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垃圾衛(wèi)生填埋場中HDPE土工膜的應(yīng)用方案

近年來，我國城市生活垃圾的無害化處理率有較大幅度的提高。1991年，城市生活垃圾無害化處理率不足3%，到1998年基本上達(dá)到20%。從1996年起，我國開始將高密度聚乙烯(HDPE土工膜)土工膜運(yùn)用于城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場，大大提高了我國城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)水平。城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場在我國得到了快速發(fā)展，有關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范相繼出臺(tái)，如《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》和《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》2001年頒布執(zhí)行，為城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計(jì)指明方向。將加大在縣城鎮(zhèn)生活垃圾衛(wèi)生填埋場(全部使用HDPE土工膜防滲材料)設(shè)施的建設(shè)，并對滲濾液進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后排放。HDPE土工膜是城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲的核心材料。
高密度HDPE土工膜是在普通防滲膜的基礎(chǔ)上經(jīng)過配方重組，選用的低壓高密度聚乙烯原料，主要成分為97.5%的高密度聚乙烯，約2.5%的碳黑、抗老化劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、穩(wěn)定劑等輔料，用目前國際上的全自動(dòng)土工生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)三層共擠技術(shù)制成。此生產(chǎn)線是高度自動(dòng)化的，從訂單的輸入、配方、進(jìn)料、加工到質(zhì)量的監(jiān)控，都由計(jì)算機(jī)的全自動(dòng)控制,并且嚴(yán)格依據(jù)科學(xué)的數(shù)據(jù)來操作的。并且能夠同時(shí)使用的原料（具有的拉力強(qiáng)度），如Metallocence及傳統(tǒng)的PE、EVA、LLDPE等。所有產(chǎn)品均依據(jù)美國ASTM D標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行生產(chǎn)，達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品規(guī)格齊全，厚度0.2mm-3.0mm，寬幅4m-8m，滿足人工景觀,污水處理,蓄水工程,環(huán)保環(huán)衛(wèi),礦業(yè)化工等項(xiàng)目的要求. 更高的高機(jī)械強(qiáng)度及變型適應(yīng)性.抗化學(xué)劑腐蝕能力強(qiáng).防滲防水效果顯著. 使用壽命長.環(huán)保.
1。HDPE土工膜設(shè)計(jì)和施工

1.1HDPE土工膜特性

HDPE土工膜是垃圾填埋場工程常用的三種主要土工合成材料(另有土工網(wǎng)和土工織物)之一，其防滲性能是衡量垃圾衛(wèi)生填埋場是否達(dá)到環(huán)保要求的主要指標(biāo)。

HDPE土工膜通常由連續(xù)的聚合物薄層制成，并不是不透水氣，只是相對土工織物或填土甚至粘土而言是不透水氣的。其水氣滲透試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)在0.5×10-10～0.5×10-13cm／s之間。因此垃圾衛(wèi)生填埋場其土工膜主要功能是用來隔斷滲濾液和填埋場氣體的外泄，防止有害物質(zhì)污染周圍環(huán)境。HDPE土工膜是垃圾衛(wèi)生填埋場防滲工程中運(yùn)用廣泛的材料，其運(yùn)用的部位主要有填埋場底部襯墊、填埋場封場覆蓋、滲濾液調(diào)節(jié)池襯墊等。目前，我國垃圾衛(wèi)生填埋場中常用的HDPE土工膜皆從國外引進(jìn)，如美國、德國、韓國等，其厚度主要有1.0mm，1.5mm，2.0mm，3.0mm，3.5mm。HDPE土工膜的結(jié)構(gòu)型式有光面的和加糙的，適用于不同的場地要求。
    HDPE土工膜產(chǎn)品應(yīng)用于：
1、環(huán)保，環(huán)衛(wèi)（如生活垃圾填埋場，污水處理，有毒有害物處理場，危險(xiǎn)品倉庫，工業(yè)廢棄物，建筑及爆破垃圾等）
2、水利（如江河湖泊水庫堤壩的防滲，堵漏，加固，水渠的防滲，垂直心墻，護(hù)坡等）
3、市政工程（高速公路、地鐵，建筑物的地下工程和屋頂蓄水池，屋頂花園的防滲，污水管道的內(nèi)襯等）
4、園林（人工湖，池塘，高爾夫球場的水塘底襯，護(hù)坡等）
5、石化（化工廠，煉油廠，加油站的儲(chǔ)油罐防滲，化學(xué)反應(yīng)池，沉淀池的內(nèi)襯，二次襯層等）
6、礦業(yè)（洗選池、堆浸池、堆灰場、溶解池、沉淀池、堆場、尾礦的低襯防滲等）
7、交通設(shè)施（公路的基礎(chǔ)加固，涵洞的防滲）
8、農(nóng)業(yè)（水庫，飲用水池，蓄水塘，灌溉系統(tǒng)的防滲）
9、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)（魚塘，蝦池的內(nèi)襯等） 其他設(shè)施的防滲，防腐，防漏，加固，滲濾液的收集。臨時(shí)性容器結(jié)構(gòu)，特殊構(gòu)件的預(yù)制等。

