全天候防滲閉氣的垃圾填埋土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)、制法和用途
【專利摘要】本發(fā)明提供一種全天候防滲閉氣的垃圾填埋土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)、制法和用途。本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)鋪設(shè)于所要填埋的垃圾或者垃圾上覆氣體收集層之上；其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)包括粘土層和毛細(xì)阻滯覆蓋層，并且該粘土層位于該毛細(xì)阻滯覆蓋層的下方，其中該毛細(xì)阻滯覆蓋層由下往上依次包括礫砂層和粉土層。該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在土體比較干燥的情況下可通過該粉土層和該礫砂層的毛細(xì)阻滯作用防止液體入滲。在土體比較濕潤與飽和的情況下，則可通過增設(shè)的該粘土層來防止液體入滲。在全天候（任何干濕氣候）條件下均能夠通過該粘土層有效防止填埋氣體逸出。本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)所用材料均為天然土料，具有取材方便，施工簡單，耐久性好，成本低等特點(diǎn)。
【專利說明】全天候防滲閉氣的垃圾填埋土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)、制法和用途
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及垃圾填埋場封場覆蓋系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種用于垃圾填埋處理的全天候防滲閉氣的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)、制備方法和用途。
【背景技術(shù)】
[0002]填埋是當(dāng)前和今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)處置城市垃圾的主要方式。垃圾在堆積降解過程中產(chǎn)生大量的滲濾液和填埋氣(主要成分為甲烷和二氧化碳)。填埋氣擴(kuò)散污染城市空氣，加劇溫室效應(yīng)，且可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸。雨水、雪水等液體入滲則會(huì)加劇滲濾液污染地下水。因此，垃圾填埋場封場覆蓋系統(tǒng)的主要功能是防止液體入滲和填埋氣逸出，即防滲閉氣。
[0003]垃圾填埋場一般是利用山坳、平原堆砌等進(jìn)行填埋，主要有平原型和山谷型等形式。因此，垃圾填埋場封場覆蓋系統(tǒng)主要有水平式和斜坡式兩種形式。傳統(tǒng)的覆蓋系統(tǒng)包括單一壓實(shí)粘土覆蓋層以及由壓實(shí)粘土層與土工膜組成的土工復(fù)合材料覆蓋系統(tǒng)等，均利用材料的低滲透性來達(dá)到防滲閉氣的目的。然而，在這些傳統(tǒng)覆蓋系統(tǒng)中，粘土層為表面土層。暴露在空氣中的粘土層在天氣干燥的情況下，極易開裂，導(dǎo)致滲透性變大，從而不能阻擋液體入滲和填埋氣逸出(參見文獻(xiàn):“Albrecht，B.&Benson, C.(2001).Effect of Desiccation on Compacted Natural Clays.Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering, ASCEj 127 (I)，67 - 75.” ;“Albright，W.，Benson, C.，Gee，G.，Abichouj T.，McDonald, E.，Tyler, S.&Rock，S.(2006).Field Performance of aCompacted Clay Landfill Final Cover at a Humid Site.Journal of Geotechnicaland Geoenvironmental Engineering, ASCEj 132(11)，1393 - 1403.，，)。而土工膜則存在沿界面易滑動(dòng)失穩(wěn)及耐久性不佳等問題(參見文獻(xiàn):“Stark，T.D.，Arellano, D.，Evans, W.D., Wilson, V.L., and Gondaj J.M.(1998).Unreinforced geosynthetic clay liner casehistory.Geosynthetics International，5 (5)，521-544.”)。因此，這些傳統(tǒng)覆蓋系統(tǒng)的長期性能均不盡如人意。
[0004]近年來，基于水分儲(chǔ)存一釋放原理的騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，逐漸受到重視與發(fā)展。騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)早期主要為種植有植被的單一細(xì)粒土層，在降雨條件下儲(chǔ)存水分，在干燥條件下通過地面蒸發(fā)和植物蒸騰作用釋放水分。然而，這種單一土層型騰發(fā)式覆蓋系統(tǒng)只適用于降雨很少的干旱地區(qū)，且所需的土層厚度較厚，厚達(dá)2m (參見文獻(xiàn):iiBensonj C.H.&Khire, Μ.V.(1995).Earthen covers for sem1-arid and arid climates.Geotechnical Special Publication, N0.53，201-217.”)。