西北地區黃土作為垃圾填埋場中間覆蓋層的試驗

史煒，柴曉利

（1.西安市固體廢棄物管理處，西安 710038；

2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

西北地區黃土作為垃圾填埋場中間覆蓋層的試驗

史煒1，柴曉利2

（1.西安市固體廢棄物管理處，西安 710038；

2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

垃圾填埋場中間覆蓋層在垃圾分區或分層堆填作業過程中用于臨時封閉垃圾堆體、控制降雨入滲并減少蚊蠅滋生和臭氣等.常用的高密度聚乙烯（high density polyethylene, HDPE）膜作為中間覆蓋層,存在易被垃圾刺穿導致坡面雨水大量入滲和造價較高等問題.我國西北地區氣候干旱且黃土分布廣泛,這些黃土是當地制作垃圾填埋場中間覆蓋層非常便利的材料.對黃土中間覆蓋層的夯實施工、防滲性能和歷經干濕循環作用后開裂導致其滲透系數增大、防滲性能劣化進行了試驗研究.結果表明：黃土的飽和滲透系數隨干密度增大而增大,當干密度達到1.60 g/cm3時其滲透系數為10-7～10-6cm/s,防滲性能較好；現場雙套環原位實驗測得黃土飽和滲透系數為8.37×10-8cm/s,較室內試驗大1倍左右；黃土層歷經自然干濕循環作用后易開裂,有裂縫條件下其飽和入滲系數為1.18×10-6cm/s,比無裂縫條件下的增大了14倍左右.在增設15 cm厚的保護植被土層后,黃土的開裂情況得到明顯抑制.

垃圾填埋場；黃土；中間覆蓋層；防滲性能

衛生填埋是我國城市居民生活垃圾處理的主要手段，目前全國共有約1 000個填埋場［1］.隨著城市居民生活水平的提高，城市生活垃圾產量劇增，大量的生活垃圾進入填埋場后需要進行填埋作業.在垃圾分區或分層堆填過程中，由于攤鋪、整平和壓實以及作業面的遷移等工序需要對裸露的垃圾進行臨時覆蓋，以封閉覆蓋垃圾堆體并防止自然降雨入滲從而減少滋生的蚊蠅和臭氣等，因此垃圾的中間覆蓋層就像垃圾的“保護皮膚”，其下邊界直接與垃圾體接觸而上邊界直接暴露在外部氣候環境中，因而必須能經受住干濕等各種氣候循環作用的考驗［1］.若其功能弱化或失效，則會導致滲濾液產量顯著增加而誘發填埋體失穩并加劇污染物的擴散.

目前，我國垃圾填埋場大多采用一些人工材料作為中間覆蓋層進行封閉覆蓋.圖1是我國南方某垃圾填埋場采用高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）膜進行中間封場的情況.采用人工材料進行臨時封場施工速度較快，但在工程造價、防滲效果、植被景觀和環境恢復上還存在較多問題.例如HDPE鋪設、焊接等施工質量要求高的工序需要專業的技術人員進行操作；隨著垃圾的逐步降解，一些堅硬且尖銳的垃圾成分容易將HDPE膜刺穿導致坡面雨水大量滲入；垃圾降解過程中產生的填埋氣體無法被HDPE吸收，只能被隔絕或阻斷在膜下而導致產生鼓包，從而影響膜的穩定性等.

圖1 HDPE膜中間覆蓋層Fig.1 HDPE intermediate cover

目前，對垃圾填埋場覆蓋層的研究主要集中于填埋場終場封場后的覆蓋層，而對于垃圾填埋作業中的中間覆蓋層的研究還未有報道.對于填埋場終場覆蓋層，劉川順等［2］和王康等［3］將水量平衡角度的蒸發量和蒸騰量及實測降雨量作為地表邊界研究了騰發式土質覆蓋層在武漢地區的厚度取值；張文杰等［4-5］以經驗公式求得地表入滲量，并分析了1年內填埋場蒸發式覆蓋系統中水分的運移；詹良通等［6］將我國西北地區的黃土作為土質覆蓋層的儲水材料，分析了在西北非濕潤氣候區采用黃土作為土質覆蓋層的可行性和初步設計厚度.研究表明，采用黃土作為土質覆蓋層具有可行性且與傳統的黏土覆蓋層和復合覆蓋層相比在工程造價、植被綠化和覆蓋層穩定性方面有著獨特的優勢.

