本发明涉及垃圾填埋技术领域，特别是涉及一种垃圾填埋场封顶层及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着我国国民经济的持续快速发展以及城镇化进程加速，城市固体废弃物也呈现急剧增加态势。根据《〈中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法〉实施情况的报告》显示，我国城市固体废物产生量持续增长，固体废物污染防治形势日渐严峻，其中仅建筑垃圾我国每年就产生约18亿吨，全国2/3的大中城市处于“垃圾围城”态势。
城市固体废弃物的处理方式主要分为填埋法、焚烧法和堆肥法。其中，填埋法是垃圾处理的最终手段，也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。一般来说，垃圾填埋场终场时候会设置封顶系统，即覆盖层(或称封顶层)，其作用在于：1.“防渗”，即防止降雨、地表径流、地下水等入渗并进入垃圾体，从而减小渗滤液的产量；2.“闭气”，即降低填埋气体的扩散，减轻温室效应。
目前，国内大多数垃圾填埋场覆盖层为单一压实黏土覆盖层或由压实黏土层与土工膜组成的土工复合材料覆盖层。然而，单一压实黏土覆盖层会在干燥空气中出现干缩裂隙而影响覆盖层性能。而土工膜则存在沿界面易滑动失稳及耐久性不佳等问题。
常规技术中，出现了一种基于水分储存-释放原理的替代型土质覆盖层(又称腾发式覆盖系统)，这种土质覆盖层主要有两种型式，即单一土层土质覆盖层和毛细阻滞覆盖层。前者是只由一层具有良好储水能力细粒土上种植植被而成，后者由一层细粒土下卧一层粗粒土而成，它利用了粗细层界面处的毛细阻断作用来增大上部细粒土层的储水能力。该覆盖层的工作原理与海绵类似，在湿季时吸收并储存水分，在干季时通过地表蒸发和植物蒸腾作用释放水分，从而实现干湿气候条件下的水量平衡，减少雨水通过覆盖层向填埋体的渗漏量。然而，这两种形式的土质覆盖层只适用于降雨较少的干旱地区，而且覆盖层厚度较厚，对于湿润地区不适用，而且二者均无闭气功能。
为解决传统土质覆盖层的这两点缺陷，中国专利cn201310339617.1提出了一种由黏土层和毛细阻滞覆盖层组成的新型覆盖系统，其中，黏土层置于毛细阻滞覆盖层下面，毛细阻滞覆盖层由一层粉土层和位于粉土层下的砾砂层组成。这一覆盖层可以实现全天候防渗闭气功能。
然而，以上所有土质覆盖层均存在以下缺陷：
(1)消耗大量土壤资源。随着城镇化加速，土地资源越来越紧缺，土壤资源也越来越短缺。该覆盖层需要使用大量天然土壤或者人工土质材料，这会造成取材困难并加剧土壤资源短缺；此外，大量土壤资源需要从外运输调配，增加了覆盖层建造成本。
(2)覆盖层材料不绿色环保，未能充分利用填埋场的建筑垃圾。填埋场中的固体垃圾大量为建筑垃圾，对建筑垃圾简单填埋而非回收利用，一方面造成了资源大量浪费，另一方面建筑垃圾大量占据填埋场库容也降低了填埋场的经济效益和社会效益。
(3)占用填埋场库容。cn201310339617.1所涉及的覆盖层的厚度约为0.8-1.7m，传统单一土质覆盖层高度高达2m。显而易见的，土质覆盖层将极大地占据填埋场库容，从而减少了填埋场实际垃圾填埋量，降低了填埋场的经济效益和社会效益。
