全天候防渗闭气的垃圾填埋土质覆盖系统、制法和用途
【专利摘要】本发明提供一种全天候防渗闭气的垃圾填埋土质覆盖系统、制法和用途。本发明的土质覆盖系统铺设于所要填埋的垃圾或者垃圾上覆气体收集层之上；其特征在于，该土质覆盖系统包括粘土层和毛细阻滞覆盖层，并且该粘土层位于该毛细阻滞覆盖层的下方，其中该毛细阻滞覆盖层由下往上依次包括砾砂层和粉土层。该土质覆盖系统在土体比较干燥的情况下可通过该粉土层和该砾砂层的毛细阻滞作用防止液体入渗。在土体比较湿润与饱和的情况下，则可通过增设的该粘土层来防止液体入渗。在全天候（任何干湿气候）条件下均能够通过该粘土层有效防止填埋气体逸出。本发明的土质覆盖系统所用材料均为天然土料，具有取材方便，施工简单，耐久性好，成本低等特点。
【专利说明】全天候防渗闭气的垃圾填埋土质覆盖系统、制法和用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及垃圾填埋场封场覆盖系统【技术领域】，特别是涉及一种用于垃圾填埋处理的全天候防渗闭气的土质覆盖系统、制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]填埋是当前和今后相当长时期内处置城市垃圾的主要方式。垃圾在堆积降解过程中产生大量的渗滤液和填埋气(主要成分为甲烷和二氧化碳)。填埋气扩散污染城市空气，加剧温室效应，且可能引发火灾和爆炸。雨水、雪水等液体入渗则会加剧渗滤液污染地下水。因此，垃圾填埋场封场覆盖系统的主要功能是防止液体入渗和填埋气逸出，即防渗闭气。
[0003]垃圾填埋场一般是利用山坳、平原堆砌等进行填埋，主要有平原型和山谷型等形式。因此，垃圾填埋场封场覆盖系统主要有水平式和斜坡式两种形式。传统的覆盖系统包括单一压实粘土覆盖层以及由压实粘土层与土工膜组成的土工复合材料覆盖系统等，均利用材料的低渗透性来达到防渗闭气的目的。然而，在这些传统覆盖系统中，粘土层为表面土层。暴露在空气中的粘土层在天气干燥的情况下，极易开裂，导致渗透性变大，从而不能阻挡液体入渗和填埋气逸出(参见文献:“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.，，)。而土工膜则存在沿界面易滑动失稳及耐久性不佳等问题(参见文献:“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，这些传统覆盖系统的长期性能均不尽如人意。
[0004]近年来，基于水分储存一释放原理的腾发式土质覆盖系统，逐渐受到重视与发展。腾发式土质覆盖系统早期主要为种植有植被的单一细粒土层，在降雨条件下储存水分，在干燥条件下通过地面蒸发和植物蒸腾作用释放水分。然而，这种单一土层型腾发式覆盖系统只适用于降雨很少的干旱地区，且所需的土层厚度较厚，厚达2m (参见文献:iiBensonj C.H.&Khire, Μ.V.(1995).Earthen covers for sem1-arid and arid climates.Geotechnical Special Publication, N0.53，201-217.”)。因此，毛细阻滞型腾发式土质覆盖系统得到发展(参见文献:“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.”)。毛细阻滞覆盖系统由非饱和状态下的一层细粒土下卧一层粗粒土组成，利用粗细粒土层界面处的毛细阻滞作用来增大上部细粒土层的储水能力，提高侧向排水能力，减少雨水入渗。所述的非饱和状态，指的是土体孔隙中既有水又有气，且土体内水和气分别各自连通的状态。研究结果表明，毛细阻滞覆盖系统在干旱和半干旱气候区能达到有效的防渗功能，但是在湿润气候区防渗效果不佳(参见文献:“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，有学者提出在毛细阻滞覆盖层的粗细粒土层中间增设非饱和导排层的方法，来进一步提高其侧向排水能力(参见文献:“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.” ；“邓林恒，詹良通，陈云敏，贾官伟(2012).