一种垃圾填埋场的防渗层结构及施工方法
阅读说明：本技术 一种垃圾填埋场的防渗层结构及施工方法 (Anti-seepage layer structure of refuse landfill and construction method ) 是由 唐强 黄钰程 高玉峰 张宇 张军辉 廖昕 何稼 胡曼曼 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种垃圾填埋场的防渗层结构及施工方法,属于垃圾处理技术领域。本发明防渗材料包括以下原料,土样、菌液、纤维材料。所述材料制备方法包括以下步骤：将所述土样、菌液和纤维材料进行搅拌混匀,即得所述防渗衬垫材料。防渗衬垫层的施工方法包括以下步骤：整平填埋场；铺设土木网或土木织物；将原位土与防渗衬垫材料混合搅拌均匀得到混合料；将所得混合料分层压实在所述土木网或土工织物的表面,倒入垃圾进行填埋,之后构筑碎石层、导排管、砂垫层。本发明防渗层物料来源广,成果较低,材料环保性好,对周边环境生态没有任何副作用,该防渗层耐久性好,长期服役性能佳。(The invention provides an impermeable layer structure of a refuse landfill and a construction method, belonging to the technical field of refuse treatment. The anti-seepage material comprises the following raw materials of a soil sample, bacterial liquid and a fiber material. The preparation method of the material comprises the following steps: and uniformly stirring and mixing the soil sample, the bacterial liquid and the fiber material to obtain the anti-seepage gasket material. The construction method of the seepage-proofing liner layer comprises the following steps: leveling a landfill site; laying a civil net or a civil fabric; mixing and stirring the in-situ soil and the anti-seepage gasket material uniformly to obtain a mixture; and laminating the mixture on the surface of the civil net or the geotextile, pouring garbage into the civil net or the geotextile for landfill, and then constructing a crushed stone layer, a drainage pipe and a sand cushion layer. The impermeable layer has the advantages of wide material source, low achievement, good material environmental protection, no side effect on the surrounding environment ecology, good durability and good long-term service performance.)
技术领域
本发明属于垃圾处理技术领域，尤其是指一种基于生物膜、纤维、土工织物及粉土颗粒协同作用的垃圾填埋场防渗层结构及施工方法。
背景技术
垃圾填埋场内垃圾体在生化作用下，产生了具有高毒、高盐、高腐蚀性的渗滤液，这种液体有着向周边扩散的趋势，极大的威胁了周边地下水土生态环境。因此必须通过在垃圾堆体下部或周边构筑防渗层进行处理，隔断堆场内渗滤液与周边地下水土间的水力联系。
现有技术中，防渗层常规材料包括：复合膨润土衬垫GCL(Geosynthetic ClayLiner)：是一种新型的复合土工合成材料，在压实粘土衬垫的基础上发展而来。目前GCL主要分为粘合GCL(双层)、针刺GCL、缝合GCL、粘合 GCL(单层)4种。在填埋场防渗系统中，GCL一般在土工膜以下与土工膜结合使用，以取代以往的压实性粘土。
