CN115341584B - 一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构，涉及岩土工程的技术领域，所述复合防渗层结构包括从下到上依次层叠设置的膨润土防水毯、高密度聚乙烯土工膜、高韧聚酯有纺土工布以及土工复合排水网，且所述复合防渗层结构的各层界面摩擦角的大小满足一定关系，并对负载量公布了计算方式。从而保证该复合防渗层结构中所用的高韧聚酯有纺土工布能够将高密度聚乙烯土工膜最大应变控制在4％以内，并保证高韧聚酯有纺土工布自身的应变不超过5％。真正做到了因地制宜的复合防渗层结构设计，使得复合防渗层结构能够发挥出其具有的极低渗透性，有效保护填埋场周边生态环境以及居民健康。

Description

一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构
技术领域
本发明涉及岩土工程的技术领域，具体涉及一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构。
背景技术
复合防渗层结构目前在生活垃圾填埋场、一般工业固体废物填埋场、危险废物填埋场等防渗系统工程方面应用广泛。复合防渗技术是通过在固体废物填埋场场底及四周边坡压实黏土上铺设多层具有不同功能的土工合成材料，来降低填埋场内有害渗滤液水位，并有效减少渗滤液中污染物进入地下水和地表水，从而保护填埋场周边生态环境以及居民健康。复合防渗层结构要发挥其作用，必须确保高密度聚乙烯土工膜在固体废物填埋后不会出现拉裂破坏，从而使得复合防渗层结构能够发挥出其具有的极低渗透性。
目前复合防渗层结构设计方法中，可采用高密度聚乙烯土工膜和膜下黏土层紧密衔接实现复合防渗，也可采用高密度聚乙烯土工膜下设置膨润土防水毯代替部分黏土层进行复合防渗，并在高密度聚乙烯土工膜上铺设土工复合排水网进行渗滤液导排。公开号为CN205999943U的专利申请公开的技术方案中，其复合防渗层结构包括由所述掩埋坑的底层内壁至开口处依次层叠安装的库底基础层、第一防水层、地下水导流层、第二防水层、第一压实粘土层、第一防渗层、复合排水网、防水毯、第二防渗层、第三防水层、渗滤液导流层、第四防水层、废弃物层和封场层。该系统有效解决了困扰已久的废弃物污染问题，相比于深挖填埋和原位封场防渗式处置来说，本实用新型新增加了底层的防渗处理，解决了地下水被污染的问题。同时，在地下水导流层和渗滤液导流层之间设置了多个防水层以及防渗透层，提高了系统的防水性，使其效果更好，实用性更强。
虽然上述技术方案使用了土工膜层、土工布层、复合排水网以及防水毯等组成的防渗结构，提高了系统的防水性，然而，在实际工程中，固体废物在填埋压实后会出现不同程度的沉降，并在复合防渗层结构表面产生沿坡面向下的拉力，导致复合防渗层结构中土工复合排水网和高密度聚乙烯土工膜产生不同程度的张拉力，由于高密度聚乙烯土工膜的抗拉强度较低，研究表明高密度聚乙烯土工膜在长期荷载作用下张拉应变超过4％时可能出现张拉力超过其抗拉强度而导致拉裂破坏的情况，从而使得复合防渗层结构失效。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构，通过层叠设置的各层结构以及各层结构间的力学关系设置，有效防止高密度聚乙烯土工膜出现张拉开裂破坏，在满足高韧聚酯有纺土工布自身张拉应变不超过5％的条件下能够将高密度聚乙烯土工膜的张拉应变控制在4％以内，从而解决现有技术高密度聚乙烯土工膜在长期荷载作用下张拉应变超过4％时可能使得复合防渗层结构失效的技术难题。
本发明采用的技术方案如下：
一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构，所述复合防渗层结构包括从下到上依次层叠设置的膨润土防水毯、高密度聚乙烯土工膜、高韧聚酯有纺土工布以及土工复合排水网，所述复合防渗层结构的各层结构之间的力学性能以及负载量满足以下设计：
(1)确定固体废物填埋场底部和顶部封场边坡的几何尺寸：底部边坡的坡高HL，底部边坡的坡度α，顶部封场边坡的坡高HU，顶部封场边坡的坡度β，且满足以下关系：HU/tanβ≥HL/tanα，其中坡高单位为m，坡度单位为°；
(2)确定固体废物的物理力学相关参数：固体废物重度γw和固体废物内摩擦角φw，其中，所述固体废物重度γw单位为kN/m3，摩擦角单位为°；
(3)通过界面直剪试验确定复合防渗层结构相关的界面抗剪强度参数：膨润土防水毯下方界面摩擦角φgcl-f，膨润土防水毯与高密度聚乙烯土工膜界面摩擦角φgcl-gmb，高密度聚乙烯土工膜与高韧聚酯有纺土工布界面摩擦角φgmb-gtx，高韧聚酯有纺土工布与土工复合排水网界面摩擦角φgtx-gnc，高韧聚酯有纺土工布与固体废物界面摩擦角φgtx-w，土工复合排水网与固体废物界面摩擦角φgnc-w，且满足以下关系：φgcl-f≥φgcl-gmb，φgcl-gmb≥φgtx-gnc，φgmb-gtx≥φgtx-gnc，φgmb-gtx≥φgcl-gmb，φgnc-w≥φgtx-w，其中，摩擦角单位为°；