含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能模型试验研究.岩土工程学报，第34卷，第I期，75-80.”)。中国专利申请公开CN102493496A (申请号为N0.201110441895.9，发明名称为“一种具有侧向排水能力的毛细阻滞型覆盖层结构”)中就是利用在粉土层和碎石层中间增设非饱和砂层的方法来提高其侧向排水能力。然而，这种覆盖系统仍然只适用于土体处于非饱和状态的情况。当长时间强降雨条件下土体内含水量接近饱和或者达到饱和状态时，该覆盖系统就会失去防渗的功效。此外，该覆盖系统为斜坡式，如采用水平式，则其防渗效果存在疑问。该覆盖系统在表层设置了植被层用于美观，在砂层和碎石层中间设置了土工布层防止砂嵌入碎石，但对于垃圾填埋场防渗没有实际作用。
[0006]另外，非常重要的一点是，上述传统和改进后的毛细阻滞覆盖系统都不能有效防止填埋气逸出，即没有闭气功能。
[0007]至今为止，没有一种覆盖系统可以在任何气候条件下达到长期防渗闭气的功能，尤其是不能有效防止填埋气逸出以及在土体接近饱和或达到饱和状态下不能有效防止液体入渗。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种新型全天候多功能的垃圾填埋场封场土质覆盖系统，适用于任何气候条件，既能有效防止液体入渗，又能有效防止填埋气逸出，且具有良好的耐久性。
[0009]为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于垃圾填埋处理的全天候防渗闭气的土质覆盖系统、制备方法和用途。
[0010]具体而言，本发明提供:[0011](I) 一种用于垃圾填埋的土质覆盖系统，其铺设于所要填埋的垃圾之上，或者在该垃圾上覆盖有气体收集层的情况下，则铺设于该气体收集层之上；其特征在于，该土质覆盖系统包括粘土层和毛细阻滞覆盖层，并且所述粘土层位于所述毛细阻滞覆盖层的下方，并且位于所要填埋的垃圾的上方；其中，所述毛细阻滞覆盖层包括砾砂层和粉土层，并且所述粉土层位于所述砾砂层的上方。
[0012](2)根据(I)所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述粘土层是经过压实处理的，其中所述压实处理包括在最优含水量进行压实。
[0013](3)根据(I)所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述粘土层的厚度为0.3-0.Sm，所述粘土层的土体粒径小于0.075mm,并且所述粘土层的饱和水渗透系数不高于I X 10_9m/
So
[0014](4)根据(I)所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述砾砂层的厚度为0.2-0.3m,所述砾砂层的土体粒径为0.5-5mm,并且所述砾砂层的饱和水渗透系数不低于I X 10_4m/s。
[0015](5 )根据(I)所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述粉土层的厚度为0.3-0.6m,所述粉土层的土体粒径不大于2mm，并且所述粉土层的饱和水渗透系数为lX10_8-lX10_5m/
So
[0016](6)根据(I)所述的土质覆盖系统，其特征在于，该土质覆盖系统为水平式或斜坡式，斜坡式的坡度为:垂直向与水平向比不大于1:3。
[0017](7)根据(I)所述的土质覆盖系统，其特征在于，该土质覆盖系统沿水平向每隔20-40m设置有一道排水沟。
[0018](8)—种根据(I)- (7)中任意一项所述的土质覆盖系统的制备方法，该方法包括:
[0019]I)提供具有平整表面的水平式或斜坡式的垃圾填埋体；