(4)影响垃圾体稳定性。一般来说，为增加填埋场库容，垃圾填埋体会设成斜坡式。当覆盖层置于斜坡式垃圾体后，覆盖层在斜坡上的稳定性会制约斜坡倾角，进而影响填埋场库容。传统土质覆盖层中一般需要大量颗粒较细的土料，这种土的内摩擦角一般较小，将这种土质覆盖层置于斜坡式垃圾体上，当坡度较大时候会出现边坡失稳问题。
目前，国内外尚无解决以上缺陷的土质覆盖层。
中国专利cn201410456697.3也提出了一种生活垃圾填埋场终场覆盖系统，包括排气层、防渗层、排水层和植被层，以垃圾焚烧炉渣替代天然骨料或人工材料，作为排气层与排水层的主要组成部分，植被层加入msw堆肥产品与生物炭。
然而，该专利中采用生活垃圾焚烧炉渣和砾石作为排气层和排水层材料，而且排气层和排水层并非防渗闭气的功能层，只是起到疏导功能，因此，该专利中生活垃圾焚烧炉渣并非构筑覆盖层的主要功能材料，实践中该专利方案仍需大量使用天然土壤资源。另一方面，采用生活垃圾焚烧炉渣和砾石作为排气层和排水层材料，从功能要求而言，只对其渗透系数具有要求，而无其他特殊要求；且生活垃圾中有机质较多、物质成分极为复杂，经过焚烧之后产生的炉渣的形貌、成分、物理、力学、化学等特性不佳，所构筑得到的终场覆盖系统防渗闭气效果不佳。再一方面，该方案中植被层被列入覆盖层的功能层，且厚度较薄(植被层仅20-30cm)，因此植被层的储水能力较小，进而导致该专利方案在降雨较多的湿润地区不适用。
技术实现要素：
本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种垃圾填埋场封顶层及其制备方法和应用，该封顶层具有非常好的防渗闭气功能。
为了达到上述目的，采用如下技术方案：
一种垃圾填埋场封顶层，包括至少三层的功能层，所述功能层由外向内依次层叠设有：储水层、导排层和低渗透性层，所述储水层主要由颗粒粒径小于5mm的再生细骨料构成；所述导排层主要由颗粒粒径为10mm-40mm的再生粗骨料构成；所述低渗透性层主要由天然土壤构成；所述再生细骨料和所述再生粗骨料均由建筑垃圾加工得到。
上述垃圾填埋场封顶层中，通过以上粒径组合的回收建筑垃圾骨料以及天然土壤，该封顶层可以有效实现防渗闭气功能，并具有“以垃圾填垃圾”，实现建筑垃圾回收利用，释放填埋场中建筑垃圾所占库容，相比传统土质覆盖层大大减小了土壤资源的消耗，具有施工简单，取材方便，成本低廉，耐久性好等特点；此外，由于再生骨料强度较高可以显著提高填埋场覆盖层的稳定性，填埋场垃圾体的坡度可以更大，从而增加了填埋场的库容。
具体的，储水层的主要作用在于降雨条件下吸收和储存水分，干旱条件时在表面蒸发作用下将储存的水分释放到大气中；根据试验研究表明，由建筑垃圾制备而成的回收骨料表面存在大量微裂缝和砂浆表面孔隙，极大地增加了骨料的比表面积；在微裂缝及水的表面张力共同作用下，再生骨料具有很好的亲水性，较天然骨料具有较高的含水率。因此，当细粒足够多时，即颗粒粒径小于5mm的再生细骨料具备良好的储水能力，作为储水层可以最大限度地吸收和储存水分。导排层一方面具有良好的渗透特性和导排能力，另一方面，由储水层这一粒径组合的再生细骨料层以及位于其下的导排层的再生粗骨料可以有效形成毛细阻滞层，在二者交界面上可以形成较大毛细阻滞效应，显著提高再生细骨料的储水层的储水能力。
该封顶层实现防渗功能的原理为：