因此，毛細(xì)阻滯型騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)得到發(fā)展(參見文獻(xiàn):“Khire，Μ.V.，Benson, C.H.&Bosscher，P.J.(2000).Capillary barriers:design variables and water balance.Journal of Geotechnicaland Geoenvironmental Engineering, ASCEj 126(8):695 - 708.”AubertinjM.，Cifuentes，E.，Apithyj S.A.，Bussierej B.，Molsonj J.&Chapuis，R.P.(2009).Analyses ofwater diversion along inclined covers with capillary barrier effects.CanadianGeotechnical Journal, 46 (10), 1146-1164.” ;“Rahardjo, Η., Santoso, V.A., Leong, E.C., Ng, Y.S.&Hua, C.J.(2012).Performance of an instrumented slope covered by acapillary barrier system.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 138(4),481-490.”)。毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)由非飽和狀態(tài)下的一層細(xì)粒土下臥一層粗粒土組成，利用粗細(xì)粒土層界面處的毛細(xì)阻滯作用來增大上部細(xì)粒土層的儲(chǔ)水能力，提高側(cè)向排水能力，減少雨水入滲。所述的非飽和狀態(tài)，指的是土體孔隙中既有水又有氣，且土體內(nèi)水和氣分別各自連通的狀態(tài)。研究結(jié)果表明，毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)在干旱和半干旱氣候區(qū)能達(dá)到有效的防滲功能，但是在濕潤氣候區(qū)防滲效果不佳(參見文獻(xiàn):“Benson, C.H.&Khire, Μ.V.(1995).Earthen covers for sem1-arid and arid climates.Geotechnical Special Publication, N0.53, 201-217.”；“Benson,C.H., Albright, ff.H., Roesler, A.C.Mbichou, T.(2002).Evaluation of final cover performance: fielddata from the Alternative Cover Assessment Program (ACAP).Proc.WasteManagement, Vol.2, 1-15.，，)。
[0005]之后，有學(xué)者提出在毛細(xì)阻滯覆蓋層的粗細(xì)粒土層中間增設(shè)非飽和導(dǎo)排層的方法，來進(jìn)一步提高其側(cè)向排水能力(參見文獻(xiàn):“Stormonont, J.C.Morris, C.E.(1997).Unsaturated drainage layers for diversion of infiltrating water.Journal ofIrrigation and Drainage Engineering, ASCE, 123(5)，364-367.” ；“鄧林恒，詹良通，陳云敏，賈官偉(2012).含非飽和導(dǎo)排層的毛細(xì)阻滯型覆蓋層性能模型試驗(yàn)研究.巖土工程學(xué)報(bào)，第34卷，第I期，75-80.”)。中國專利申請(qǐng)公開CN102493496A (申請(qǐng)?zhí)枮镹0.201110441895.9，發(fā)明名稱為“一種具有側(cè)向排水能力的毛細(xì)阻滯型覆蓋層結(jié)構(gòu)”)中就是利用在粉土層和碎石層中間增設(shè)非飽和砂層的方法來提高其側(cè)向排水能力。然而，這種覆蓋系統(tǒng)仍然只適用于土體處于非飽和狀態(tài)的情況。當(dāng)長時(shí)間強(qiáng)降雨條件下土體內(nèi)含水量接近飽和或者達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，該覆蓋系統(tǒng)就會(huì)失去防滲的功效。此外，該覆蓋系統(tǒng)為斜坡式，如采用水平式，則其防滲效果存在疑問。該覆蓋系統(tǒng)在表層設(shè)置了植被層用于美觀，在砂層和碎石層中間設(shè)置了土工布層防止砂嵌入碎石，但對(duì)于垃圾填埋場防滲沒有實(shí)際作用。
[0006]另外，非常重要的一點(diǎn)是，上述傳統(tǒng)和改進(jìn)后的毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)都不能有效防止填埋氣逸出，即沒有閉氣功能。
[0007]至今為止，沒有一種覆蓋系統(tǒng)可以在任何氣候條件下達(dá)到長期防滲閉氣的功能，尤其是不能有效防止填埋氣逸出以及在土體接近飽和或達(dá)到飽和狀態(tài)下不能有效防止液體入滲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種新型全天候多功能的垃圾填埋場封場土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，適用于任何氣候條件，既能有效防止液體入滲，又能有效防止填埋氣逸出，且具有良好的耐久性。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于垃圾填埋處理的全天候防滲閉氣的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)、制備方法和用途。