[0020]2)可选地，在所述垃圾填埋体的表面上铺设气体收集层(例如，一层由碎石组成的气体收集层);
[0021]3)在所述气体收集层(如果有该层的情况下)或垃圾填埋体(如果没有气体收集层的情况下)的表面上铺设粘土层，在最优含水量压实并进行平整处理；
[0022]4)在所述粘土层的表面上铺设砾砂层，压实并进行平整处理；以及
[0023]5)在所述砾砂层的表面上铺设粉土层，压实并进行平整处理，从而得到所述土质覆盖系统。
[0024](9)根据(I) - (7)中任意一项所述的土质覆盖系统在全天候(任何干湿气候)条件下用于防止液体渗入垃圾填埋体的用途。
[0025](10)根据(I)- (7)中任意一项所述的土质覆盖系统在全天候条件下用于防止气体从垃圾填埋体中逸出的用途。
[0026]本发明的方法与现有技术相比具有以下优点和积极效果:
[0027]( I)在任何干湿气候条件下，特别是土体接近饱和或者达到饱和状态时，可有效防止液体(特别是雨水)渗入垃圾填埋体；
[0028](2)在任何气候条件下，可有效防止填埋气逸出；
[0029](3)本发明的土质覆盖系统组成材料均为天然土料，来源丰富，取材方便，造价低；
[0030](4)本发明的土质覆盖系统施工简单，耐久性好，后期维护成本低；[0031](5)本发明的土质覆盖系统可用于水平式和斜坡式的垃圾填埋体，特别是，即使垃圾填埋体为水平式，本发明的土质覆盖系统也能有效达到全天候防渗闭气的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明的土质覆盖系统的结构组成及防渗闭气原理示意图；
[0033]图2为本发明的土质覆盖系统中各土层水渗透系数与吸力的关系函数示意图；
[0034]图3为本发明的土质覆盖系统中各土层气流量与气压的关系函数示意图；
[0035]图4为作为比较的毛细阻滞覆盖系统一个具体例子的数值模拟结果图；
[0036]图5为本发明的土质覆盖系统的一个具体例子的数值模拟结果图；
[0037]图6为本发明的土质覆盖系统的防渗性能的一个具体例子的土柱模型试验结果图；
[0038]图7为本发明的土质覆盖系统的闭气性能的一个具体例子的土柱模型试验结果图；
[0039]在各图中的附图标记分别表示:1为粉土层，2为砾砂层，3为粘土层，4为可选的气体收集层，5为垃圾填埋体，6为填埋气，7为水流，8为土质覆盖系统，9为土工布，10为排水沟，S1为粉土层与砾砂层水渗透系数函数交叉点对应的吸力值，S2为砾砂层与粘土层水渗透系数函数交叉点对应的吸力值，A为粘土层的进气值。
【具体实施方式】
[0040]以下通过【具体实施方式】的描述并参照附图对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
[0041]现有的毛细阻滞覆盖系统均不能在任何气候条件下达到长期防渗闭气的功能，尤其是不能有效防止填埋气逸出以及在土体接近饱和或达到饱和状态下不能有效防止液体入渗。而本发明人惊奇地发现，只要在由粉土层和砾砂层组成的毛细阻滞覆盖层下方增设一层粘土层，特别是压实粘土层，就能够在任何气候条件下，特别是土体接近饱和或者达到饱和状态时，有效防止液体(特别是雨水)渗入垃圾填埋体，以及有效防止填埋气逸出。
[0042]而假若将粘土层设置在覆盖系统的表层，则不可能达到在任何气候条件下长期防渗闭气的效果。这是因为，在天气干燥的情况下，暴露在空气中的粘土层极易开裂，导致渗透性变大，从而不能再阻挡液体渗入或气体逸出。本发明中，粘土层设置在覆盖系统的底层，即粉土层和砾砂层的下方，且饱和度较高，故不存在干燥开裂的问题。
[0043]在本文中，“全天候”指任何气候条件，包括任何干湿气候，更具体而言，包括:湿润、半湿润、半干旱、干旱的气候条件。
[0044]在本文中，“土体”指本发明覆盖系统中的粘土层、砾砂层、粉土层或它们的总称。
[0045]本文中所述的“粉土”、“砾砂”和“粘土”的定义和划分在本领域是已知的，具体可参见中华人民共和国国家标准“土的工程分类标准GB/T50145-2007”和“建筑地基基础设计规范GB50007-2002”，其中主要根据粒径分布范围来确定。
