垂直防渗帷幕在滨海地区卫生填埋场中的应用

▍摘 要

摘要:垂直防渗帷幕作为水平防渗的补充常应用于卫生填埋场防渗体系。目前应用较广的卫生填埋场垂直防渗帷幕技术主要有三轴搅拌桩、高压旋喷桩、垂直铺塑等,然而受限于施工工艺,这些技术仅在较浅深度范围(30 m以内)的非坚硬地质条件下应用效果较好。滨海地区具有不透水层埋深较深,且地层中常含有坚硬的砂卵石层等地质特点,上述技术难以满足此类情况下的卫生填埋场垂直防渗帷幕的建设要求。TRD及CSM工法可有效切削坚硬地层,且最大成槽深度超过50m,在滨海地区卫生填埋场垂直防渗帷幕中有较大应用前景。

关键词:垂直防渗帷幕;卫生填埋场;TRD工法;CSM工法

▍0 引 言

垂直与水平防渗帷幕共同构成了卫生填埋场的防渗衬垫系统。通过在填埋场周围设置垂直防渗帷幕,并将帷幕底部嵌入填埋场下方存在的天然相对不透水层一定深度,可使库区形成一个相对独立的水文地质单元。通过这种方式可以防止渗滤液向库外渗漏污染地下水,同时也阻止周围地下水向库区内部渗透顶托防渗衬垫,其与水平防渗相辅相成、互为补充,形成一个复合、立体的防护系统。

▍1 垂直防渗帷幕工艺

目前应用较广的卫生填埋场垂直防渗帷幕工艺主要有:三轴搅拌桩、高压旋喷桩、垂直铺塑等。

1)三轴搅拌桩。三轴搅拌桩工艺通过搅拌桩机钻杆底部的搅拌叶片对地层旋转搅拌的同时喷射浆液和压缩空气,以形成表面平整、厚度均匀的防渗帷幕。三轴搅拌桩施工效率高且造价相对低廉,缺点是能够实施的深度有限,一般不超过30 m。防渗帷幕渗透系数一般在10-7 cm/s量级。该工艺一般适用于正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土、泥炭土等,不适用于硬塑及坚硬的黏性土、密实的砂土类。

2)高压旋喷桩。

高压旋喷桩是采用钻机钻孔,在孔中喷入高压水和高压气体切割破坏土体,然后用灌浆泵喷入高压水泥浆液与土体充分混合形成防渗帷幕的施工工艺。该工艺施工管理较为简单,但其钻杆提升速度较慢,施工工效相对较低,一般需投入大量机械设备。造价相对较高,且耗浆量及返浆量较大,防渗帷幕渗透系数一般在10-6 cm/s量级。施工质量较难控制,注浆效果受地质条件影响较大,空隙较大的松散地层,浆液较易渗透,空隙较小的密实地层,浆液则不易渗透。

3)垂直铺塑。

垂直铺塑工艺利用开槽机械底部锯齿状刮片往复运动和锯管喷嘴喷射出的高压水流共同切割土体并造浆,利用反循环泵排渣,开出一定深度和宽度的土槽,然后在槽内铺设土工膜,形成防渗帷幕。该工艺最大开槽深度约16 m,且可边开槽边铺塑,一次铺设长度可达到50 m。此工艺防渗效果好,施工效果可靠,渗透系数一般在10-8 cm/s量级。垂直铺塑工艺地层适用情况较好,黏土、细砂、中粗砂及粒径不大于开槽宽度的砾石地层均适用,但该工艺无法与基岩有效衔接且造价相对较高。

垂直防渗帷幕工艺的主要技术性能指标对比见表1。

上述垂直防渗帷幕工艺适用条件各不相同,但整体呈现帷幕深度浅、适应地层软等特点。滨海地区不透水层埋深较深,垂直防渗帷幕通常需超过30 m才能起到明显作用,此外地层中常含有坚硬的砂卵石层,上述技术难以满足此类情况下的卫生填埋场垂直防渗要求。

TRD及CSM工法是近年来在国内推广应用的超深等厚地下水泥土墙施工工艺,已在城市市政工程中地下连续墙的建设中有较多应用。2种工法均可有效切削坚硬地层,具有适应土层范围广、成槽深度深等特点,在滨海地区卫生填埋场垂直防渗帷幕中有较大应用前景。