(4)采用应力平衡法，通过比较固体废物自重在坡面上产生的剪切力与高韧聚酯有纺土工布上下方关键界面的抗剪强度关系，计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax，
不等式①成立，采用公式②计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax：
(cos2α+K0sin2α)tanφl≤(1-K0)cosαsinα≤(cos2α+K0sin2α)tanφu ①
Tmax＝0.5γw[(1-K0)cosαsinα-(cos2α+K0sin2α)tanφl](sinα+cosαtanβ)L2 ②
不等式③成立，采用公式④计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax：
(1-K0)cosαsinα>(cos2α+K0sin2α)tanφu>(cos2α+K0sin2α)tanφl ③
Tmax＝0.5γw(cos2α+K0sin2α)(tanφu-tanφl)(sinα+cosαtanβ)L2 ④
采用公式⑤计算高韧聚酯有纺土工布在5％拉伸应变情况下的抗拉刚度Jgtx,5％；
Jgtx,5％＝Tmax/0.05-Jgmb,4％ ⑤
以上各式中，K0是静止土压力系数：K0＝1-sinφw，L是固体废物填埋场底部坡面长度：L＝HL/sinα，Jgmb,4％是高密度聚乙烯土工膜在4％拉伸应变情况下的抗拉刚度，φl是高韧聚酯有纺土工布下方关键界面摩擦角：φl＝φgcl-gmb,φu是高韧聚酯有纺土工布上方关键界面摩擦角：φu＝φgtx-w。
作为优选地，所述膨润土防水毯渗透系数不大于5×10-11m/s，干重规格不应小于4800g/m2。
作为优选地，所述高密度聚乙烯土工膜厚度不小于1.5mm。
作为优选地，所述土工复合排水网应由排水网芯上表面粘结无坊土工布制成。
作为优选地，所述底部边坡的坡度α满足边坡自身稳定性要求。
作为优选地，所述顶部封场边坡的坡度β满足边坡自身稳定性要求。
作为优选地，所述固体废物重度γw为填埋压实后的固体废物重度。
作为优选地，所述固体废物内摩擦角φw为填埋压实后的固体废物内摩擦角。
综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明可以实现作用在高韧聚酯有纺土工布上的最大拉力计算，相比于对复合防渗层结构不同材料之间的界面摩擦角无任何规定，本发明明确提出了复合防渗层结构不同材料之间的界面摩擦角要求。同时，利用有限差分软件FLAC计算固体废物填埋场在固体废物沉降完成后的高韧聚酯有纺土工布和高密度聚乙烯土工膜拉伸应变，便于对复合防渗层结构利用高韧聚酯有纺土工布承担主要拉力的设计进行验证，从而保证该复合防渗层结构中所用的高韧聚酯有纺土工布能够将高密度聚乙烯土工膜最大应变控制在4％以内，并保证高韧聚酯有纺土工布自身的应变不超过5％。真正做到了因地制宜的复合防渗层结构设计，使得复合防渗层结构能够发挥出其具有的极低渗透性，有效保护填埋场周边生态环境以及居民健康；
2、本发明给出了固体废物填埋场底部和顶部封场边坡的几何尺寸、固体废物重度γw、固体废物内摩擦角φw以及相应层界面摩擦角之间的计算关系，可以根据垃圾负载要求高度求出高韧聚酯有纺土工布的抗拉刚度Jgtx,5％要求。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的固体废物填埋场边坡几何尺寸和复合防渗层结构示意图；
图2为本发明实施例中有限差分计算软件FLAC所得高密度聚乙烯土工膜和高韧聚酯有纺土工布拉伸应变图，横坐标代表复合防渗层结构轴向距离，纵坐标代表高密度聚乙烯土工膜与高韧聚酯有纺土工布拉伸应变；
图中标号分别为：1、膨润土防水毯；2、高密度聚乙烯土工膜；3、高韧聚酯有纺土工布；4、土工复合排水网；5、固体废物。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及各实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构设计，如图1所示，从下到上依次层叠设置的膨润土防水毯1、高密度聚乙烯土工膜2、高韧聚酯有纺土工布3以及土工复合排水网4，所述土工复合排水网4放置固体废物5，复合防渗层结构各层之间的力学性能以及负载量满足以下步骤要求：
