固化飞灰作为填充料进行废弃石窟生态修复工程设计

固化飞灰作为填充料进行废弃石窟生态修复工程设计

蓝达群

福建省伟邦市政环保工程设计研究院有限公司福建福州350001

摘要：利用废弃石窟的花岗岩整体性好、防渗系数高，基本不存在大裂隙的特性，对示范废弃石窟进行必要的整平、岩体裂缝裂隙水及地下水导排、防渗处理、淋溶液防御及应急导排、雨水导排等工程措施后，利用石狮市现存及新产生的固化飞灰、建筑垃圾、建筑渣土等对该石窟进行规范填埋，在2-3年内堆填到设计标高后，进行封场施工、绿化种植、养护管理等实现生态修复，达到固化飞灰安全处置和废弃石窟生态修复的双重目标。

关键词：固化飞灰废弃石窟生态修复

1.工程背景

石狮市垃圾综合处理厂固化飞灰处置主要存在固化飞灰填埋场库容严重不足，无法满足固化飞灰填埋处置需求，固化飞灰需转运其他县市填埋处置，处理费用高，财政负担重。同时，石狮全市遗留了大量的废弃石窟，不仅破坏生态环境以及自然景观，也带来诸多安全隐患，废弃石窟急待修复，石窟的修复需要大量的填充材料。

1.1飞灰产生及处理情况

石狮市垃圾综合处理厂现状采用异重循环流化床垃圾焚烧锅炉进行垃圾焚烧,扩建后新增两台600t/d机械炉排焚烧锅炉，至2018年年底估算总飞灰量约为24.367万吨,其中2008年10月至2016年4月垃圾焚烧厂飞灰产生量为22.1万吨，目前处理厂及垃圾填埋场内已暂存了8~10万吨固化飞灰无处可去。

1.2废弃石窟现状及修复需求

石狮全市共有遗留废弃石窟193处，占地及影响总面积约980万平方米，涉及8个镇（街道），废弃石窟不仅破坏生态环境以及自然景观，也带来诸多安全隐患，目前完成生态修复的仅8处。此区域石窟开采主要采用凹陷开采的方式，开采时边壁较为平整，基本不存在大的裂痕，仅有一些细小裂痕，且花岗岩的防渗系数良好（花岗岩防渗系数经验值为：2×10-10～5×10-11，防渗系数高）[1]，导致矿坑内有大量的积水无法排出。废弃石窟生态修复工程措施有边坡稳定化处理、修筑截排水沟、砌挡土墙、运土方渣石回填、运种植土回填、设警示标志、建沉砂池和蓄水池、植被恢复等。

1.3示范废弃石窟概况

整个石窟库区大致为由西向东走向，矿区开采前原始地形为西高东低、南高北低，花岗岩开采后行车东、西两侧矿坑：西侧行成40~50米的垂直深坑，坑长度124米，坑宽60米及96米两块，坑底标高分别为12m、16.7m,17.7m,20m,35.6m；东侧坑深平均为15米，坑底及坑壁较为破碎、不规则，两侧为高台，形成谷口，坑底标高分别44m,48m等不同高程。

地基岩土体由上至下为①有杂填土、②碎块状强风化花岗岩、③中风化花岗岩、④微风化花岗岩。坑深10~70m不等，坑壁多近于垂直，可能发生崩塌等地质灾害。场地地下水类型属潜水,场地地下水位变化幅度约为1.00m，场地近3~5年地下水位最高高程为55.50~63.00m；历史最高水位高程为56.00~64.00m。

2、工程设计重点、难点及解决对策

2.1环保政策及规范符合性

固化飞灰在满足《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889-2008）6.3条要求的情况下作为废弃石窟生态修复填充材料进行专区单独填埋，同时，固化飞灰填埋区按照生活垃圾填埋场的相关规范进行设计、施工、填埋作业、运行管理、封场绿化等对废弃石窟进行生态修复，符合《国家危险废物名录》（2016版）第五条的豁免规定，符合相关政策、法规和规范要求。

2.2工程设计重点、难点及解决对策

（1）固化飞灰填埋区防渗

填埋场必须进行防渗处理,防渗系统渗透系数小于1.0X10_7cm/s，防止对地下水和地表水的污染，同时还应防止地下水进入填埋场。固化飞灰填埋库区场底及四壁均为花岗岩，花岗岩体的防渗系数较好（经验值为：2×10-10～5×10-11）渗，满足渗透系数小于10-7cm/s的要求，岩层厚度也大于5m。防渗设计的难点在于固化飞灰填埋区坑底、坑壁存在裂隙、裂缝，坑壁基本垂直、落差几十米，通过裂隙、裂缝进入库区的地下水等往往具有一定的压力水头。可选择的防渗方案主要有：钢筋混凝土结构防渗、高强无收缩灌浆料[2]钢筋混凝土结构防渗、裂缝高压灌浆[3]+复合衬里防渗（生活垃圾填埋场常用的HDPE土工膜+黏土或GCL）等。