1)TRD工法
。

TRD工法(trench-cutting&re-mixing deep wall method),也称渠式切割深层搅拌水泥土地下连续墙工法,其成墙原理是将链锯式刀具插入地层中,通过刀具的切割沿水平方向掘削前进,在土体中形成连续的沟槽,同时将固化的灰浆从刀具端部喷出,将灰浆与土体在原地搅拌混合,形成水泥土地下连续墙。此工法具有耗浆量少,墙体完全连续的特点,因此防渗效果好,防渗帷幕渗透系数一般在10-7~10-8 cm/s量级。TRD设备整机高度不超过13 m,具有重心低、稳定性好等优势,适用于有高度限制的场所,但该工艺限制了机械运转路线,仅能直线成墙不能转弯,因此不规则形状的基坑适用性差。该工艺适应土层范围广,对硬质地层(硬土、砂卵砾石、软岩石等)具有良好的挖掘性能。

2)CSM工法。

CSM工法(cutter soil mixing wall method),也称双轮铣深层搅拌水泥土地下连续墙工法,通过2组铣轮旋转深入地层削掘与破坏土体,同时注入固化浆液材料,从而改良土体达到防渗的目的。CSM工法防渗帷幕设备体积较庞大,对地基承载力要求较高。此工艺土体搅拌充分,防渗效果较好,防渗帷幕渗透系数一般在10-7 cm/s量级。CSM工法可以连续作业施工,施工效率高。该工法对地层的适应性好,可以切削坚硬地层(砂卵砾石、泥岩或砂岩等岩层)。

TRD及CSM工法的主要技术性能指标对比见表2。

▍3 工程概况

某卫生填埋场占地面积172亩,库容约170万方,设计填埋年限为22年。拟建场地位于苏北滨海平原区,属滨海平原地貌单元,场地地势较平整,现状地面标高为3.50~4.50 m,平均地下水位标高2.50 m,经清库处理后填埋场平均库底标高-2.00 m,库区地下水势必对库周及库底防渗衬垫产生较大的顶托作用,如不采取措施,极易造成防渗衬垫破坏,导致渗滤液污染地下水。因此有必要在库区周围设置垂直防渗帷幕对库区地下水进行导排及阻断。

根据钻孔揭示,场地勘察深度(50.0 m)以内土层以软塑粉质黏土、稍密~中密粉土、中密~密实粉砂为主,大致可分为11个工程地质层。根据地勘报告长期保持许可时,防渗帷幕底高程需进入层(9)粉质黏土不少于2 m。根据钻孔资料,层(9)粉质黏土层顶标高为-27.2~-29.5 m,考虑防渗帷幕底高程进入层(9)粉质黏土2 m,即垂直防渗底标高须达到-31.5 m,结合环库道路施工,防渗顶标高为3.50 m,则垂直防渗帷幕深度为35m。

▍4 工艺比选

根据工程概况,垂直防渗帷幕深度需达到35 m,且地层中存在密实砂土层,因此三轴搅拌桩、垂直铺塑等工艺在施工深度及适应地层上不满足要求。根据CJJ 176—2012《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》,用于垃圾填埋场的垂直防渗帷幕渗透系数宜在10-7 cm/s量级,高压旋喷桩在防渗帷幕渗透系数上不满足要求。TRD及CSM工法从适应土层、帷幕深度及帷幕渗透系数等角度均适合作为本填埋场的垂直防渗帷幕方案。从施工质量和设备高度等角度看,TRD工法占优;从施工工效、施工灵活性及施工造价等角度看,CSM工法占优势。由于拟建场地现状为荒地,不存在限高因素,且CSM工法10-7 cm/s量级的渗透系数已可满足CJJ 176—2012要求,综合比较选择CSM工法作为本工程垂直帷幕方案。

▍5 结 语

垂直防渗帷幕工艺选择应依据填埋场实际情况,综合考虑场地工程地质、隔水层深度、帷幕渗透系数、工程造价及环境影响等因素后确定。TRD和CSM工法是较先进的垂直防渗帷幕施工工艺,均具有较高的地层适应性,能够有效切削坚硬地层,且具有成墙深度大、施工质量好等特点,可适应滨海地区独特的地质条件,具有较为广阔的市场应用前景。

来源：《中国环境科学学会2022年科学技术年会——环境工程技术创新与应用分会场论文集（二）》

作者：王旭旭