1)根据固体废物填埋场边坡几何尺寸，确定其底部边坡的坡高HL(m)，底部边坡的坡度α(°)，顶部封场边坡的坡高HU(m)，和顶部封场边坡的坡度β(°)，且满足以下关系：HU/tanβ≥HL/tanα；固体废物填埋场底部边坡的坡度α(°)要满足边坡自身稳定性要求；固体废物填埋场顶部封场边坡的坡度β(°)要满足边坡自身稳定性要求；
2)通过调查确定固体废物的物理力学相关参数，所述固体废物的物理力学相关参数包括固体废物重度γw(kN/m3)，和固体废物内摩擦角φw(°)；固体废物重度γw(kN/m3)是填埋压实后的固体废物重度；固体废物内摩擦角φw(°)是填埋压实后的固体废物内摩擦角；
3)通过界面直剪试验确定复合防渗层结构相关的界面抗剪强度参数：膨润土防水毯下方界面摩擦角φgcl-f(°)，膨润土防水毯与高密度聚乙烯土工膜界面摩擦角φgcl-gmb(°)，高密度聚乙烯土工膜与高韧聚酯有纺土工布界面摩擦角φgmb-gtx(°)，高韧聚酯有纺土工布与土工复合排水网界面摩擦角φgtx-gnc(°)，高韧聚酯有纺土工布与固体废物界面摩擦角φgtx-w(°)，土工复合排水网与固体废物界面摩擦角φgnc-w，且满足以下关系：φgcl-f≥φgcl-gmb，φgcl-gmb≥φgtx-gnc，φgmb-gtx≥φgtx-gnc，φgmb-gtx≥φgcl-gmb，φgnc-w≥φgtx-w；膨润土防水毯渗透系数不大于5×10-11m/s，干重规格不应小于4800g/m2；高密度聚乙烯土工膜厚度不小于1.5mm；土工复合排水网应由排水网芯上表面粘结无坊土工布制成；
4)通采用应力平衡法，通过比较固体废物自重在坡面上产生的剪切力与高韧聚酯有纺土工布上下方关键界面的抗剪强度关系，计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax，
不等式①成立，采用公式②计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax：
(cos2α+K0 sin2α)tanφl≤(1-K0)cosαsinα≤(cos2α+K0 sin2α)tanφu ①
Tmax＝0.5γw[(1-K0)cosαsinα-(cos2α+K0sin2α)tanφl](sinα+cosαtanβ)L2 ②
不等式③成立，采用公式④计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax：
(1-K0)cosαsinα>(cos2α+K0sin2α)tanφu>(cos2α+K0sin2α)tanφl ③
Tmax＝0.5γw(cos2α+K0 sin2α)(tanφu-tanφl)(sinα+cosαtanβ)L2 ④
采用公式⑤计算高韧聚酯有纺土工布在5％拉伸应变情况下的抗拉刚度Jgtx,5％；
Jgtx,5％＝Tmax/0.05-Jgmb,4％ ⑤
以上各式中，K0是静止土压力系数：K0＝1-sinφw，L是固体废物填埋场底部坡面长度：L＝HL/sinα，Jgmb,4％是高密度聚乙烯土工膜在4％拉伸应变情况下的抗拉刚度，φl是高韧聚酯有纺土工布下方关键界面摩擦角：φl＝φgcl-gmb,φu是高韧聚酯有纺土工布上方关键界面摩擦角：φu＝φgtx-w。
按照上述设计，本实施的各数据如表1所示：
表1固体废物填埋场边坡几何尺寸以及固体废物和复合防渗层结构界面参数表
固体废物填埋场底部边坡的坡高，H<sub>L</sub>(m) 30
固体废物填埋场顶部封场边坡的坡高，H<sub>U</sub>(m) 10
固体废物填埋场底部边坡的坡度，α(°) 59
固体废物填埋场顶部封场边坡的坡度，β(°) 18.4
固体废物压实重度，γ<sub>w</sub>(kN/m<sup>3</sup>) 10.7
固体废物压实内摩擦角，φ<sub>w</sub>(°) 33
膨润土防水毯与高密度聚乙烯土工膜界面摩擦角，φ<sub>gcl-gmb</sub>(°) 18
高密度聚乙烯土工膜与高韧聚酯有纺土工布界面摩擦角，φ<sub>gmb-gtx</sub>(°) 20
高韧聚酯有纺土工布与土工复合排水网界面摩擦角，φ<sub>gtx-gnc</sub>(°) 15
高韧聚酯有纺土工布与固体废物界面摩擦角，φ<sub>gtx-w</sub>(°) 30
土工复合排水网与固体废物界面摩擦角，φ<sub>gnc-w</sub>(°) 30