[0046]在本文中，“液体”指包括雨水、雪水等各种形式的液体。
[0047]具体而言，本发明提供了一种用于垃圾填埋处理的全天候防渗闭气的土质覆盖系统，其包括粘土层、砾砂层和粉土层；其特征在于，所述粘土层、砾砂层和粉土层由下往上依次铺设于所要填埋的垃圾之上，或者在该垃圾上覆盖有气体收集层的情况下，则铺设于该气体收集层之上，即在所述砾砂层和所述粉土层组成的毛细阻滞覆盖层下方增设一层所述粘土层。
[0048]优选地，所述粘土层是经过压实处理的，其中所述压实处理包括在最优含水量进行压实。
[0049]本文中所述的“最优含水量”的定义在本领域是已知的，其是指根据击实试验在一定击实条件下土体达到最大密实度时对应的含水量(具体可参见中华人民共和国国家标准“《土工试验方法标准》GB/T50123-1999”)。
[0050]图1示意性地示出了本发明的一种土质覆盖系统8，其主要由粘土层3、砾砂层2和粉土层I由下往上依次铺设组成，即在粉土层I和砾砂层2组成的毛细阻滞覆盖层下方增设一层粘土层3。
[0051]还优选地，所述粘土层3的厚度为0.3-0.Sm,并且所述粘土层的土体粒径小于0.075mm，并且所述粘土层的饱和水渗透系数不高于lX10_9m/s ;所述砾砂层的厚度为
0.2-0.3m，所述砾砂层的土体粒径为0.5-5mm,并且所述砾砂层的饱和水渗透系数不低于IXlO-Vs ;所述粉土层的厚度为0.3-0.6m，所述粉土层的土体粒径不大于2mm，并且所述粉土层的饱和水渗透系数为lX10_8-lX10_5m/s。土层厚度范围可通过参数分析获得，例如，可采用本领域已知的数值模拟软件(例如，GeoStudio2007软件，可得自位于加拿大的GE0-SL0PE公司)进行。可采用不同土层厚度和不同水渗透系数进行参数分析，从而能够得到从饱和到干的任何气候条件都能达到最佳防渗闭气效果的土层厚度范围。
[0052]还优选地，该土质覆盖系统可为水平式或斜坡式，斜坡式的坡度为:垂直向与水平向比不大于1:3。
[0053]还优选地，该土质覆盖系统是铺设在水平的或坡体形状的垃圾填埋体上的，坡体的坡度为:垂直向与水平向比不大于1:3。
[0054]本发明中对土质覆盖系统的区域大小没有特别限制，本领域技术人员能够根据实际需要(如垃圾填埋体的实际大小)进行选择，并且可根据需要对该土质覆盖系统沿水平向每隔20-40m设置一道排水沟。当气候长期非常干旱时，可采用回灌的方法在坡体上部将水灌入砾砂层从而湿润粘土层。排水沟的设置与回灌方法可采用本领域的常规手段或方法进行。
[0055]此外，对于本发明的土质覆盖系统，当相邻两层土体颗粒的粒径差异较大时，可以任选地铺设可透气透水的土工布层9，以防止不同土层之间的颗粒互混。例如，当粉土层和砾砂层的颗粒平均粒径差大于5倍时，可在粉土层和砾砂层之间铺设土工布层，防止粉土颗粒嵌入砾砂层。类似地，当砾砂层和粘土层的颗粒平均粒径差大于5倍时，可在砾砂层和粘土层之间铺设土工布层。
[0056]此外，在将本发明的土质覆盖系统应用于垃圾填埋体时，可以任选地在垃圾填埋体上铺设气体收集层。气体收集层是现有技术已知的，其用于使垃圾填埋体产生的气体迁移扩散，从而有利于提高气体收集效率，因此，气体收集层也可被称为气体扩散层。气体收集层可以由碎石组成，但不限于此。
[0057]本发明还提供了所述土质覆盖系统的制备方法，该方法包括:[0058]I)提供具有平整表面的水平式或斜坡式的垃圾填埋体；
[0059]2)可选地，在所述垃圾填埋体的表面上铺设气体收集层(例如，一层由碎石组成的气体收集层);
[0060]3)在所述气体收集层(如果有该层的情况下)或垃圾填埋体(如果没有气体收集层的情况下)的表面上铺设粘土层，在最优含水量压实并进行平整处理；
[0061]4)在所述粘土层的表面上铺设砾砂层，压实并进行平整处理；以及
[0062]5)在所述砾砂层的表面上铺设粉土层，压实并进行平整处理，从而得到所述土质覆盖系统。
[0063]优选地，本发明的土质覆盖系统可以按照以下步骤使用(参见图1):