HDPE土工膜的主要特征和優(yōu)點(diǎn)有：

a.強(qiáng)度較高。屈服抗拉強(qiáng)度可達(dá)18MPa，斷裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)35MPa，剝離強(qiáng)度31kN／m，剪切強(qiáng)度33kN／m；延展性良好。屈服延伸率為l3%～16%，斷裂延伸率為700%～800%，有較好的地表適從性、耐候性，其真正破壞時(shí)，應(yīng)變大約高達(dá)1000%。

b.防滲能力好。防滲系數(shù)小于1×10-13cm／s，可以確保滲濾液不因襯墊而泄漏、污染土地，雨水不會(huì)透過封場的覆蓋層，增加滲濾液量，填埋氣體不會(huì)透過襯墊而泄出。

c.化學(xué)穩(wěn)定性好。因填埋體的溫度可達(dá)50℃，化學(xué)穩(wěn)定性是填埋場設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵的因素。HDPE土工膜是所有土工膜材料中化學(xué)穩(wěn)定性的材料，城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場的滲濾液化學(xué)成分對HDPE襯墊不構(gòu)成威脅，HDPE土工膜具有良好的防腐蝕性。

HDPE土工膜軟化點(diǎn)約121℃，冷脆化點(diǎn)約為-120℃。其對無機(jī)酸、有機(jī)酸、無機(jī)鹽、酒精類、醛類、胺類、酯類、油脂有較強(qiáng)抵抗力，能防止這些化學(xué)物的直接腐蝕，也能防止因吸收和膨脹而導(dǎo)致性能衰退，對某些碳氧化合物(如苯、苯乙醛、已烷和甲醛)也有一定的抵抗力，僅對鹵族碳氧化合物(如氯化苯醛、含溴苯)的抵抗力較差。

國外從1994年開始室外風(fēng)化試驗(yàn)，結(jié)果表明HDPE材料的性能始終良好?？绱笪餮蟮耐ㄓ嶋娎|是20世紀(jì)40年代鋪設(shè)的，至今沒有損壞，埋在土中和水下HDPE襯墊的耐久性可達(dá)50年以上。

d.具有良好的抗紫外光老化性。HDPE土工膜中的炭黑加強(qiáng)了其抗紫外光的能力。其中不用增塑劑，因而沒有暴露在紫外光下被分解的問題。

e.抗嚙齒動(dòng)物和微生物侵襲。各種試驗(yàn)證明，動(dòng)物和微生物只侵襲那種含有增塑劑的聚合物，并以其為食物，HDPE土工膜不受這種影響。

f.施工方便，施工技術(shù)成熟，焊接質(zhì)量高。焊縫強(qiáng)度高于母體材料強(qiáng)度，焊縫的形式有單軌、雙軌焊縫，雙軌焊縫便于檢測。

國外常用土工膜還有超低密聚乙烯(VLDPE)土工膜、復(fù)合土工膜(如HDPE土工膜和膨潤土復(fù)合，VLDPE和HDPE復(fù)合)等。VLDPE土工膜適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，可用于柔韌性要求較高的填埋場。復(fù)合土工膜除具有復(fù)合用材的優(yōu)點(diǎn)之外，另外還有增強(qiáng)抗?jié)B透能力的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 HDPE土工膜厚度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)