以高密度聚乙烯土工膜在4％拉伸应变情况下的抗拉刚度Jgmb,4％＝726kN/m为例，将表1中的参数代入上述公式中计算得到高韧聚酯有纺土工布在5％拉伸应变情况下的抗拉刚度Jgtx,5％＝5447kN/m(取整后为Jgtx,5％＝5500kN/m)，图2为有限差分软件FLAC计算结果显示选用高韧聚酯有纺土工布抗拉刚度Jgtx,5％＝5500kN/m能够将高密度聚乙烯土工膜最大应变控制在4％以内，并保证高韧聚酯有纺土工布自身的应变不超过5％。只要固体废物在填埋场边坡侧的堆放上限40m范围内，均能保证该复合防渗层结构的使用寿命。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种固体废物填埋场底部边坡的复合防渗层结构，所述复合防渗层结构包括从下到上依次层叠设置的膨润土防水毯、高密度聚乙烯土工膜、高韧聚酯有纺土工布以及土工复合排水网，其特征在于，所述复合防渗层结构的各层结构之间的力学性能以及负载量满足以下设计：
(1)确定固体废物填埋场底部和顶部封场边坡的几何尺寸：底部边坡的坡高HL，底部边坡的坡度α，顶部封场边坡的坡高HU，顶部封场边坡的坡度β，且满足以下关系：HU/tanβ≥HL/tanα，其中坡高单位为m，坡度单位为°；
(2)确定固体废物的物理力学相关参数：固体废物重度γw和固体废物内摩擦角φw，其中，所述固体废物重度γw单位为kN/m3，内摩擦角单位为°；
(3)通过界面直剪试验确定复合防渗层结构相关的界面抗剪强度参数：膨润土防水毯下方界面摩擦角φgcl-f，膨润土防水毯与高密度聚乙烯土工膜界面摩擦角φgcl-gmb，高密度聚乙烯土工膜与高韧聚酯有纺土工布界面摩擦角φgmb-gtx，高韧聚酯有纺土工布与土工复合排水网界面摩擦角φgtx-gnc，高韧聚酯有纺土工布与固体废物界面摩擦角φgtx-w，土工复合排水网与固体废物界面摩擦角φgnc-w，且满足以下关系：φgcl-f≥φgcl-gmb，φgcl-gmb≥φgtx-gnc，φgmb-gtx≥φgtx-gnc，φgmb-gtx≥φgcl-gmb，φgnc-w≥φgtx-w，其中，摩擦角单位为°；
(4)采用应力平衡法，通过比较固体废物自重在坡面上产生的剪切力与高韧聚酯有纺土工布上下方关键界面的抗剪强度关系，计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax，
不等式①成立，采用公式②计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax：
(cos2α+K0sin2α)tanφl≤(1-K0)cosαsinα≤(cos2α+K0sin2α)tanφu ①
Tmax＝0.5γw[(1-K0)cosαsinα-(cos2α+K0sin2α)tanφl](sinα+cosαtanβ)L2 ②
不等式③成立，采用公式④计算高韧聚酯有纺土工布承受的最大拉力Tmax：
(1-K0)cosαsinα>(cos2α+K0sin2α)tanφu>(cos2α+K0sin2α)tanφl ③
Tmax＝0.5γw(cos2α+K0sin2α)(tanφu-tanφl)(sinα+cosαtanβ)L2 ④
采用公式⑤计算高韧聚酯有纺土工布在5％拉伸应变情况下的抗拉刚度Jgtx,5％；
Jgtx,5％＝Tmax/0.05-Jgmb,4％ ⑤
以上各式中，K0是静止土压力系数：K0＝1-sinφw，L是固体废物填埋场底部坡面长度：L＝HL/sinα，Jgmb,4％是高密度聚乙烯土工膜在4％拉伸应变情况下的抗拉刚度，φl是高韧聚酯有纺土工布下方关键界面摩擦角：φl＝φgcl-gmb,φu是高韧聚酯有纺土工布上方关键界面摩擦角：φu＝φgtx-w。
2.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述膨润土防水毯渗透系数不大于5×10-11m/s，干重规格不应小于4800g/m2。
3.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述高密度聚乙烯土工膜厚度不小于1.5mm。
4.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述土工复合排水网应由排水网芯上表面粘结无坊土工布制成。
5.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述底部边坡的坡度α满足边坡自身稳定性要求。
6.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述顶部封场边坡的坡度β满足边坡自身稳定性要求。
7.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述固体废物重度γw为填埋压实后的固体废物重度。
8.如权利要求1所述的复合防渗层结构，其特征在于，所述固体废物内摩擦角φw为填埋压实后的固体废物内摩擦角。
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