[0010]具體而言，本發(fā)明提供:[0011](I) 一種用于垃圾填埋的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其鋪設(shè)于所要填埋的垃圾之上，或者在該垃圾上覆蓋有氣體收集層的情況下，則鋪設(shè)于該氣體收集層之上；其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)包括粘土層和毛細(xì)阻滯覆蓋層，并且所述粘土層位于所述毛細(xì)阻滯覆蓋層的下方，并且位于所要填埋的垃圾的上方；其中，所述毛細(xì)阻滯覆蓋層包括礫砂層和粉土層，并且所述粉土層位于所述礫砂層的上方。
[0012](2)根據(jù)(I)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述粘土層是經(jīng)過壓實(shí)處理的，其中所述壓實(shí)處理包括在最優(yōu)含水量進(jìn)行壓實(shí)。
[0013](3)根據(jù)(I)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述粘土層的厚度為0.3-0.Sm，所述粘土層的土體粒徑小于0.075mm,并且所述粘土層的飽和水滲透系數(shù)不高于I X 10_9m/
So
[0014](4)根據(jù)(I)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述礫砂層的厚度為0.2-0.3m,所述礫砂層的土體粒徑為0.5-5mm,并且所述礫砂層的飽和水滲透系數(shù)不低于I X 10_4m/s。
[0015](5 )根據(jù)(I)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述粉土層的厚度為0.3-0.6m,所述粉土層的土體粒徑不大于2mm，并且所述粉土層的飽和水滲透系數(shù)為lX10_8-lX10_5m/
So
[0016](6)根據(jù)(I)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)為水平式或斜坡式，斜坡式的坡度為:垂直向與水平向比不大于1:3。
[0017](7)根據(jù)(I)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)沿水平向每隔20-40m設(shè)置有一道排水溝。
[0018](8)—種根據(jù)(I)- (7)中任意一項(xiàng)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的制備方法，該方法包括:
[0019]I)提供具有平整表面的水平式或斜坡式的垃圾填埋體；
[0020]2)可選地，在所述垃圾填埋體的表面上鋪設(shè)氣體收集層(例如，一層由碎石組成的氣體收集層);
[0021]3)在所述氣體收集層(如果有該層的情況下)或垃圾填埋體(如果沒有氣體收集層的情況下)的表面上鋪設(shè)粘土層，在最優(yōu)含水量壓實(shí)并進(jìn)行平整處理；
[0022]4)在所述粘土層的表面上鋪設(shè)礫砂層，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理；以及
[0023]5)在所述礫砂層的表面上鋪設(shè)粉土層，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理，從而得到所述土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)。
[0024](9)根據(jù)(I) - (7)中任意一項(xiàng)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在全天候(任何干濕氣候)條件下用于防止液體滲入垃圾填埋體的用途。
[0025](10)根據(jù)(I)- (7)中任意一項(xiàng)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在全天候條件下用于防止氣體從垃圾填埋體中逸出的用途。
[0026]本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0027]( I)在任何干濕氣候條件下，特別是土體接近飽和或者達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，可有效防止液體(特別是雨水)滲入垃圾填埋體；
[0028](2)在任何氣候條件下，可有效防止填埋氣逸出；
[0029](3)本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)組成材料均為天然土料，來源豐富，取材方便，造價(jià)低；
[0030](4)本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)施工簡單，耐久性好，后期維護(hù)成本低；[0031](5)本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)可用于水平式和斜坡式的垃圾填埋體，特別是，即使垃圾填埋體為水平式，本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)也能有效達(dá)到全天候防滲閉氣的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及防滲閉氣原理示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中各土層水滲透系數(shù)與吸力的關(guān)系函數(shù)示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中各土層氣流量與氣壓的關(guān)系函數(shù)示意圖；