降雨时，雨水一方面顺坡流下，另一方面下渗进封顶层并储存在储水层中；当水分继续下渗至储水层的再生细骨料和导排层的再生粗骨料交界面时候，粗细层交界面的毛细阻滞作用会阻滞水分下渗进入导排层中，此时水分会沿着交界面向填埋场垃圾体坡脚运动，从而提高储水层中储水量；当储水层中水分超过其储存能力后，水分将突破毛细阻滞作用进入导排层；此时，因为导排层饱和渗透系数远大于低渗透性层，大多数水分会沿着导排层向填埋场垃圾体的坡底运动，较少进入低渗透性层中；因而低渗透性层的存在使得进入垃圾体的水分大大减小。
因此，在坡面径流、储水层储水、导排层侧向导排作用以及低渗透性层的阻隔的联合作用下，该封顶层在湿润地区也能实现良好的防渗功能。
该封顶层实现闭气功能的原理为：
在由建筑垃圾回收骨料构成的毛细阻滞保护层的作用下，低渗透性层天然土壤可以维持较高饱和度。根据非饱和土力学基本原理，较高饱和度下土的透气系数非常低，从而有效降低填埋场气体逸出。
此外，在由建筑垃圾回收骨料构成的毛细阻滞层的保护下，低渗透性层可以维持较高含水率，进而有效防止低渗透性层天然土壤出现干缩裂隙，从而避免了传统单一压实黏土覆盖层或由压实黏土层与土工膜组成的土工复合材料覆盖层中黏土干缩裂隙对封顶层防渗闭气性能的破坏。
在实际操作中，在保证上述技术要求的前提下，上述低渗透性层的天然土壤优选填埋场周边距离较近、分布广泛、取料方便、成本低廉的天然土壤即可。
在其中一个实施例中，所述储水层的饱和渗透系数为1×10-6m/s～1×10-4m/s，所述导排层的饱和渗透系数不低于1×10-1m/s，所述低渗透性层的渗透系数不大于1.0×10-7m/s。将各功能层的渗透系数控制在上述范围内，可以达到较好的毛细阻滞效果。
进一步的，所述储水层所用的再生细骨料应具备良好的储水和持水能力，以便在湿润气候下最大限度地吸收和储存水分。所述导排层的再生粗骨料和储水层的再生细骨料形成良好的毛细阻滞作用以便提高储水层的储水能力，这要求二者之间的具备较大的进气值差，如作为导排层材料的再生粗骨料的进气值应小于1kpa。
更进一步的，低渗透性层天然土壤在覆盖层系统运行期间应保持较高饱和度(即较高含水率)，避免干缩裂隙的产生，并维持较低渗气系数。优选施工阶段，低渗透性层在最优含水率下进行压实。
在其中一个实施例中，所述储水层的压实相对密度不低于0.9，所述导排层的压实相对密度不低于0.9，所述低渗透性层的压实度不低于90％。将各功能层按照上述设计设置，能够达到较好的防渗闭气功能。
在其中一个实施例中，所述储水层的厚度为0.6-1.0m，所述导排层的厚度为0.4-0.6m，所述低渗透性层的厚度为0.6-1.0m。将各功能层按照上述设计设置，能够达到较好的防渗闭气功能。
进一步的，储水层所用再生细骨料应具备良好的储水和持水能力，以便在湿润气候下最大限度地吸收和储存水分。更进一步的，为增加储水层的储水能力，可通过增大储水层厚度实现，同时也增大了对建筑垃圾的回收利用。
在其中一个实施例中，所述功能层之间均设有透水透气的隔绝材料层。所述隔绝材料优选土工布。因各功能层中天然土壤、再生细骨料、再生粗骨料的颗粒粒径相差较大，为避免颗粒较小的材料掉入颗粒较大的材料中，预先铺设土工布可以防止相互混掺情况产生。
在其中一个实施例中，所述功能层还包括排气层，所述排气层设于所述低渗透性层内，所述排气层主要由颗粒粒径为10mm-40mm的再生粗骨料构成，所述排气层的厚度为0.2m-0.4m，压实相对密度不低于0.7。排气层设置于低渗透性层和垃圾体之间，便于填埋场气体的收集。
本发明还公开了上述的垃圾填埋场封顶层的制备方法，包括以下步骤：