HDPE土工膜在水平和坡面鋪設(shè)時(shí)，其厚度設(shè)計(jì)采用薄膜理論公式：

式中：T為單寬土工膜所受拉力，kN／m；p為膜承受的垂直壓力，kPa；b為預(yù)計(jì)膜下支持層可能產(chǎn)生的裂縫寬度，m；ε為膜的拉應(yīng)變，%。

HDPE土工膜的強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足下式：

式中：Tf為單寬土工膜的限抗拉強(qiáng)度，kN／m；Fs為安全系數(shù)，在填埋場設(shè)計(jì)中建議該值大于10。

1.3 HDPE土工膜滲濾液的滲漏量計(jì)算

盡管HDPE土工膜滲透性弱，但仍然會(huì)有少量滲濾液透過，特別是當(dāng)膜本身存在缺陷或在運(yùn)輸、施工過程中破損，滲漏量會(huì)更大。滲漏量與HDPE土工膜下持力土層的滲透性、密實(shí)度、接觸表面相關(guān)。

Giroud和Bonaparte通過分析研究和模型測試，提出了下面兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算穿過復(fù)合襯墊中HDPE土工膜上一個(gè)圓孔的滲漏量。

a.鋪設(shè)的HDPE土工膜折皺較少，低透水性土層密實(shí)度較大，其上表面光滑：

b.鋪設(shè)的HDPE土工膜有一定的折皺，低透水性土層密實(shí)度較小，其上表面不光滑：

式中：Q為復(fù)合襯墊中HDPE土工膜上一個(gè)圓孔的滲漏率，m3／s；a為土工膜上小圓孔的面積，m2；h為土工膜上水頭，m；Ks為復(fù)合襯墊中持力土層的滲透系數(shù)，m／s。

1.4HDPE土工膜與其它介質(zhì)界面摩擦特性

在斜坡上鋪設(shè)HDPE土工膜時(shí)，HDPE土工膜與其它材料(包括砂、混凝土)之間的摩擦特性是設(shè)計(jì)上一個(gè)很重要的控制指標(biāo)。光面HDPE土工膜與其它材料之間的摩擦角較土的摩擦角小，很容易沿界面產(chǎn)生滑動(dòng)。光面HDPE土工膜與其它材料之間的摩擦角見表1。

表1光面HDPE土工膜與其它材料之間的摩擦角(°)

從表1可知，光面HDPE土工膜與土工織物間的摩擦角較小(小于11°)。垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計(jì)中，斜坡上的HDPE土工膜一般選用加糙的HDPE土工膜，以增加其抗滑能力。

1.5HDPE土工膜防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層

水利工程上一般在土工膜下支持層采用強(qiáng)透水性的材料，但作為環(huán)保項(xiàng)目的垃圾填埋場工程，若支持層仍采用強(qiáng)透水性的材料，一旦發(fā)生非人為的膜破損，滲濾液將通過膜下強(qiáng)透水性材料迅速向周邊擴(kuò)散，對環(huán)境造成污染。為減少對周圍環(huán)境的影響，提高防滲層的安全度，建議在HDPE土工膜下支持層采用弱透水性材料，如粘土(滲透系數(shù)小于10-7cm／s)。土工膜上的保護(hù)層采用土工布和粘土層(厚50cm)。