压实粘土衬垫CCL(Compacted Clay Liner)：粘土类土壤和改良类土壤作防渗底层的防渗方法是最早的污染物防渗衬垫，并广泛用于划分填埋单元和拦截废弃物，覆盖新的填埋废弃物和封闭老的填埋场，粘土设计考虑粘土的防水性能、含水率、密实度、强度、塑性、粒径与粘土层厚度等。设计压实粘土衬垫的控制条件就是它的渗透系数。
高分子防渗材料(如HDPE：High Density Polyethylene)：人工合成的有机材料(柔性模)与黏土结合作防渗衬层的防渗方法。高密度聚乙烯 (HDPE)膜，是一种抗拉性好、抗老化性能高、抗腐蚀性强、抗化学性能的高分子合成材料，它比如防渗功能比最好的压实粘土高107倍(HDPE膜渗透系数级数为10-14级，而压实粘土的渗透系数级数只为10-7级)，其使用寿命50年以上。其断裂延伸率高达600％以上，由蠕变运动所产生的变形，它能完全满足垃圾填埋运行产生的变形并且它有利于施工、填埋运行。其他的高分子人工合成材料还有聚氯乙烯(PVC)、条状低密度聚乙烯(LLDPE)、超低密度聚乙烯(VLDPE)等。
水泥基材料(一般包括水泥土止水帷幕或混凝土地下连续墙)：根据填埋场的工程、水文地质特征，利用填埋场基础下方存在的独立水文地质单元、不透水或弱透水层等，在填埋场一边或周边设置垂直的防渗工程(如防渗墙、防渗板、注浆帷幕等)，将垃圾沥出液封闭于填埋场中进行有控制地导出，防止沥出液向周围渗透污染地下水和填埋场气体无控制释放，同时也有阻止周围地下水流入填埋场的功能。水泥基材料是最常见的竖向防渗材料，像混凝土地下连续墙等形式的地下围护结构形式，因为自防水效果较好，有的都不需要再施作止水帷幕。
防渗层现有施工方法：
水平向(CCL)：传统的压实粘土衬垫施工最重要的是粘土层的压实，底土碾平压实粘土铺设砂质排水及保护层。如今更多的防渗衬垫是复合人工材料衬垫，施工工序更复杂，对技术的要求相对更高。
水平向(GCL，HDPE等高分子膜)：主要分为单层衬层防渗系统、单复合衬层防渗系统、双层衬层防渗系与双复合衬层防渗系统等。防渗材料连接为搭接形式，施工前应检查基层，基层应夯实平整、无坑洼积水，无石子树根及其他尖锐物。材料在搬运和施工过程中要尽量避免震动和冲击，避免较大弯曲度。在GCL安装、验收以后，要尽快进行回填工作，如果是配合 HDPE土工膜使用的工程应及时对土工膜铺装焊接，以防被雨淋湿或弄破。
竖向(水泥基材料，混凝土)：打入法施工防渗墙主要分为板桩墙、窄壁墙以及挤压和换层防渗墙，另外还有开挖法施工防渗墙，主要为截槽墙施工。地连墙的施工基本可以归结为成槽、泥浆护壁以及注浆成墙。地连墙施工中浆液必须有一定液限要求，防渗材料也要满足一定要求。
竖向(水泥基材料，水泥土)，水泥土止水帷幕是连续搅拌桩(水泥土搅拌桩等)或单管、三管旋喷桩形成的止水墙。常见的止水帷幕有高压旋喷桩、深层搅拌桩止水帷幕，旋喷桩止水帷幕，近来出现了螺旋钻机素砼或压浆止水帷幕。
防渗层现有常规材料缺点：
GCL(复合膨润土衬垫)，随着污染物的入渗，抗渗性能大帐衰减，渗透性提升3-4个数量级。CCL(压实粘土衬垫)，层厚较厚，一般都在0.8 米以上，而符合要求的粘土土料越来越少。HDPE或是其他高分子有机材料防渗材料，抗渗性能常温条件下很好，但对渗滤液这种高温高腐蚀性材料，性能劣化的很快。水泥基材料，一般包括水泥土止水帷幕或混凝土地下连续墙，抗渗性能常温条件下很好，但对渗滤液这种高温高腐蚀性材料，性能劣化的很快，除此之外，造成场地局部强度过高，影响后期再利用。
防渗层现有施工方法缺点：
水平向(CCL)：层厚太厚，土方量较大，因此工期较长，且对压实度要求较高。水平向(GCL，HDPE等高分子膜)：拼接缝常成为漏点，除此之外力作用下常发生穿刺，褶皱等材料拉伸变形，也会成为污染物的渗漏点。竖向(水泥基材料，混凝土)，施工机械较多，工期较长，造价较高，且护壁泥浆的处置全球至今没有什么好办法。
发明内容
为解决以上现有技术存在的技术问题。本发明提供了一种垃圾填埋场防渗层结构及施工方法。
一种垃圾填埋场的防渗衬垫材料，包括以下原料，以质量份数计：土样 50-150份、菌液0.5-5份、纤维材料0.05-5份、水15-90份。
在本发明的一个实施例中，所述土样为粉土、砂土和石中的至少一种。
在本发明的一个实施例中，所述土样为粉土(粉土粒径为 0.005mm-0.075mm)时，所述防渗衬垫材料中原料为：土样、菌液、纤维材料。粉土50-150份，纤维材料用量为0.05-2份，水15-90份，菌液用量是 0.5-5份。
在本发明的一个实施例中，所述土样为砂(砂粒径为0.075mm-2mm) 时，所述防渗衬垫材料中原料为：粉土10-20份，纤维材料用量为0.05份，菌液用量为菌液用量是0.5-5份，水15-90份，余量为砂。
