唯一的防渗材料，目前仍在许多国家使用这种材料。我国填埋 场防渗系统设计要求天然粘上类衬层及改性粘土类衬层的渗透系数应不大于 1 0 1 0 - 7 c m s ，且场底及四壁衬罩厚度应不小于2m 。国内对粘土改性的研究比较 黼熊 应变片在垃圾填埋场土工膜变形测量中的应用 多。史敬华等【3 5 】提出了采用一种复合土( 石狄+ 粘性土+ 膨润土) 作为改性衬里。唐晓 武等( 3 6 】利用疏浚土吸附能力强和低透水性等特点将其作为填埋场粘土衬垫的添加 材料。 ( 2 ) 无机与有机复合防渗材料：主要是指聚合物水泥混凝土( p c c ) 防渗材 料，沥青水泥混凝土也属于该类材料。它是将聚合物掺入水泥混凝土中提高其抗 渗性能和抗碳化性能，其渗透系数可以低于1 0 9c 州s 。 ( 3 ) 人工合成有机防渗材料：主要是指利用高分子合成技术人工合成的防渗 材料。这类材料的防渗效果较好，一般渗透系数在10 j 2c 州s ，低于粘土等的渗透 系数5 个数量级。 常用的柔性膜主要有高密度聚乙烯( h d p e ) 、低密度线性聚乙烯( l l d p e ) 、 聚氯乙烯( p v c ) 、氯化聚乙烯( c p e ) 、氯磺聚乙烯( c s p e ) 、塑化聚烯烃( e l p o ) 、 乙烯丙烯橡胶( e p d m ) 、氯丁橡胶( c b r ) 、丁烯橡胶( p b r ) 、 热塑性合成橡 胶、氯醇橡胶。 我国从2 0 世纪9 0 年代末开始将h d p e 膜作为垃圾填埋场基底防渗层的主 要材料，其中，目前在我国应用最广泛的是高密度聚乙烯防渗膜( h d p e ) 材料。 设计选材时对h d p e 膜的性能要求包括原材料性能和成品膜性能两个方面，其中， 原材料性能指标主要包括密度、熔流指数、炭黑含量、h d p e 原料、膜厚度；成品 膜性能指标主要有抗拉强度、抗穿能力、耐环境应力开裂和渗透系数等。防渗的 机理就是以防渗土工膜的不透水性隔断漏水通道，并以其较大的抗拉强度及延伸 率承受沉降变形【3 7 1 。抗拉强度对防渗系统的效果有着重要影响。土工合成材料聚 乙烯土工膜国家标准g b 厂r ( 1 7 6 4 3 1 9 9 8 ) 指标见表l 。 表l 聚乙烯土工膜国家标准t ( 1 7 6 4 3 一1 9 9 8 1 2 ( 骖焘，煮磊。煮 虑变片在垃圾填埋场十= 膜变形测量中的戍用 ：，“”。“”“ 虑变片在垃圾填埋场十j i ：膜变形测量中的戍用 拉伸性能是填埋场防渗系统设计选材时考虑的重要性能，直接影响到填埋场 防渗系统的安全性和稳定性。防渗土工膜的变形率对防渗土工膜的防渗性能影响 较大，从维护土工膜自身安全的角度考虑，土工膜具有较大的伸长率比具有较 大的拉伸强度更为有利3 8 、3 9 1 。傅风书【4 0 1 等研究表明，当h d p e 膜双向都受到张 力时，其延伸率达1 6 1 7 就会破损，填埋场中难免有沟槽，沟槽上方的 h d p e 膜容易发生双向受拉，设计时还要考虑垃圾沉降时发生双向受拉的情况， 计算h d p e 膜是否安全。目前，通过对材料进行拉伸试验测试拉伸强度，一般采 用应变片计测应变，获得应力应变曲线。 1 6 应变计测方法 目前拉伸性能的评价主要是通过测试有关部位的应变，了解其在荷载作用下 的应力分布情况、内力情况，得出应力应变关系，确定材料的性能和承载力。常 用的测量应力应变的方法有应变片电测、光纤光栅测试法、光弹性法双目立体视 觉测量方法。 1 6 1 应变片电测法 应变片电测法【4 u 是将电阻应变片粘贴在被测点的表面，利用应变片的电阻随 着机械变形而变化的原理，计测被测点的应变和应力。再根据应变一应力关系确 定待测点应力状态的一种应力分析方法。电阻应变片法是一种非常成熟的的表面 应力逐点测量方法，已经有6 0 多年的历史，应用范围涉及各种行业领域【4 2 1 。具有 如下优点： 1 ) 测量精度( 1 之) 和灵敏度( 1 岬) 高，量程( 2 1 0 4 岬) 大；2 ) 尺寸 小、重量轻、可进行多点测量；3 ) 测试技术成熟、数据稳定可靠，可静、动态测 量。 应变片的测量原理也决定了它的技术缺点：1 ) 属于接触式测量，只能测量待 测点表面的应变，不能测量内部应变；2 ) 应变计测出的应变值是应变计栅长度范 1 3 糕；态，耋应变片在垃圾填埋场土_ t 膜变形测每中的应用 围内的平均应变值。3 ) 属于电测法，需要采取特殊的措施增强系统的抗电磁干扰 能力。 1 6 2 光纤光栅测试方法 光纤光栅测试法【4 3 】是以光纤作为载体，光线在其中全反射。拉伸或压缩光纤， 光栅的波长就会发生变化。通过光纤光栅解调仪监测光栅反射光的波长，通过相 应的程序对测试数据进行计算、分析和处理，从而获得光纤光栅传感器处的应变 值。 光纤光栅测试方法是近2 0 年来快速发展起来一种应力应变测量方法，目前广 泛应用于建筑、桥梁、船舶和化工等领域。该方法的优点： 1 ) 光纤光栅传感器以光纤作为信号载体，体积小、重量轻可对狭小部位进行 测量。2 ) 能实现应变和温度的绝对测量，也可进行静、动态测量。3 ) 测试系统 结构简单，可实现远程监测。 缺点在于：1 ) 量程较小；2 ) 具有温度耦合效应。 1 6 3 光弹性法 光弹性法【删是利用材料的双折射效应进行应力应变测试的。例如，各向同性 的非晶体材料，如环氧树脂，当其受到载荷作用而产生应力时，产生双折射现象， 而卸载后，材料又恢复光学各向同性。 光弹性方法是国防、航空航天领域中不可或缺的一