1.6HDPE土工膜防滲結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定分析

垃圾衛(wèi)生填埋場的垃圾壩、填埋區(qū)側(cè)壁邊坡皆采用HDPE土工膜防滲。垃圾壩的HDPE土工膜邊坡穩(wěn)定分析與一般水利工程的擋水土石壩相同。因HDPE土工膜斜墻靠近上游壩坡，HDPE土工膜與壩體之間的摩擦系數(shù)一般小于壩體的內(nèi)摩擦系數(shù)，因此，需要計(jì)算校核HDPE土工膜與保護(hù)層或壩體之間的抗滑穩(wěn)定性。HDPE土工膜邊坡穩(wěn)定分析采用我國土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范所推薦的限平衡法。

填埋區(qū)側(cè)壁邊坡穩(wěn)定計(jì)算可參照垃圾壩的HDPE土工膜邊坡穩(wěn)定分析方法進(jìn)行。

邊坡上的HDPE土工膜破壞模式為：

a.從錨固溝中脫出向下滑動(dòng)。這種破壞常發(fā)生在HDPE土工膜鋪設(shè)時(shí)，但通過HDPE土工膜與坡面之間摩擦能阻止HDPE土工膜在坡面上的滑移，同時(shí)HDPE土工膜與錨固溝溝壁的摩擦及錨固溝的錨固作用也可阻止HDPE土工膜的滑動(dòng)。

b.沉降過大。垃圾堆體的沉降過大(10%～20%)，是由于垃圾填埋過程中的壓實(shí)密度較小(一般只有800～1000kg／m3)、孔隙率較大、垃圾生化反應(yīng)分解所致。填埋場的沉降(垃圾堆體的沉降及地基自身的沉降)過大，會(huì)使斜坡上的HDPE土工膜產(chǎn)生較大的張力，可能導(dǎo)致HDPE土工膜破壞。

1.7HDPE土工膜施工要求

a.須配合整個(gè)工程進(jìn)度，清除場地草皮、樹根和一切尖角硬物，下墊層平整，不可有凸起褶皺，以防損傷土工膜。

b.對于松軟部位應(yīng)進(jìn)行挖除回填夯實(shí)。場內(nèi)足以毀損HDPE土工膜之物品，如鐵釘、木材、突出物等，在HDPE土工膜鋪設(shè)前應(yīng)全部清除。為了防止人為損傷土工膜，禁止施工人員穿硬底鞋或帶釘鞋，禁止往土工膜上扔雜物。

c.在平整場地完成后依據(jù)工程師核準(zhǔn)的鋪膜施工圖鋪設(shè)，并根據(jù)場地地形加設(shè)工作平臺(tái)及錨固溝(1000mm×1000mm)，錨固溝的開挖回填均應(yīng)滿足土工膜安全穩(wěn)固的要求。

d.土工膜和土工布鋪設(shè)完成后，在填埋場庫底覆蓋50cm的粘土和40cm的小粒徑碎石層，邊坡部分自坡趾線垂直距離1.5m內(nèi)覆蓋50cm厚的壓實(shí)粘土，保護(hù)HDPE土工膜免遭損壞。

e.現(xiàn)場搭接前須先清除搭接部分的異物，如泥土、砂石等，搭接的接縫必須錯(cuò)開排列，搭接方法應(yīng)采用擠出成型焊接法，下雨天或有霧、風(fēng)沙太大時(shí)，不得進(jìn)行搭接施工。鋪設(shè)土工膜時(shí)可在膜上放置砂包壓重，以防大風(fēng)吹卷土工膜，且能保護(hù)土工膜不被損傷。

f.為保證土工膜的焊接質(zhì)量，要將土工膜的焊縫面清理干凈。根據(jù)氣溫和風(fēng)向、風(fēng)力，隨時(shí)調(diào)整焊接溫度和行焊速度；經(jīng)常清除焊機(jī)膠輪表面及熱楔表面粘附的土工膜材料的殘余物，保持其表面清潔；施焊時(shí)基底一定要平整堅(jiān)硬，拼縫搭接面一定要平整，防止焊縫褶皺不平。

g.在鋪設(shè)土工膜上墊層、保護(hù)層面層及用粘土填錨固端時(shí)，不可損傷復(fù)合土工膜。

h.每道工序完成后必須經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理工程師的驗(yàn)收認(rèn)可，方能進(jìn)行下一道工序施工。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1深圳市下坪固體廢棄物填埋場概況