[0035]圖4為作為比較的毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)一個(gè)具體例子的數(shù)值模擬結(jié)果圖；
[0036]圖5為本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的一個(gè)具體例子的數(shù)值模擬結(jié)果圖；
[0037]圖6為本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的防滲性能的一個(gè)具體例子的土柱模型試驗(yàn)結(jié)果圖；
[0038]圖7為本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的閉氣性能的一個(gè)具體例子的土柱模型試驗(yàn)結(jié)果圖；
[0039]在各圖中的附圖標(biāo)記分別表示:1為粉土層，2為礫砂層，3為粘土層，4為可選的氣體收集層，5為垃圾填埋體，6為填埋氣，7為水流，8為土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，9為土工布，10為排水溝，S1為粉土層與礫砂層水滲透系數(shù)函數(shù)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力值，S2為礫砂層與粘土層水滲透系數(shù)函數(shù)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力值，A為粘土層的進(jìn)氣值。
【具體實(shí)施方式】
[0040]以下通過【具體實(shí)施方式】的描述并參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但這并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的基本思想，可以做出各種修改或改進(jìn)，但是只要不脫離本發(fā)明的基本思想，均在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0041]現(xiàn)有的毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)均不能在任何氣候條件下達(dá)到長期防滲閉氣的功能，尤其是不能有效防止填埋氣逸出以及在土體接近飽和或達(dá)到飽和狀態(tài)下不能有效防止液體入滲。而本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，只要在由粉土層和礫砂層組成的毛細(xì)阻滯覆蓋層下方增設(shè)一層粘土層，特別是壓實(shí)粘土層，就能夠在任何氣候條件下，特別是土體接近飽和或者達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，有效防止液體(特別是雨水)滲入垃圾填埋體，以及有效防止填埋氣逸出。
[0042]而假若將粘土層設(shè)置在覆蓋系統(tǒng)的表層，則不可能達(dá)到在任何氣候條件下長期防滲閉氣的效果。這是因?yàn)椋谔鞖飧稍锏那闆r下，暴露在空氣中的粘土層極易開裂，導(dǎo)致滲透性變大，從而不能再阻擋液體滲入或氣體逸出。本發(fā)明中，粘土層設(shè)置在覆蓋系統(tǒng)的底層，即粉土層和礫砂層的下方，且飽和度較高，故不存在干燥開裂的問題。
[0043]在本文中，“全天候”指任何氣候條件，包括任何干濕氣候，更具體而言，包括:濕潤、半濕潤、半干旱、干旱的氣候條件。
[0044]在本文中，“土體”指本發(fā)明覆蓋系統(tǒng)中的粘土層、礫砂層、粉土層或它們的總稱。
[0045]本文中所述的“粉土”、“礫砂”和“粘土”的定義和劃分在本領(lǐng)域是已知的，具體可參見中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T50145-2007”和“建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2002”，其中主要根據(jù)粒徑分布范圍來確定。
[0046]在本文中，“液體”指包括雨水、雪水等各種形式的液體。
[0047]具體而言，本發(fā)明提供了一種用于垃圾填埋處理的全天候防滲閉氣的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其包括粘土層、礫砂層和粉土層；其特征在于，所述粘土層、礫砂層和粉土層由下往上依次鋪設(shè)于所要填埋的垃圾之上，或者在該垃圾上覆蓋有氣體收集層的情況下，則鋪設(shè)于該氣體收集層之上，即在所述礫砂層和所述粉土層組成的毛細(xì)阻滯覆蓋層下方增設(shè)一層所述粘土層。
[0048]優(yōu)選地，所述粘土層是經(jīng)過壓實(shí)處理的，其中所述壓實(shí)處理包括在最優(yōu)含水量進(jìn)行壓實(shí)。
[0049]本文中所述的“最優(yōu)含水量”的定義在本領(lǐng)域是已知的，其是指根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)在一定擊實(shí)條件下土體達(dá)到最大密實(shí)度時(shí)對(duì)應(yīng)的含水量(具體可參見中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999”)。
[0050]圖1示意性地示出了本發(fā)明的一種土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)8，其主要由粘土層3、礫砂層2和粉土層I由下往上依次鋪設(shè)組成，即在粉土層I和礫砂層2組成的毛細(xì)阻滯覆蓋層下方增設(shè)一層粘土層3。