[0064]I)平整垃圾填埋体5的表面；
[0065]2)可选地，在垃圾填埋体5的表面上铺设气体收集层4 (例如，一层由碎石组成的气体收集层);
[0066]3)在气体收集层4的表面上铺设粘土层3 (如果没有气体收集层4，则在垃圾填埋体5的表面上铺设粘土层3)，在最优含水量压实后进行平整处理；
[0067]4)在粘土层3的表面上铺设砾砂层2，压实并进行平整处理；
[0068]5)在砾砂层2的表面上铺设粉土层1，压实并进行平整处理。
[0069]本发明还提供了所述的土质覆盖系统在全天候条件下用于防止液体(特别是雨水)渗入垃圾填埋体的用途。本发明还提供了所述的土质覆盖系统在全天候条件下用于防止气体从垃圾填埋体中逸出的用途。
[0070]本发明的土质覆盖系统的防渗功能可以通过以下原理实现:
[0071]本领域技术人员能够理解的是，土体从饱和到干，饱和度减小，含水量减小，对应的吸力则增大，而土的水渗透系数随吸力增大而减小(参见文献:“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”的定义在本领域是已知的，其是指土体中气体压力与水压力的差值。
[0073]本文中所述的“饱和度”的定义在本领域是已知的，其是指土体孔隙中水占的体积与土体孔隙体积的比值。
[0074]本文中所述的“水渗透系数”的定义在本领域是已知的，其是指在单位水力梯度下土体内的单位水流量，其数值单位可为“m/s”。
[0075]本文中所述的“饱和水渗透系数”的定义在本领域是已知的，其是指土体达到饱和(即饱和度为100%)时对应的水渗透系数。
[0076]图2所示为土质覆盖系统中各土层水渗透系数与吸力的关系函数示意图。以下参照图2进行说明。
[0077](I)当土质覆盖系统中土体的吸力小于S1,即处于湿润气候条件时，土体含水量较高，处于饱和或者接近饱和状态，砾砂层2的水渗透系数最高，粘土层3的水渗透系数最低。因为砾砂层2的水渗透系数高于粉土层I的水渗透系数，毛细阻滞作用失效，故此时依靠粘土层3的超低透水性防止雨水渗入垃圾填埋体。另一方面，因为砾砂层2的水渗透系数最大，故侧向排水主要发生在砾砂层2，如图1所示。[0078](2)当土质覆盖系统中土体的吸力介于S1与S2之间(参见图2)，即处于半湿润气候条件时，土体比较湿润，粉土层I的水渗透系数最高，粘土层3的水渗透系数最低。因为粉土层I的水渗透系数最大，故侧向排水主要发生在粉土层I。但仍可能有部分水渗入砾砂层2中，所以仍然需要依靠粘土层3的超低透水性防止雨水渗入垃圾填埋体。
[0079](3)当土质覆盖系统中土体的吸力大于S2，即处于半干旱或干旱气候条件时，土体比较干燥，粉土层I的水渗透系数远高于砾砂层2的水渗透系数，毛细阻滞作用生效。雨水主要储存于粉土层I中或在粉土层I内沿坡侧向排走，而不渗入砾砂层2中，从而不渗入垃圾填埋体。
[0080]本发明土质覆盖系统的闭气功能通过以下原理实现:
[0081]图3所示为土质覆盖系统中各土层气流量与填埋气气压的关系函数示意图。以下参照图3进行说明。当填埋气气压较低时，土体内气流量几乎为零，之后气流量随填埋气气压增大而迅速增大。以粘土层3为例，图中A点为粘土层3的击穿气压或称为进气值，即气体开始进入土体时对应的气压值。当填埋气气压低于A时，填埋气无法进入土体，粘土层3内气流量几乎为零。当填埋气气压大于A时，气体开始进入粘土层3，气流量迅速增大。土质覆盖系统中粘土层3的击穿气压(即进气值)最高，且粘土层3在底层，直接与填埋气6接触(参见图1)。填埋气6的气压通常在20kPa以下(参见文献:“魏海云(2007).城市生活垃圾填埋场气体运移规律研究.浙江大学博士论文.”)。因此，压实粘土层3，使其击穿气压(即进气值)A高于填埋气6产生的气压，则可有效防止填埋气逸出。
[0082]以下通过例子的方式进一步解释或说明本发明的内容，但这些例子不应被理解为对本发明的保护范围的限制。
[0083]例子一