备料：将建筑垃圾通过粉碎至预定粒径，得到所述再生细骨料和所述再生粗骨料，并取垃圾填埋场的天然土壤；
铺设：按照预定要求分别以再生细骨料、再生粗骨料或天然土壤分别铺设各功能层。
上述制备方法，直接采用建筑垃圾进行粉碎后，以及在填埋场就地取得各功能层原料，具有取材方便、成本低廉的特点，达到“以垃圾填埋垃圾”的绿色环保效果。
进一步的，上述再生细骨料、再生粗骨料和再生粉的生产加工可参考建筑工程再生骨料生产规范(如gb/t25177-2010混凝土用再生粗骨料以及db894.1-再生砂粉应用技术规程(上海)等)，以便大规模工业生产，降低工艺难度以及生产成本。
在其中一个实施例中，所述铺设步骤后，还包括设置导排沟步骤，所述导排沟于垃圾体封顶层外坡面每隔20m-50m设置、和/或环绕所述垃圾体坡脚设置。
在其中一个实施例中，所述铺设步骤中，在各功能层之间铺设透水透气的隔绝材料层，并按预定要求控制各功能层的压实度和含水率。控制好压实度并配合最优含水率，以便提高储水层的储水能力，并维持较低渗气系数。
本发明还公开了上述的垃圾填埋场封顶层在构筑垃圾填埋场封顶中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)无论是湿润气候还是干旱气候下，均能有效防止雨水渗入填埋场垃圾体内，并阻止垃圾体所产生气体进入大气，从而实现全天候“防渗闭气”功能。
(2)“以垃圾填垃圾”，实现建筑垃圾回收利用，节能减排，绿色环保。本发明创造性地提出使用建筑垃圾填埋垃圾，将建筑垃圾回收制成再生骨料，并将其用于填埋场和其他土建工程，实现了建筑垃圾回收利用，节能减排，绿色环保；而常规技术中所用的生活垃圾并不具备相应的亲水性和储水能力。
(3)节约土壤资源，缓解土壤资源短缺。相比传统土质覆盖层，本发明所涉及覆盖层消耗的土壤资源更少，可以有效缓解国内土壤紧缺形势。
(3)大量消耗填埋场的建筑垃圾，释放建筑垃圾所占库容。传统垃圾填埋场中，建筑垃圾占据大量库容，本发明所涉及封顶层及其制备方法将填埋场建筑垃圾处理成再生骨料，并将建筑垃圾制成的回收骨料用在封顶层中，多余的再生骨料也可外销用于其他土建工程中，这样可以有效地消耗并利用建筑垃圾，从而释放填埋场中建筑垃圾所占库容，提高填埋场的经济效益和社会效益。
(4)施工简单，取材方便，造价低廉。本发明所涉及的封顶层取材主要为填埋场中的建筑垃圾以及少量其他天然土壤材料，这避免了传统土质覆盖层中需要大量从外运输土壤资源以及高昂的材料成本和运输成本；此外，建筑垃圾所制成的回收骨料在构筑覆盖层时候施工工艺简单、便于使用大型机械、施工成本低。因此，本发明所涉及的封顶层具有取材方便、材料成本低廉、施工简单以及造价低廉等特点。
(5)耐久性好，后期维护简单、成本低。本发明所涉及的封顶层用材为再生建筑骨料和天然土壤，材料稳定性和耐久性较好，封顶层结构稳定，维护简单，维护成本低。
(6)提高填埋场封顶层稳定性。从力学角度分析，相比粉土和砂土，建筑垃圾再生粗骨料和细骨料的强度更高，具有更高的内摩擦角(或者自然休止角)。当由建筑垃圾制作而成的封顶层铺设于填埋场垃圾体之上时候，封顶层强度会大大提高，从而提高了填埋场封顶层的稳定性。此外，在本发明的封顶层下，填埋场垃圾体的坡度可以更大，从而增加了填埋场的库容。
附图说明
图1是实施例2所涉及封顶层的结构示意图；
图2是实施例2所涉及封顶层构筑材料的颗粒级配曲线