我國廣大西北地區氣候相對干旱且黃土大量分布.在西北的典型城市中，西安的年降雨量500～800 mm為半濕潤氣候；蘭州年降雨量200～500 mm為半干旱氣候；寧夏銀川地區的年均降雨200 mm以下為干旱氣候.這些地區降雨少，對臨時覆蓋層防滲性能的要求沒有南方多雨環境高，若采用當地較多的黃土作中間覆蓋層將會極大地改善填埋場的綠化效果并顯著降低工程造價.然而目前我國對把黃土作為垃圾填埋場中間覆蓋層的研究還處于空白，對黃土作中間覆蓋層的壓實、水相滲透特性以及自然干濕循環條件下水力特性的變化規律缺乏科學系統的研究.鑒于此，本工作對黃土中間覆蓋層的夯實施工、防滲性能和干濕循環作用后黃土層開裂防滲效果劣化等方面進行了系統性的試驗研究.

1 試驗填埋場

1.1 概況

本試驗地點為西安市江村溝垃圾填埋場，該場是西安市區唯一的生活垃圾處理設施地，位于灞橋區狄寨鄉，距市中心16 km，占地約73萬m2，總容積4 900多萬m3，目前生活垃圾日處理量達7 500 t左右.填埋場建設于黃土臺塬區的狹長溝谷內，屬于山谷型填埋場.填埋場溝谷谷底上下游長度超過1 000 m，溝谷兩側為原始的黃土邊坡，黃土邊坡坡度較陡，坡高超過60 m.填埋區域位于兩側黃土邊坡之間的溝谷內，因而黃土土源和取土條件十分便利（見圖2）.試驗區域選擇在江村溝垃圾填埋場的第6級平臺上，該區域的垃圾填埋時間約3～5 a，垃圾降解產生的沉降基本穩定.

1.2 材料、尺寸、工況和目的

在填埋場兩側原始黃土邊坡上選取了兩個點的黃土土料（見圖2），根據邊坡兩側的工程地質剖面設所取黃土為Q2和Q3黃土.試驗研究項目和目的如表1所示，包括室內基本性質測試和室外現場試驗兩部分.室內測試主要包括黃土的基本性質測試、室內滲透系數測試以及黃土擊實試驗等.室內試驗主要有兩個目的：①獲得黃土最大干密度和最優含水率；②獲得黃土壓實程度（干密度）與滲透性之間的關系.室外現場試驗主要包括現場黃土臨時覆蓋層夯實試驗和現場雙套環原位滲透試驗，主要有兩個目的：①通過現場夯實試驗獲得黃土在斜坡和垃圾碎石層之上的夯實特性，掌握夯實試驗中黃土的夯實遍數、虛鋪厚度、干密度的變化規律以指導黃土中間覆蓋層的夯實施工；②進行黃土臨時覆蓋層現場雙套環原位入滲系數測試和覆蓋層植草長期對比監測觀察.

圖2 黃土邊坡和取樣點Fig.2 Loess slope and soil sampling points

2 黃土室內基本性質

2.1 試驗黃土基本性質

黃土室內基本性質測試結果如表2所示.結果表明，在同一地質剖面Q2，Q3黃土的天然含水率基本接近，在18%～20%之間，雖然二者埋藏深度不同，但都暴露在邊坡剖面較長時間，受到的降雨、日照和大氣溫度等條件基本接近.此外從二者的干密度來看，Q2黃土為1.76 g/cm3，Q3為1.70 g/cm3，這與二者的埋藏深度和自重應力差別有關系.兩類黃土的顆分級配曲線（見圖3）和液塑限測定結果基本接近，從土類劃分上來看二者都屬于典型的粉質黏土.圖4為Q2和Q3黃土的輕型擊實試驗曲線.從圖中可以看出，在室內輕型擊實條件下Q3黃土最大干密度為1.72 g/cm3，最優含水率為19.5%；Q2黃土的最大干密度為1.73 g/cm3，最優含水率為19.1%.