[0051]還優(yōu)選地，所述粘土層3的厚度為0.3-0.Sm,并且所述粘土層的土體粒徑小于0.075mm，并且所述粘土層的飽和水滲透系數(shù)不高于lX10_9m/s ;所述礫砂層的厚度為
0.2-0.3m，所述礫砂層的土體粒徑為0.5-5mm,并且所述礫砂層的飽和水滲透系數(shù)不低于IXlO-Vs ;所述粉土層的厚度為0.3-0.6m，所述粉土層的土體粒徑不大于2mm，并且所述粉土層的飽和水滲透系數(shù)為lX10_8-lX10_5m/s。土層厚度范圍可通過參數(shù)分析獲得，例如，可采用本領(lǐng)域已知的數(shù)值模擬軟件(例如，GeoStudio2007軟件，可得自位于加拿大的GE0-SL0PE公司)進(jìn)行?？刹捎貌煌翆雍穸群筒煌疂B透系數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析，從而能夠得到從飽和到干的任何氣候條件都能達(dá)到最佳防滲閉氣效果的土層厚度范圍。
[0052]還優(yōu)選地，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)可為水平式或斜坡式，斜坡式的坡度為:垂直向與水平向比不大于1:3。
[0053]還優(yōu)選地，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)是鋪設(shè)在水平的或坡體形狀的垃圾填埋體上的，坡體的坡度為:垂直向與水平向比不大于1:3。
[0054]本發(fā)明中對(duì)土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的區(qū)域大小沒有特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)實(shí)際需要(如垃圾填埋體的實(shí)際大小)進(jìn)行選擇，并且可根據(jù)需要對(duì)該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)沿水平向每隔20-40m設(shè)置一道排水溝。當(dāng)氣候長期非常干旱時(shí)，可采用回灌的方法在坡體上部將水灌入礫砂層從而濕潤粘土層。排水溝的設(shè)置與回灌方法可采用本領(lǐng)域的常規(guī)手段或方法進(jìn)行。
[0055]此外，對(duì)于本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，當(dāng)相鄰兩層土體顆粒的粒徑差異較大時(shí)，可以任選地鋪設(shè)可透氣透水的土工布層9，以防止不同土層之間的顆?；セ?。例如，當(dāng)粉土層和礫砂層的顆粒平均粒徑差大于5倍時(shí)，可在粉土層和礫砂層之間鋪設(shè)土工布層，防止粉土顆粒嵌入礫砂層。類似地，當(dāng)?shù)[砂層和粘土層的顆粒平均粒徑差大于5倍時(shí)，可在礫砂層和粘土層之間鋪設(shè)土工布層。
[0056]此外，在將本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)應(yīng)用于垃圾填埋體時(shí)，可以任選地在垃圾填埋體上鋪設(shè)氣體收集層。氣體收集層是現(xiàn)有技術(shù)已知的，其用于使垃圾填埋體產(chǎn)生的氣體遷移擴(kuò)散，從而有利于提高氣體收集效率，因此，氣體收集層也可被稱為氣體擴(kuò)散層。氣體收集層可以由碎石組成，但不限于此。
[0057]本發(fā)明還提供了所述土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的制備方法，該方法包括:[0058]I)提供具有平整表面的水平式或斜坡式的垃圾填埋體；
[0059]2)可選地，在所述垃圾填埋體的表面上鋪設(shè)氣體收集層(例如，一層由碎石組成的氣體收集層);
[0060]3)在所述氣體收集層(如果有該層的情況下)或垃圾填埋體(如果沒有氣體收集層的情況下)的表面上鋪設(shè)粘土層，在最優(yōu)含水量壓實(shí)并進(jìn)行平整處理；
[0061]4)在所述粘土層的表面上鋪設(shè)礫砂層，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理；以及
[0062]5)在所述礫砂層的表面上鋪設(shè)粉土層，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理，從而得到所述土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)。
[0063]優(yōu)選地，本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)可以按照以下步驟使用(參見圖1):
[0064]I)平整垃圾填埋體5的表面；
[0065]2)可選地，在垃圾填埋體5的表面上鋪設(shè)氣體收集層4 (例如，一層由碎石組成的氣體收集層);
[0066]3)在氣體收集層4的表面上鋪設(shè)粘土層3 (如果沒有氣體收集層4，則在垃圾填埋體5的表面上鋪設(shè)粘土層3)，在最優(yōu)含水量壓實(shí)后進(jìn)行平整處理；
[0067]4)在粘土層3的表面上鋪設(shè)礫砂層2，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理；
[0068]5)在礫砂層2的表面上鋪設(shè)粉土層1，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理。