图3是实施例2所涉及封顶层的防渗闭气原理示意图；
图示：100.储水层；200.导排层；300.低渗透性层；400.排气层；500.垃圾体；510.填埋气；600.雨水；610.坡面径流；620.下渗；630.侧向导排；700.隔绝材料层；800.导排沟。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种垃圾填埋场封顶层，包括至少三层的功能层，所述功能层由外向内(或称由上到下)依次层叠设有：储水层、导排层和低渗透性层，所述储水层主要由颗粒粒径小于5mm的再生细骨料构成；所述导排层主要由颗粒粒径为10mm-40mm的再生粗骨料构成；所述低渗透性层主要由天然土壤构成；所述再生细骨料和所述再生粗骨料均由建筑垃圾加工得到。
实施例2
一种垃圾填埋场封顶层，由建筑垃圾构筑而成。如图1所示，该封顶层包括四层层叠设置的功能层，所述功能层由外向内(或称从上到下)依次为：储水层100、导排层200、低渗透性层300、排气层400，且在各功能层之间还设有隔绝材料层700。
上述各功能层的特点和要求如下：
储水层100由粉碎建筑垃圾制成的再生细骨料构筑而成，厚度为1m。再生细骨料的颗粒最大粒径小于5mm，经测定，其饱和渗透系数为2×10-5m/s～1×10-4m/s，压实相对密度为0.9。
导排层200由粉碎建筑垃圾制成的再生粗骨料构筑而成，厚度为0.6m，再生粗骨料的颗粒粒径为10mm-40mm，经测定，其饱和渗透系数为1.6×10-1m/s，压实相对密度为0.9。
低渗透性层300由天然土壤构筑而成，厚度为1m，饱和渗透系数为1.7×10-8m/s，为天然砂质黏土，压实度为95％。
排气层400由一层粉碎建筑垃圾制成的再生粗骨料构筑而成，其颗粒粒径为10-40mm，厚度为0.3m。
根据土力学基本理论，土的饱和渗透系数是由颗粒级配决定的。而在本实施例的封顶层构筑材料中，材料的饱和渗透系数是主要控制因素。因此，为控制覆盖层构筑材料的饱和渗透系数，需要调节其颗粒级配曲线，尤其是调节材料中细粒的含量。具体的，图2为本实施例中各功能层所选用的构筑材料的一种典型颗粒级配曲线。
但是可以理解的，上述颗粒级配曲线所示颗粒级配并非是唯一的，具体应用场景中可根据不同填埋场的特点和要求进行调整。
此外，为防止上下层的材料颗粒混合(尤其是细颗粒进入粗颗粒空隙中)，储水层、导排层、低渗透性层和排气层之间均铺设一层透水透气的土工布。可以理解的，选用土工布具有材料易得、成本低的优点，也可以根据不同需求选用不同的透水透气的其它隔绝材料层，仅需满足透水透气且避免上下层的材料颗粒混合即可。
需要说明的是，本发明所涉及的封顶层各层用料的参数选择以及施工时的压实标准，需要充分考虑填埋场地形地貌与垃圾存储等基本条件以及所在区域的气候条件，尤其是降雨情况，并严格按照相关国家规范进行确定。
并且，本实施例所涉及封顶层沿坡面每隔20-50m需要布置导排沟，坡脚处也布置一条导排沟800便于收集地表水以及封顶层导排水，导排沟的设计以及施工按照相关规范进行即可。
上述垃圾填埋场封顶层通过以下方法制备得到：
一、备料。
设立建筑垃圾粉碎站并制备再生粗骨料和再生细骨料：在垃圾填埋场中设立一个建筑垃圾粉碎站，将建筑垃圾直接运至建筑垃圾粉碎站，而后通过粉碎、筛分、剔除杂质、粉磨、烘干和复合选料等工序将建筑垃圾制备成再生粗骨料和再生细骨料。