表1 項目名稱和目的Table 1 Test items and purpose

表2 黃土性質參數Table 2 Parameters of loess's property

圖3 Q2和Q3黃土顆分級配曲線Fig.3 Grain composition curves of Q2 and Q3 loess

圖4 室內黃土的擊實曲線Fig.4 Compaction curves of loess in laboratory

2.2 黃土滲透系數與干密度關系

室內進行了不同干密度條件下黃土的飽和滲透系數（Ks）測試（見圖5）.由圖5可見黃土的滲透系數在10-7～10-5cm/s數量級之間，其飽和滲透系數隨著干密度的增大而逐漸減小.當黃土干密度在1.50 g/cm3以下時，其滲透系數為10-5～10-4cm/s；當黃土干密度在1.50～1.60 g/cm3之間時，其滲透系數為10-6～10-5cm/s；當黃土干密度在1.60 g/cm3以上時，其滲透系數為10-7～10-6cm/s.我國《生活垃圾衛生填埋處理技術規范》［7］規定：填埋場封場覆蓋層中粘土的滲透系數不應大于1.0×10-7cm/s，因此參考該規范的要求現場黃土夯實后干密度宜大于1.60 g/cm3.

圖5 室內黃土干密度與滲透系數關系Fig.5 Soil dry density-permeability relationship in laboratory

3 室外現場振動夯實特性

室內試驗結果表明，在同一地點所取的Q2和Q3黃土的土體類別和擊實特性較為接近，因此室外只選取了Q3黃土進行現場夯實試驗.試驗點選擇垃圾填埋場填埋區的第6級平臺邊坡，邊坡坡度為16.8?（見圖6）.試驗區尺寸長4 m，寬3 m，試驗土層從上至下結構依次為20～30 cm黃土層、200 g/m2無紡土工布、30 cm厚碎石層和填埋垃圾層.夯實機具采用符合國家標準的電動沖擊夯進行土樣振動夯實，夯實板尺寸為25 cm×25 cm.根據該機械的使用說明按建議推薦值為10～13 m/min的速度夯實前進.由于現場測得黃土的天然含水率（18.9%）與最優含水率（19.5%）接近，因此夯實試驗主要考慮黃土的虛鋪厚度和碾壓夯實次數兩個因素，試驗中共考慮了3個虛鋪厚度和4種碾壓次數.

圖6 黃土中間覆蓋層現場夯實試驗Fig.6 Compaction experiment in loess intermediate cover

（1）土樣虛鋪厚度為20 cm，碾壓次數分別為2，4，6，8次；

（2）土樣虛鋪厚度為25 cm，碾壓次數分別為2，4，6，8次；

（3）土樣虛鋪厚度為30 cm，碾壓次數分別為2，4，6，8次.

夯實后分別在土層的頂部（表層以下3 cm）和底部（土層底部之上3 cm）取土樣進行測試獲得其干密度.

3.1 振動夯實遍數與夯實密度的關系

圖7為虛鋪厚度為20 cm，經不同次數夯實后黃土表層（深3 cm）和底層（深17 cm）處土體干密度分布圖.由圖可見，隨著夯實次數的增加，土體干密度逐漸增大，當夯實次數達到6次時，表層土體的干密度達到1.68 g/cm3而底層土體的干密度達到1.57 g/cm3，隨著夯實次數增加到8次后，表層土干密度基本維持在1.68 g/cm3并略有下降，底部土層的干密度則繼續增大達到1.61 g/cm3.和室內的擊實試驗相比，室內測得最大干密度為1.72 g/cm3，而現場的最大干密度為1.68 g/cm3，這與現場為斜坡有關，因為一方面振動平板夯實儀操作控制不便，另一方面土層底部為松散碎石且土料邊界沒有約束條件，多次夯實后原夯實的土壤被再次擾動［8］.