在本发明的一个实施例中，所述土样为石(砂粒径为2mm以上)时，所述防渗衬垫材料中原料为：粉土20-40份，纤维材料用量为0.05-2份，菌液用量为0.5-5份，水15-90份，余量为石。
在本发明的一个实施例中，所述菌液包括大肠杆菌、链球菌、革兰氏阳性厌氧菌和芽孢杆菌中的一种或几种。还包括土样中的固有的菌种。
在本发明的一个实施例中，所述菌液中菌落的浓度为≥107CFU/mL。
本发明微生物或菌为厌氧型，菌种对渗滤液这类复杂工况有较强的耐受性，更有利于其在渗流路径中土颗粒表面的附着和成膜。
在本发明的一个实施例中，所述纤维材料为碳纤维材料和/或有机纤维材料。
在本发明的一个实施例中，所述有机纤维材料包括聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、高强高模聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维和聚丙烯腈纤维中的一种或几种。
所述的垃圾填埋场的防渗衬垫材料的制备方法，包括以下步骤：将所述粉土、菌液和纤维材料进行搅拌混匀，即得所述防渗衬垫材料。
一种垃圾填埋场的防渗衬垫层，所述防渗衬垫层包括垃圾填埋场防渗衬垫材料，以及设置在所述防渗衬垫材料一侧的土木网或土工织物，所述土木网或土工织物由高分子材料多孔保护框架组成。
在本发明的一个实施例中，所述高分子材料包括硬质塑料、天然橡胶或合成橡胶。
在本发明的一个实施例中，所述防渗衬垫层的渗透系数为10-7-10-5cm/s。
在本发明的一个实施例中，防渗衬垫层的液限含水率为30-60％。
所述的防渗衬垫层的施工方法，包括以下步骤：
步骤(1)：整平填埋场；
步骤(2)：铺设土木网或土木织物；
步骤(3)：将原位土与防渗衬垫材料混合搅拌均匀得到混合料；
步骤(4)：将步骤(3)中所得混合料分层压实在步骤(2)中所述土木网或土工织物的表面，倒入垃圾进行填埋，之后构筑碎石层、导排管、砂垫层。
在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，当垃圾填埋场为竖向防污屏障时，将粘结在高分子材料多孔保护框架的土木网或土木织物插入渗滤液扩散下游方向；当垃圾填埋场为衬垫时，将粘结在高分子材料多孔保护框架的土木网或土木织物平铺在填埋场底部。
本发明原理：砂、砾石等原地层中的巨粒材料堆积体中有非常大的空隙，渗流流速较快，难以起到阻断渗流的作用，粉土等中粒径材料及纤维材料掺入巨粒材料，可填充较大孔隙，堵塞一部分渗流通道，将材料渗透系数从初始的10-2-10-3cm/s降低到10-5-10-6cm/s，渗流系数的降低进而增加渗流通道的曲折度，减小了流速。同时纤维材料的掺入可大幅提升材料抗拉伸变形能力。渗透系数降低到10-5-10-6cm/s后，微生物或菌类有能力逐渐附着在“巨粒-粉粒-纤维”这一复合防渗材料体系表面，如图12所示，进而形成生物膜，进一步堵塞渗流路径，如图13所示，最终将渗透系数降低到10-7cm/s这一防渗屏障要求以下。
通过使用本发明的防渗层可以使得渗漏点进行自我修复：微生物的生长需要营养及盐分，天然背景土中有一定量的营养物质，但浓度不高，可将微生物菌落或细菌数量控制在一个较低的数量级，但当有渗滤液外泄，漏点处的微生物或细菌从渗滤液中提取了所需氧分，可迅速繁殖，在漏点处形成生物膜，完成对漏点的修复。土工网或土工织物布设在渗滤液运移方向的下游位置，该设计可有效的隔断微生物或细菌的扩散，将其截留在该网状结构上。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的防渗层物具有以下优点：1，本防渗层物料来源广，成果较低；2，材料环保性好，对周边环境生态没有任何副作用；3，该防渗层耐久性好，长期服役性能佳；4，防渗层有自修复效果，哪里出现漏，可自动智别并自我修复；5，可根据污染源有针对的对防渗层结构进行调整，最优化防渗效果；6，节省工期，施工速度较快，且施工过程无三废产生；7，防渗层无强度，不影响地块后期规划及再利用。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明竖向防渗防污隔离场；
图2是水平向防渗防污层；
图3是填埋场复合膨润土衬垫(GCL)示意图；
图4是填埋场压实粘土衬垫(CCL)示意图；
图5是高分子有机材料防渗材料；
图6是水泥基竖向防渗材料；
图7是HDPE高分子膜衬垫防渗填筑示意图；
图8是混凝土地连墙施工示意图；
图9是水泥土搅拌桩施工；
图10是本发明防污防渗结构图；
图11是本发明生物膜阻渗示意图；
图12是本发明生物膜的形成；
图13是本发明生物膜阻渗示意图；
图14是本发明实施例1所述竖向隔离施工示意图；
图15是本发明实施例2所述水平向防渗层施工示意图；