[0084]在以下例子中采用GeoStudio2007软件(可得自位于加拿大的GE0-SL0PE公司)进行数值模拟。GeoStudio软件是用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。据报道，采用这一软件对垃圾填埋场及土质覆盖系统进行数值模拟，发现模拟结果与真实模型试验结果非常吻合(参见文献:“贾官伟(2010).固废堆场终场土质覆盖层中水分运移规律及调控方法研究.浙江大学博士论文.”)。
[0085]比较例I
[0086]作为比较，先对传统毛细阻滞覆盖系统进行模拟，即只采用粉土层和砾砂层作为覆盖系统，粉土层下方为碌砂层。其中碌砂层的厚度为0.3m, 土体粒径为0.5-5mm,饱和水渗透系数为2X10_4m/s ;粉土层的厚度为0.3m，土体粒径不大于2mm，饱和水渗透系数为3X IO-Vs0坡度垂直向与水平向比为1:3。
[0087]采用GeOStudiO2007软件进行数值模拟，气候条件设置为:施加强降雨，其强度为IOOmm/小时,持续2小时。结果如图4所示，图中箭头方向表征水流方向，箭头大小表征水流速度的大小。该结果证明了传统毛细阻滞覆盖系统在强降雨条件下，即土体接近饱和或达到饱和时，不能防止雨水渗入垃圾填埋体。
[0088]实施例1
[0089]在本发明的一种土质覆盖系统中，在粉土层和砾砂层组成的传统毛细阻滞覆盖系统下方增设一层粘土层。粘土层的厚度为0.3m，土体粒径小于0.075mm，饱和水渗透系数为IX l(T9m/s ;石乐砂层的厚度为0.3m, 土体粒径为0.5_5mm,饱和水渗透系数为2 X l(T4m/s ;粉土层的厚度为0.3m, 土体粒径不大于2mm,饱和水渗透系数为3 X 10_6m/s。坡度垂直向与水平向比为1:3。
[0090]采用GeOStudiO2007软件进行数值模拟，气候条件设置为:施加强降雨，其强度为IOOmm/小时,持续2小时。结果如图5所示，图中箭头方向表征水流方向，箭头大小表征水流速度的大小。这一结果证明了本发明土质覆盖系统在强降雨条件下，即土体接近饱和或达到饱和时，可利用粘土层的超低透水性有效防止雨水渗入垃圾填埋体。
[0091]实施例2
[0092]在本发明的一种土质覆盖系统中，粘土层的厚度为0.5m,土体粒径小于0.075mm,饱和水渗透系数为IX 10_9m/s ;石乐砂层的厚度为0.2m, 土体粒径为0.5_5mm,饱和水渗透系数为IX 10_3m/s ;粉土层的厚度为0.3m,土体粒径小于2mm,饱和水渗透系数为IX 10_8m/s。坡度垂直向与水平向比为1:4。
[0093]采用GeOStudiO2007软件进行数值模拟，气候条件设置为:施加强降雨，其强度为70mm/小时，持续4小时。结果证明了本发明土质覆盖系统可在强降雨条件下，即土体接近饱和或达到饱和时，有效防止雨水渗入垃圾填埋体。
[0094]例子二
[0095]在以下例子中，采用一维土柱进行室内试验验证水平式土质覆盖系统的防渗闭气性能。在制备土柱时，底部粘土层和其上砾砂层按最优含水量和95%压实度进行压实，上部粉土层按最优含水量和80%压实度进行压实，然后密闭土柱上下通道，使得每层土体水分分布尽量均匀。通过控制土柱上、下边界进行防渗或闭气试验，在试验过程中分别进行孔隙水压力、孔隙气压力和含水量沿覆盖层不同深度的测量。
[0096]实施例1
[0097]对本发明的一种土质覆盖系统进行一维土柱降雨模拟试验，粘土层的厚度为0.4m，土体粒径小于0.075mm，饱和水渗透系数低于lXl(T9m/s ;砾砂层的厚度为0.2m，土体粒径为0.5-5mm,饱和水渗透系数高于IX l(T4m/s ;粉土层的厚度为0.4m, 土体粒径小于2mm，饱和水渗透系数为5X10_7m/s。在覆盖系统上方施加降雨，经历了不同强度的降雨后覆盖系统中的体积含水量分布如图6所示，其中，降雨强度“X年一遇”参照香港气候资料文献确定(参见文献:“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强度下，覆盖系统中的粘土层底部土体的含水量仍基本保持不变。这说明对于设计年限通常为120年的覆盖系统来说，在其服役年限内，雨水不会穿透粘土层。