圖7 虛鋪厚度20 cm夯實效果Fig.7 Compaction curves of pseudo thickness 20 cm

3.2 虛鋪厚度對夯實均勻性的影響

工程經驗表明，土體夯實施工中土體受到的擊實功隨著土體深度的增加而減小，為了獲得土體干密度上下均勻一致的夯實效果需要選擇適當的虛鋪厚度.現場進行了虛鋪厚度分別為20，25和30 cm條件下的夯實試驗.圖8和9是虛鋪厚度分別為25和30 cm條件下土體不同深度干密度與夯實次數間的關系，圖10顯示了3種虛鋪厚度條件下土體表層土與底層土之間干密度不均勻性系數.可見，虛鋪厚度越厚，表層土和底部土的干密度之間的差距越大.當虛鋪厚度為20 cm時，頂部和底部土層干密度之間的差距約在5%以內；當虛鋪厚度為25 cm時，頂部和底部土層干密度之間的差距約在9%～16%之間；當虛鋪厚度為30 cm時，頂部和底部土層干密度之間的差距約在15%～20%之間.底層土與表層土之間干密度有差異可能有如下原因：①夯實過程中隨著土體深度的增加土體受到的擊實功逐步遞減；②底部存在一層30 cm厚的碎石層且分布在斜坡上，這導致底部土體受到的約束減小.可見，在現場夯實條件下，為了獲得上下更為均勻一致的夯實效果，虛鋪厚度建議取值為20 cm.

圖8 虛鋪厚度為25 cm夯實效果Fig.8 Compaction curves of pseudo thickness 25 cm

圖9 虛鋪厚度為30 cm夯實效果Fig.9 Compaction curves of pseudo thickness 30 cm

圖10 不同虛鋪厚度土體夯實均勻性Fig.10 Uniformity of soil compaction

4 黃土中間覆蓋層現場入滲長期監測

4.1 室內和現場無裂縫條件黃土飽和滲透系數對比

進行現場雙套環原位入滲試驗以對黃土臨時覆蓋層的入滲系數進行測試（見圖11）.試驗中雙套環尺寸如下：外環直徑為1.0 m，內環直徑為0.5 m，兩環高均為0.3 m，認為當處于同一圓心的內外環中都充滿水時，內環中的滲透視為豎直方向的一維滲流.夯實試驗結束后進行了雙套環原位試驗，試驗黃土干密度（Pd）分別為1.68和1.54 g/cm3，測試結果如圖12所示.可見在試驗初期由于土體處于非飽和狀態，土樣入滲系數都較高，但當試驗進行一段時間后土樣含水率逐漸增高，土樣的入滲系數逐漸減小而區域穩定.表3列出了現場雙套環試驗測得的黃土臨時覆蓋層入滲系數與室內單元體測試的滲透系數對比情況.以干密度為1.68 g/cm3的黃土臨時覆蓋層為例，現場實測穩定飽和入滲系數為8.37×10-8cm/s，而室內單元體標準滲透系數為4.16×10-8cm/s，約比現場測試結果小50%.分析原因可能是由于黃土中伴有碳酸鈣質類結核，室內試驗由于所取黃土樣本質量較小且經過篩處理后這部分結核被剔除，而現場大范圍施工黃土沒有進行過篩處理且黃土夯實質量也不如室內樣本精細和均勻所致.

圖11 雙套環原位滲透試驗Fig.11 Double ring infiltration experiment

圖12 不同干密度黃土中間覆蓋層滲透系數Fig.12 Permeability coefficients of loess intermediate cover in different dry densities

表3 室內與現場黃土臨時覆蓋層飽和滲透系數對比Table 3 Comparison of saturated permeability between laboratory and field cover

4.2 經歷干濕循環后黃土有裂縫條件飽和滲透系數

中間覆蓋層服役時間不像填埋場終場覆蓋層那樣長達幾十年之久，但也會有數月甚至長達1～2 a的時間，因此有必要對其開裂后防滲性能的劣化現象進行研究［9-10］.圖13是監測期間觀測到的無植被條件下黃土中間覆蓋層表層土的開裂情況.由圖可見，土層上有較多裂縫分布.裂縫測試結果表明：裂縫寬度約在2～6 mm之間，深度分布在表層以下0～15 cm的范圍.在此開裂情況下進行了現場雙套環測試，測試結果如圖14所示.由圖可見，有裂縫出現后，其穩定飽和滲透系數為1.18×10-6cm/s，約是覆蓋層未開裂條件下的14.09倍.這表明黃土中間覆蓋層經歷干濕循環后黃土臨時覆蓋層會出現開裂，且開裂導致其滲透系數明顯增大而使防滲性能弱化.