可以理解的，所得到的再生粗骨料和再生细骨料一方面可用于构筑填埋场封顶层，另一方面还可用于其他土木工程建设，如填埋场中间覆盖层；同样，构筑该封顶层的各原料也可从其它填埋场或其它建有建筑垃圾粉碎站的场所获得。
二、铺设。
1、填埋场垃圾体500预备作业：在一层垃圾摊铺压实完毕后，对垃圾体进行表面平整。
2、铺设排气层400：铺设一层再生粗骨料作为排气层，以便填埋场气体的收集，排气层按照相关规范和上述设计施工。
3、铺设低渗透性层300：在垃圾体上部的排气层上预先铺设一层透水透气的土工布，而后铺设低渗透性层的天然土壤，该层天然土壤需要预先配置成最优含水率(在本实施例中为25％)，而后按照预定压实度分层压实。
4、铺设导排层200：在低渗透性层上首先铺设一层透水透气的土工布，而后将再生粗骨料铺设在土工布上并进行分层压实，从而制备成导排层。
5、铺设储水层100：在导排层上铺设一层透水透气的土工布，将再生细骨料预先按照最优含水率(在本实施例中为12％)配置，而后铺设在土工布上并进行分层压实，压实时需要控制压实度，从而制备成储水层。
6、设置导排沟800：沿垃圾体封顶层外坡面每隔20-50m需要布置导排沟，坡脚处也布置一条导排沟800。
通过以上步骤，即可制备得到本实施例的由建筑垃圾构筑而成的新型绿色环保型的垃圾填埋场封顶层。
如附图3所示，本实施例封顶层的防渗闭气原理在于：
在自然降雨条件下，一部分雨水600会形成坡面径流610并顺坡而下进入导排沟800中；另一部分雨水600会通过下渗620进入封顶层。进入封顶层的雨水在重力作用下继续下渗进入储水层100的再生细骨料中。当水分继续下渗至储水层100的再生细骨料和导排层200的再生粗骨料交界面时候，粗细层交界面的毛细阻滞作用会阻滞水分下渗进入导排层200中，水分会沿着交界面向坡脚运动，从而提高储水层100中储水量。当储水层中水分超过其储存能力后，水分将突破毛细阻滞作用进入导排层200，因为导排层渗透系数远大于低渗透性层的渗透系数，大多数水分会沿着导排层向坡底运动，而较少进入低渗透性层300中；而低渗透性层300的存在使得进入垃圾体的水分大大减小。因此，在坡面径流610、储水层储水、导排层侧向导排630作用以及低渗透性层的阻隔的联合作用下，在湿润地区也能实现良好的防渗作用。
同样，根据图3可以看出，本实施例的封顶层的闭气原理为：
在由建筑垃圾回收骨料构成的毛细阻滞保护层的作用下，低渗透性层300可以维持较高含水率，根据非饱和土力学基本原理，较高饱和度下土的透气系数非常低，从而有效降低填埋场气体逸出。
此外，在由建筑垃圾回收骨料构成的毛细阻滞层的保护下，低渗透性层可以维持较高含水率，进而有效防止低渗透性层天然土壤出现干缩裂隙，从而避免了传统单一压实黏土覆盖层或由压实黏土层与土工膜组成的土工复合材料覆盖层中黏土干缩裂隙对封顶层防渗闭气性能的破坏。
综上所述，与常规的土质封顶层相比，本发明所提供的由建筑垃圾构筑而成的新型的垃圾填埋场封顶层可以有效实现防渗闭气功能，并具有“以垃圾填垃圾”，实现建筑垃圾回收利用，释放填埋场中建筑垃圾所占库容，相比传统土质覆盖层大大减小了土壤资源的消耗，施工简单，取材方便，成本低廉，耐久性好等特点；此外，由于再生骨料强度较高可以显著提高填埋场封顶的稳定性，填埋场垃圾体的坡度可以更大，从而增加了填埋场的库容。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。