深圳市下坪固體廢棄物填埋場受納物為城市生活垃圾，是我國早采用20世紀(jì)90年代國際通用衛(wèi)生填埋技術(shù)處理城市生活垃圾的大型現(xiàn)代化填埋場，于2001年3月被建設(shè)部批準(zhǔn)為城市生活垃圾處理示范工程。其總占地面積149hm2，整個(gè)工程規(guī)劃分三期建設(shè)：一期填埋區(qū)占地63.4hm2，庫容1493萬m3，服務(wù)年限12a，投資3.4億元；二期填埋區(qū)占地55.8hm2，庫容約1200萬m3，服務(wù)年限10a；遠(yuǎn)期計(jì)劃在一、二期填埋區(qū)上再堆高50～60m，庫容約2000萬rn3，服務(wù)年限13a。

總填埋庫容為4693萬m3，目前日均處理規(guī)模為2000t，屬I級(jí)規(guī)模填埋場。下坪固體廢棄物填埋場采用人工水平防滲技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)了場區(qū)清、濁、污分流，建有完善獨(dú)立的地下水收集系統(tǒng)、滲濾液收集系統(tǒng)、填埋場氣體收集系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)稱重系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控和電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自投產(chǎn)運(yùn)行以來，認(rèn)真執(zhí)行衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范，采用的輾壓設(shè)備，達(dá)到了衛(wèi)生填埋壓實(shí)覆蓋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2HDPE土工膜應(yīng)用

下坪固體廢棄物填埋場的垃圾堆積高度達(dá)120余m，根據(jù)計(jì)算，采用表面加糙HDPE土工膜，厚2mm(美國進(jìn)口，幅寬6.8m)，其物理力學(xué)性能見表2。垃圾容重按10kN／m3考慮。經(jīng)計(jì)算，HDPE土工膜的強(qiáng)度安全系數(shù)為50。

在單層HDPE土工膜上有保護(hù)層(土工布、粘土層)，膜下有支持層(粘土層)。在主滲濾液收集系統(tǒng)之下增加了一層土工復(fù)合膜(膨潤土厚6mm)，增加其抗?jié)B能力。

若HDPE土工膜與下層土接合良好，復(fù)合襯墊中HDPE土工膜每4000m2有一個(gè)0.1cm2小孔，復(fù)合襯墊中土層的滲透系數(shù)為1×10-7m／s，土工膜上水頭0.3m，則復(fù)合襯墊滲漏率為3.206×10-6m3／(m2?d)。

HDPE土工膜防滲結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用限平衡法，其邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.3。

3結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)外成功實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)，采取以HDPE土工膜為核心的層狀防滲結(jié)構(gòu)層，在填埋場的底部和周邊形成隔離層，防止?jié)B濾液污染地下水，減少滲濾液產(chǎn)生量，并實(shí)現(xiàn)滲濾液和地表水、地下水的分流排放，能有效達(dá)到防滲環(huán)保目的。目前土工膜已在我國城市生活垃圾填埋場中廣泛運(yùn)用，土工膜的設(shè)計(jì)(厚度、強(qiáng)度、滲漏量、邊坡穩(wěn)定等)、施工技術(shù)已逐漸被我國的工程技術(shù)人員掌握。土工膜施工保護(hù)措施是非常重要的，施工單位需有完善的施工組織設(shè)計(jì)，確保土工膜不因石、銳器、人為等因素?fù)p傷而發(fā)生滲漏現(xiàn)象。深圳市下坪固體廢棄物填埋場5年多運(yùn)行和地下水的監(jiān)測表明，城市生活垃圾填埋場采用土工膜復(fù)合結(jié)構(gòu)防滲系統(tǒng)是科學(xué)合理、安全可靠的。

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