[0069]本發(fā)明還提供了所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在全天候條件下用于防止液體(特別是雨水)滲入垃圾填埋體的用途。本發(fā)明還提供了所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在全天候條件下用于防止氣體從垃圾填埋體中逸出的用途。
[0070]本發(fā)明的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的防滲功能可以通過以下原理實(shí)現(xiàn):
[0071]本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，土體從飽和到干，飽和度減小，含水量減小，對(duì)應(yīng)的吸力則增大，而土的水滲透系數(shù)隨吸力增大而減小(參見文獻(xiàn):“Ng, C.ff.ff.&Menzies, B.(2007).Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering.Taylor&Francis, London and NY.1SBN:978-0-415-43679-3.687p.，，)。
[0072]本文中所述的“吸力”的定義在本領(lǐng)域是已知的，其是指土體中氣體壓力與水壓力的差值。
[0073]本文中所述的“飽和度”的定義在本領(lǐng)域是已知的，其是指土體孔隙中水占的體積與土體孔隙體積的比值。
[0074]本文中所述的“水滲透系數(shù)”的定義在本領(lǐng)域是已知的，其是指在單位水力梯度下土體內(nèi)的單位水流量，其數(shù)值單位可為“m/s”。
[0075]本文中所述的“飽和水滲透系數(shù)”的定義在本領(lǐng)域是已知的，其是指土體達(dá)到飽和(即飽和度為100%)時(shí)對(duì)應(yīng)的水滲透系數(shù)。
[0076]圖2所示為土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中各土層水滲透系數(shù)與吸力的關(guān)系函數(shù)示意圖。以下參照?qǐng)D2進(jìn)行說明。
[0077](I)當(dāng)土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中土體的吸力小于S1,即處于濕潤氣候條件時(shí)，土體含水量較高，處于飽和或者接近飽和狀態(tài)，礫砂層2的水滲透系數(shù)最高，粘土層3的水滲透系數(shù)最低。因?yàn)榈[砂層2的水滲透系數(shù)高于粉土層I的水滲透系數(shù)，毛細(xì)阻滯作用失效，故此時(shí)依靠粘土層3的超低透水性防止雨水滲入垃圾填埋體。另一方面，因?yàn)榈[砂層2的水滲透系數(shù)最大，故側(cè)向排水主要發(fā)生在礫砂層2，如圖1所示。[0078](2)當(dāng)土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中土體的吸力介于S1與S2之間(參見圖2)，即處于半濕潤氣候條件時(shí)，土體比較濕潤，粉土層I的水滲透系數(shù)最高，粘土層3的水滲透系數(shù)最低。因?yàn)榉弁翆覫的水滲透系數(shù)最大，故側(cè)向排水主要發(fā)生在粉土層I。但仍可能有部分水滲入礫砂層2中，所以仍然需要依靠粘土層3的超低透水性防止雨水滲入垃圾填埋體。
[0079](3)當(dāng)土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中土體的吸力大于S2，即處于半干旱或干旱氣候條件時(shí)，土體比較干燥，粉土層I的水滲透系數(shù)遠(yuǎn)高于礫砂層2的水滲透系數(shù)，毛細(xì)阻滯作用生效。雨水主要儲(chǔ)存于粉土層I中或在粉土層I內(nèi)沿坡側(cè)向排走，而不滲入礫砂層2中，從而不滲入垃圾填埋體。
[0080]本發(fā)明土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的閉氣功能通過以下原理實(shí)現(xiàn):
[0081]圖3所示為土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中各土層氣流量與填埋氣氣壓的關(guān)系函數(shù)示意圖。以下參照?qǐng)D3進(jìn)行說明。當(dāng)填埋氣氣壓較低時(shí)，土體內(nèi)氣流量幾乎為零，之后氣流量隨填埋氣氣壓增大而迅速增大。以粘土層3為例，圖中A點(diǎn)為粘土層3的擊穿氣壓或稱為進(jìn)氣值，即氣體開始進(jìn)入土體時(shí)對(duì)應(yīng)的氣壓值。當(dāng)填埋氣氣壓低于A時(shí)，填埋氣無法進(jìn)入土體，粘土層3內(nèi)氣流量幾乎為零。當(dāng)填埋氣氣壓大于A時(shí)，氣體開始進(jìn)入粘土層3，氣流量迅速增大。土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中粘土層3的擊穿氣壓(即進(jìn)氣值)最高，且粘土層3在底層，直接與填埋氣6接觸(參見圖1)。填埋氣6的氣壓通常在20kPa以下(參見文獻(xiàn):“魏海云(2007).城市生活垃圾填埋場氣體運(yùn)移規(guī)律研究.浙江大學(xué)博士論文.”)。因此，壓實(shí)粘土層3，使其擊穿氣壓(即進(jìn)氣值)A高于填埋氣6產(chǎn)生的氣壓，則可有效防止填埋氣逸出。
[0082]以下通過例子的方式進(jìn)一步解釋或說明本發(fā)明的內(nèi)容，但這些例子不應(yīng)被理解為對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。
[0083]例子一