圖13 黃土中間覆蓋層的開裂Fig.13 Crack of loess intermediate cover

圖14 有、無裂縫條件下黃土中間覆蓋層滲透系數Fig.14 Permeability coefficients of loess intermediate cover with or without crack

4.3 植草對覆蓋層開裂性能的改善觀測

圖15 黃土中間覆蓋層植草后裂縫探坑觀測Fig.15 Crack observation of loess intermediate cover

在無植被條件黃土中間覆蓋層的表層增設了15 cm厚植被土并種植了植被.圖15是在表層增設了15 cm厚植被土.從圖中可以清晰地看見植被根系已經有較好的發育，覆蓋層內未見有明顯的裂縫分布，土層結構均勻完整開裂情況不明顯；與對照組中無植被黃土覆蓋層的開裂情況相比，開裂情況有較大程度的抑制，防滲功能發揮穩定.但考慮到目前研究監測的時間和周期較短，尚未經歷大旱大澇的極端天氣，黃土層的開裂情況和后期防滲性能的劣化測試工作仍需進一步展開.

5 結論

通過對城市生活垃圾填埋場黃土中間覆蓋層開展室內和現場試驗，得到如下結論.

（1）擊實黃土的滲透系數隨其干密度的增大而減小.當黃土干密度達到1.60 g/cm3以上時，其滲透系數為10-8cm/s，防滲性能較好，能夠用于城市垃圾衛生填埋場的中間覆蓋層.

（2）采用小型平板夯實儀對黃土進行夯實是可行的，當虛鋪厚度為20 cm時表層土和底層土夯實均勻系數相差較小，夯實質量較好.

（3）現場黃土臨時覆蓋層滲透系數較室內單元體試樣相比滲透系數約增大1倍，黃土臨時覆蓋層在經歷干濕循環作用后會在土體中產生裂縫從而降低黃土的防滲性能，開裂后滲透系數約是未開裂時的14倍.

［1］賈官偉.固廢堆場終場土質覆蓋層中水分運移規律及調控方法研究［D］.杭州：浙江大學,2010.

［2］劉川順,趙慧,羅繼武.垃圾填埋騰發覆蓋系統滲瀝控制試驗和數值模擬［J］.環境科學,2009,30（1）：289-296.

［3］王康,劉川順,王富慶,等.騰發覆蓋垃圾填埋場覆蓋層機理試驗研究及結構分析［J］.環境科學, 2007,28（10）：2307-2314.

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［8］BOSSCHER P.The Windows 95/98/NT implementation of UNSAT-H［D］.Madison：University of Wisconsin,1999.

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Experiments on loess as intermediate cover in landfills in northwest China

SHI Wei1，CHAI Xiaoli2
（1.Xi'an Solid Waste Administration，Xi'an 710038，China；
2.College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

The functions of intermediate covering layer of landfill include temporary enclosure of garbage,control of rainfall infiltration,reducing mosquito breeding,etc.High density polyethylene（HDPE）film is easy to pierce to cause rain infiltration,but the cost is high.The northwest area of China is dry,with loess widely distributed.It is convenient to be used as a landfill intermediate cover.Experimental studies are carried out on tamping construction,impervious performance and impervious performance deterioration after wetting and drying cycles.The results show that the saturated permeability coefficient of loess increases with increasing dry density.Dry density reaches 1.60 g/cm3when its permeability is from 10-7cm/s to 10-6cm/s.The field double ring in situ experimental permeability coefficient is 8.37×10-8cm/s,about double as in the indoor test.With the natural drying wetting cycle condition of saturated infiltration coefficient being 1.18× 10-6cm/s,it is 14 times greater than the condition without crack.Adding a soil vegetationlayer with thickness of 15 cm,cracking of loess is suppressed.

landfill；loess；temporary cover；anti-seepage performance

TU 443

A

1007-2861（2016）04-0505-10

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.03.019

2015-06-09

國家自然科學基金資助項目（51110742）

柴曉利（1968—），男，教授，博士生導師，博士，研究方向為固體廢物處理處置與資源化、溫室氣體控制與資源化技術.E-mail：xlchai@tongji.edu.cn