图16是本发明验证实验流程；
图17是本发明纤维掺量对力学特性影响；
图18是本发明纤维材料和微生物对防渗衬垫的渗透系数影响情况图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1竖向隔离防渗衬垫的施工方法(旧垃圾场修补填埋)
防渗材料的制备以及防渗衬垫的施工方法：
步骤1：细菌接种-菌液配置，在无菌条件下，将大肠杆菌原液接种至含有液体LB培养基(胰蛋白胨(Tryptone)10g/L、酵母提取物(Yeast extract) 5g/L、氯化钠(NaCl)10g/L)中，pH＝7.4)的试管中，接种后在37℃恒温恒压的细胞培养箱中孵育24h，孵育培养；将所得种子培养液用移液枪接种到含有LB培养基的锥形瓶中，接种后在37℃恒温恒压无菌条件下，200rpm 摇床中培养12h；孵育结束，测试细胞浓度，并稀释至浓度为107CFU/mL。
步骤2：取步骤1中所得菌液30kg与纤维材料2kg、粉土100kg、水90kg 搅拌均匀；其中，纤维材料为聚丙烯纤维；
步骤3：将步骤2所得混合材料与原土利用三轴搅拌桩将混合料混合拌均匀，并在土体结构性强度未形成前，在渗滤液扩散下游方向的钢板桩插入高分子材料多孔保护框架的土木网，并将混合料涂覆在土木网表层；并适当加入粉细砂，保持渗透系数达到10-5-10- 6cm/s。
步骤4：步骤3中的微生物的加入，在所得混合土样中滋生之后，微生物繁殖，并逐渐附着在步骤3的混合料的表面，最终生成菌落，使得防渗层渗透系数达到10-7cm-s以下，最终得到所述防渗衬垫。
实施例2水平向衬垫的施工方法(新垃圾场填埋)
防渗材料的制备以及防渗衬垫的施工方法：
步骤1：细菌接种-菌液配置，在无菌条件下，将枯草芽孢杆菌和大肠杆菌原液分别接种至含有液体LB培养基(胰蛋白胨(Tryptone)10g/L、酵母提取物(Yeast extract)5g/L、氯化钠(NaCl)10g/L)中，pH＝7.4)的试管中，接种后在37℃恒温恒压的细胞培养箱中孵育24h，孵育培养；将所得种子培养液用移液枪分别接种到含有LB培养基的锥形瓶中，接种后在37℃恒温恒压无菌条件下，200rpm摇床中培养12h；孵育结束，测试菌种浓度，并稀释，之后将两种菌种混合均匀保持混合后菌液浓度为为107CFU/mL。
步骤2：取步骤1中所得菌液60kg与纤维材料0.05kg、粉土150kg、水 50kg搅拌均匀；其中，纤维材料由聚酰胺纤维和聚丙烯腈纤维质量比1；1 混合所得；
步骤3：在整平后的新建填埋场底部首先铺设土工织物，后利用三轴搅拌桩将步骤2所得的混合拌料与原位土混合，并将其覆盖在土工织物上侧，分层压实，期间保持含水率为20％左右，后构筑上部碎石层、导排管、砂垫层等，并填筑垃圾。
测试例
1，纤维用量对防渗衬垫力学特性的影响
按照实施例2中的操作步骤，制备四种水平向防渗衬垫，其区别在于纤维量相对于粉土用量的不同，分别为0％(对照组)与0.1％、0.2％和0.3％(实验组)，并以下述方法对轴向应变力进行测试：
(1)试块养护合格后尽快脱模并进行试验，洁净试块、对其进行尺寸测量与外观检查；
(2)把试块放置在试验机的下压板上，放置时注意应将试块成型时的侧面作为承压面，同时试块的中心位置要与下压板的中心对齐；
(3)打开试验机电源并启动，当上压板与试块即将碰触时，仔细观察显示器上压力示数，使试块与上压板刚好接触，加载应均匀而连续，加载速度设置为0.15mm/min；
(4)仔细观察显示器上试件压力曲线，当曲线放缓并开始下降时，应及时停止试验机，以免压力过大导致试块碎裂飞溅，记录破坏荷载N，并导出详细数据。实验结果见图17，由图中可知，随着纤维量的加入，防渗材料的轴向应力有变大的趋势，当纤维量达到0.2％时，其力学及抗变形特性达到最优，达到了最大轴向应力情况。
2，防渗衬垫层的渗透性的影响实验
按照实施例2中的操作步骤，制备四种水平向防渗衬垫，其区别在于微生物相对于粉土用量的不同，分别为0％与1％、3％和5％(对照组)，同时设置粉土+1％微生物+0.2％纤维、粉土+3％微生物+0.2％纤维、粉土+5％微生物+0.2％纤维(实验组)。
将上述对照组和实验组所得试块养护合格后脱模并进行渗透系数检测，实验结果见图18-b和图18-c。
通过以上实验可知，在不加纤维材料的情况下，仅通过调节粉土含量及植入微生物，可将渗透系数调低3个数量级，但仍达不到10-7cm/s这一渗透系数。在材料中加入一定量的纤维材料后，如图17所示，当纤维掺量为 0.2％时，其力学及抗变形特性达到最优。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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