[0084]在以下例子中采用GeoStudio2007軟件(可得自位于加拿大的GE0-SL0PE公司)進(jìn)行數(shù)值模擬。GeoStudio軟件是用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件。據(jù)報(bào)道，采用這一軟件對(duì)垃圾填埋場及土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與真實(shí)模型試驗(yàn)結(jié)果非常吻合(參見文獻(xiàn):“賈官偉(2010).固廢堆場終場土質(zhì)覆蓋層中水分運(yùn)移規(guī)律及調(diào)控方法研究.浙江大學(xué)博士論文.”)。
[0085]比較例I
[0086]作為比較，先對(duì)傳統(tǒng)毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行模擬，即只采用粉土層和礫砂層作為覆蓋系統(tǒng)，粉土層下方為碌砂層。其中碌砂層的厚度為0.3m, 土體粒徑為0.5-5mm,飽和水滲透系數(shù)為2X10_4m/s ;粉土層的厚度為0.3m，土體粒徑不大于2mm，飽和水滲透系數(shù)為3X IO-Vs0坡度垂直向與水平向比為1:3。
[0087]采用GeOStudiO2007軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，氣候條件設(shè)置為:施加強(qiáng)降雨，其強(qiáng)度為IOOmm/小時(shí),持續(xù)2小時(shí)。結(jié)果如圖4所示，圖中箭頭方向表征水流方向，箭頭大小表征水流速度的大小。該結(jié)果證明了傳統(tǒng)毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)在強(qiáng)降雨條件下，即土體接近飽和或達(dá)到飽和時(shí)，不能防止雨水滲入垃圾填埋體。
[0088]實(shí)施例1
[0089]在本發(fā)明的一種土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中，在粉土層和礫砂層組成的傳統(tǒng)毛細(xì)阻滯覆蓋系統(tǒng)下方增設(shè)一層粘土層。粘土層的厚度為0.3m，土體粒徑小于0.075mm，飽和水滲透系數(shù)為IX l(T9m/s ;石樂砂層的厚度為0.3m, 土體粒徑為0.5_5mm,飽和水滲透系數(shù)為2 X l(T4m/s ;粉土層的厚度為0.3m, 土體粒徑不大于2mm,飽和水滲透系數(shù)為3 X 10_6m/s。坡度垂直向與水平向比為1:3。
[0090]采用GeOStudiO2007軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，氣候條件設(shè)置為:施加強(qiáng)降雨，其強(qiáng)度為IOOmm/小時(shí),持續(xù)2小時(shí)。結(jié)果如圖5所示，圖中箭頭方向表征水流方向，箭頭大小表征水流速度的大小。這一結(jié)果證明了本發(fā)明土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在強(qiáng)降雨條件下，即土體接近飽和或達(dá)到飽和時(shí)，可利用粘土層的超低透水性有效防止雨水滲入垃圾填埋體。
[0091]實(shí)施例2
[0092]在本發(fā)明的一種土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中，粘土層的厚度為0.5m,土體粒徑小于0.075mm,飽和水滲透系數(shù)為IX 10_9m/s ;石樂砂層的厚度為0.2m, 土體粒徑為0.5_5mm,飽和水滲透系數(shù)為IX 10_3m/s ;粉土層的厚度為0.3m,土體粒徑小于2mm,飽和水滲透系數(shù)為IX 10_8m/s。坡度垂直向與水平向比為1:4。
[0093]采用GeOStudiO2007軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，氣候條件設(shè)置為:施加強(qiáng)降雨，其強(qiáng)度為70mm/小時(shí)，持續(xù)4小時(shí)。結(jié)果證明了本發(fā)明土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)可在強(qiáng)降雨條件下，即土體接近飽和或達(dá)到飽和時(shí)，有效防止雨水滲入垃圾填埋體。
[0094]例子二
[0095]在以下例子中，采用一維土柱進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證水平式土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的防滲閉氣性能。在制備土柱時(shí)，底部粘土層和其上礫砂層按最優(yōu)含水量和95%壓實(shí)度進(jìn)行壓實(shí)，上部粉土層按最優(yōu)含水量和80%壓實(shí)度進(jìn)行壓實(shí)，然后密閉土柱上下通道，使得每層土體水分分布盡量均勻。通過控制土柱上、下邊界進(jìn)行防滲或閉氣試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中分別進(jìn)行孔隙水壓力、孔隙氣壓力和含水量沿覆蓋層不同深度的測量。
[0096]實(shí)施例1