[0098]实施例2
[0099]对本发明的一种土质覆盖系统中的粘土层进行气体击穿试验，粘土层的厚度为
0.4m，土体粒径小于0.075mm，饱和水渗透系数低于IX 10_9m/s。在粘土层下方施加气压力(在图7中以横坐标“底部气体压力”示出)，观测粘土层上部的气流量变化(在图7中以纵坐标“顶部气体流量”示出)。试验结果如图7所示，在粘土层饱和状态下(即饱和度100%，即在湿润的气候条件)，即使气压力达到50kPa仍未能击穿粘土层；饱和度80%的粘土层(SP在湿润、半湿润的气候条件)，其击穿气压约为35kPa ;饱和度60%的粘土层，击穿气压约为22kPa。由于通常情况下垃圾填埋场中填埋气压力在20kPa以下，所以即使在土体干燥的气 候条件下，粘土层的饱和度为60%，仍然能够有效防止垃圾填埋气的逸出。
【权利要求】
1.一种用于垃圾填埋的土质覆盖系统，其铺设于所要填埋的垃圾之上，或者在所述垃圾上覆盖有气体收集层的情况下则铺设于该气体收集层之上；其特征在于，该土质覆盖系统包括粘土层和毛细阻滞覆盖层，并且所述粘土层位于所述毛细阻滞覆盖层的下方，并且位于所要填埋的垃圾的上方；其中，所述毛细阻滞覆盖层包括砾砂层和粉土层，并且所述粉土层位于所述砾砂层的上方。
2.根据权利要求1所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述粘土层是经过压实处理的，其中所述压实处理包括在最优含水量进行压实。
3.根据权利要求1所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述粘土层的厚度为0.3-0.Sm,所述粘土层的土体粒径小于0.075mm,并且所述粘土层的饱和水渗透系数不高于I X 10_9m/So
4.根据权利要求1所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述砾砂层的厚度为0.2-0.3m,所述砾砂层的土体粒径为0.5-5mm,并且所述砾砂层的饱和水渗透系数不低于I X 10_4m/s。
5.根据权利要求1所述的土质覆盖系统，其特征在于，所述粉土层的厚度为0.3-0.6m,所述粉土层的土体粒径不大于2mm，并且所述粉土层的饱和水渗透系数为lXl(T8-lXl(T5m/s。
6.根据权利要求1所述的土质覆盖系统，其特征在于，该土质覆盖系统为水平式或斜坡式，所述斜坡式的坡度为:垂直向与水平向比不大于1:3。
7.根据权利要求1所述的土质覆盖系统，其特征在于，该土质覆盖系统沿水平向每隔20-40m设置有一道排水沟。
8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的土质覆盖系统的制备方法，该方法包括: 1)提供具有平整表面的水平式或斜坡式的垃圾填埋体； 2)可选地，在所述垃圾填埋体的表面上铺设气体收集层； 3)在所述垃圾填埋体的表面上铺设粘土层，或者在设有所述气体收集层的情况下则在该气体收集层的表面上铺设粘土层，在最优含水量压实并进行平整处理； 4)在所述粘土层的表面上铺设砾砂层，压实并进行平整处理；以及 5)在所述砾砂层的表面上铺设粉土层，压实并进行平整处理，从而得到所述土质覆盖系统。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的土质覆盖系统在全天候条件下用于防止液体渗入垃圾填埋体的用途。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的土质覆盖系统在全天候条件下用于防止气体从垃圾填埋体中逸出的用途。
【文档编号】E02D31/00GK103572785SQ201310339617
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年8月6日 优先权日:2012年8月6日
【发明者】吴宏伟, 徐洁, 陈锐 申请人:香港科技大学