某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。

项目所在地由地面标高往下，各土层物理力学参数如表1所示。

表 1 项目所在地土层物理学参数

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个承压水含水层分布，分别赋存于④层、⑤层、⑥层和⑧层、⑨层、⑩层中。其间有⑦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，④层、⑤层、⑥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；⑧层、⑨层、⑩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（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。各类垂直防渗帷幕技术比较见表2。

表 2 各类垂直防渗帷幕技术比较

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7.9m～8.3m，结合项目场地地质勘查情况，填埋场存在③Ａ层淤泥质粉质黏土、⑦层淤泥质粉质黏土两个隔水层，其中③Ａ层淤泥质粉质黏土埋深1.21m～3.24m，塑料排水板已将③Ａ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③Ａ层淤泥质粉质黏土作为隔水层；虽然③Ｃ层淤泥粉质黏土层顶埋深3.1m～5.6m，厚度2.3m～5.4m，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⑦淤泥质粉质黏土层渗透性相对较低，层厚为1.9m～6.2m，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⑦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、1.0m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，具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15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2.0m～2.5m，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。

图 1 计算模型各土层区域划分

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－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γ=16kN/m3，按此重度在槽内施加槽内表面压力γ×ｈ（γ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，计算结果如图2所示。

图 2 垂直防渗施工期土层状态

由图2、图3的计算结果可以看出，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，沟槽位移计算结果如图3所示。

图 3 垂直防渗施工期模型水平位移云

图3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2m～2.5m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－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/m3，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。

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。