[0097]對(duì)本發(fā)明的一種土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行一維土柱降雨模擬試驗(yàn)，粘土層的厚度為0.4m，土體粒徑小于0.075mm，飽和水滲透系數(shù)低于lXl(T9m/s ;礫砂層的厚度為0.2m，土體粒徑為0.5-5mm,飽和水滲透系數(shù)高于IX l(T4m/s ;粉土層的厚度為0.4m, 土體粒徑小于2mm，飽和水滲透系數(shù)為5X10_7m/s。在覆蓋系統(tǒng)上方施加降雨，經(jīng)歷了不同強(qiáng)度的降雨后覆蓋系統(tǒng)中的體積含水量分布如圖6所示，其中，降雨強(qiáng)度“X年一遇”參照香港氣候資料文獻(xiàn)確定(參見文獻(xiàn):“Lam, C.C.and Leung, Y.K.(1995).Extreme rainfall statisticsand design rainstorm profiles at selected locations in Hong Kong.Technical NoteN0.86, Royal Observatory, Hong Kong.”)。即使在200年一遇甚至更高的降雨強(qiáng)度下，覆蓋系統(tǒng)中的粘土層底部土體的含水量仍基本保持不變。這說明對(duì)于設(shè)計(jì)年限通常為120年的覆蓋系統(tǒng)來說，在其服役年限內(nèi)，雨水不會(huì)穿透粘土層。
[0098]實(shí)施例2
[0099]對(duì)本發(fā)明的一種土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中的粘土層進(jìn)行氣體擊穿試驗(yàn)，粘土層的厚度為
0.4m，土體粒徑小于0.075mm，飽和水滲透系數(shù)低于IX 10_9m/s。在粘土層下方施加氣壓力(在圖7中以橫坐標(biāo)“底部氣體壓力”示出)，觀測粘土層上部的氣流量變化(在圖7中以縱坐標(biāo)“頂部氣體流量”示出)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，在粘土層飽和狀態(tài)下(即飽和度100%，即在濕潤的氣候條件)，即使氣壓力達(dá)到50kPa仍未能擊穿粘土層；飽和度80%的粘土層(SP在濕潤、半濕潤的氣候條件)，其擊穿氣壓約為35kPa ;飽和度60%的粘土層，擊穿氣壓約為22kPa。由于通常情況下垃圾填埋場中填埋氣壓力在20kPa以下，所以即使在土體干燥的氣 候條件下，粘土層的飽和度為60%，仍然能夠有效防止垃圾填埋氣的逸出。
【權(quán)利要求】
1.一種用于垃圾填埋的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其鋪設(shè)于所要填埋的垃圾之上，或者在所述垃圾上覆蓋有氣體收集層的情況下則鋪設(shè)于該氣體收集層之上；其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)包括粘土層和毛細(xì)阻滯覆蓋層，并且所述粘土層位于所述毛細(xì)阻滯覆蓋層的下方，并且位于所要填埋的垃圾的上方；其中，所述毛細(xì)阻滯覆蓋層包括礫砂層和粉土層，并且所述粉土層位于所述礫砂層的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述粘土層是經(jīng)過壓實(shí)處理的，其中所述壓實(shí)處理包括在最優(yōu)含水量進(jìn)行壓實(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述粘土層的厚度為0.3-0.Sm,所述粘土層的土體粒徑小于0.075mm,并且所述粘土層的飽和水滲透系數(shù)不高于I X 10_9m/So
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述礫砂層的厚度為0.2-0.3m,所述礫砂層的土體粒徑為0.5-5mm,并且所述礫砂層的飽和水滲透系數(shù)不低于I X 10_4m/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，所述粉土層的厚度為0.3-0.6m,所述粉土層的土體粒徑不大于2mm，并且所述粉土層的飽和水滲透系數(shù)為lXl(T8-lXl(T5m/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)為水平式或斜坡式，所述斜坡式的坡度為:垂直向與水平向比不大于1:3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)，其特征在于，該土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)沿水平向每隔20-40m設(shè)置有一道排水溝。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)的制備方法，該方法包括: 1)提供具有平整表面的水平式或斜坡式的垃圾填埋體； 2)可選地，在所述垃圾填埋體的表面上鋪設(shè)氣體收集層； 3)在所述垃圾填埋體的表面上鋪設(shè)粘土層，或者在設(shè)有所述氣體收集層的情況下則在該氣體收集層的表面上鋪設(shè)粘土層，在最優(yōu)含水量壓實(shí)并進(jìn)行平整處理； 4)在所述粘土層的表面上鋪設(shè)礫砂層，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理；以及 5)在所述礫砂層的表面上鋪設(shè)粉土層，壓實(shí)并進(jìn)行平整處理，從而得到所述土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在全天候條件下用于防止液體滲入垃圾填埋體的用途。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在全天候條件下用于防止氣體從垃圾填埋體中逸出的用途。
【文檔編號(hào)】E02D31/00GK103572785SQ201310339617
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月6日
【發(fā)明者】吳宏偉, 徐潔, 陳銳 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)