结合废弃石窟固化飞灰填埋库区特点，采用单一的防渗方案均无法满足防渗系统工程的技术、经济可行性要求。本工程采取复合防渗设计：首先针对岩体裂隙、裂缝采取高压灌浆+压力水导排方案，解决防渗系统最薄弱及关键节点；针对库底采用HDPE土工膜+钢筋混凝土方案，实现双层保护；针对库壁采用高强无收缩灌浆料钢筋混凝土结构，避免库壁基本垂直、高差大造成的HDPE土工膜难于无损完整固定及长期暴露老化问题。采取组合防渗措施后，可满足《危险废物填埋污染控制标准》（GB18598-2001）和《生活垃圾填埋场技术规范》（GB50869-2013）中的防渗要求。

(2)减少及杜绝淋溶液来源

固化飞灰与生活垃圾的区别在于：固化飞灰是生活垃圾经过高温焚烧后进行螯合固化的产物，含水率低，不含有机物，自身不含有产生渗滤液和有机臭气的成分。废弃石窟固化飞灰填埋库区可能产生的淋溶液主要来源于外界的降水、地表水或地下水的渗入，若能有效阻截、切断外部水体，可减少甚至避免淋溶液的产生，节省投资及运行费用。

本设计采取以下措施：①环库区排洪沟拦截库区外雨洪，裂缝、裂隙水及地下水导排提升，②设置防渗系统，③固化飞灰堆体表面铺设防雨HDPE膜、防雨HDPE膜上利用防雨膜及沙袋形成膜上雨水导排沟，④建设库内水体集水提升井、提升泵等措施，防止雨水、地下水等外界水体进入固化飞灰填埋体，可减少甚至杜绝淋溶液的产生。

(3)水的导排

汇水面积内的雨水、淋溶液、地下水等基本无法重力导排，库区内水体的导排等是工程设计的关键节点之一，本设计采用集水提升集、配套潜水提生泵等导排库区内的水体。

（4）工程施工及填埋作业

固化飞灰填埋库区部分的垂直高差达45米，填埋库区相关的导排、防渗工程施工，固化飞灰下料、堆体等填埋作业方法、配套设备、安全保障措施等是工程设计、施工的关键。本设计采用塔吊作为库区工程施工及固化飞灰填埋的主要下料工具，人员进出库区采用升降机，固化飞灰堆填采用叉车作业并配置保护HDPE防雨膜的行车木板，采用雾炮机降尘。

3、主要工程设计

3.1库区分区

结合库区地形，以库区中部突出岩体为界，岩体以西为I区填埋库区，岩体以东为II区填埋库区。I区填埋库区中、上部填埋固化飞灰，I区填埋库区顶部及II区库区填埋建筑垃圾、渣土。I区库容43.05万立方米（填埋至标高65m），II区库容6.65万立方米（填埋至标高60m）。

3.2固化飞灰填埋库区工程

3.2.1场地整平

（1）飞灰填埋库区底面标高为13米的坑底采用乱毛石回填18.2m，而后用4:6级配砂石分层碾压回填,将坑底统一填平至20.2m高程每层厚度不大于0.5m，块石粒径不大于300mm，压实度不小于0.97，承载力不小于360Kpa,而后利用16~32mm地下水导排层碎石铺设形成库底的纵、横向2%的坡度，便于水体的导排。

（2）飞灰填埋库区侧壁凹凸、破碎、不平整岩面每隔0.4m布设锚杆，并以锚杆为基点挂置钢筋，布置钢筋网，浇筑混凝土，以形成平整的构建面。

3.2.2地下水导排

石窟最底面设置地下水导排盲沟，盲沟下底宽1500mm，上宽500mm，深700mm，其中铺设DN300的HDPE穿孔花管，并用200g/m2土工布包裹。20.2米整平标高面铺设300~2200mm厚的碎石作为地下水导排层，碎石的粒径在16-32mm之间。

地下水经地下水盲沟进入位于I区库区的1#集水提升监测井地下水池，而后通过提升泵提升进入位于Ⅱ区库区底最低点的2#集水提升监测井，后由提升泵提升入排出库外。

1#集水提升井尺寸8.4x4.0x42.8m，分为地下水、雨水、渗滤液3个独立的井室分别配置地下水提升泵流量（15m3/h,扬程40m,功率5.5kw），雨水提升泵（流量455m3/h,扬程43m,功率110kw），渗滤液提升泵（流量42m3/h,扬程61.5m,功率22kw），数量均为1用1库备。

2#集水提升井井尺寸3.0x3.0x28.5m，配套流量455m3/h,扬程43m,功率110kw的水泵2台，流量15m3/h,扬程40m,功率5.5kw的水泵2台。

3.2.3防渗系统设计

固化飞灰填埋区库底铺设300mm粗沙+50mmEPE珍珠棉板+2.0mmHDPE防渗膜防渗+600g/m2土工布+200mm钢筋混凝土底板进行防渗处理；库壁采用裂隙、裂缝聚氨酯化学灌浆材料高压灌浆填缝+裂缝预埋排水管排水+100mm厚C60高强无收缩灌浆料钢筋砼防渗层防渗[4]，高强无收缩灌浆料钢筋砼钢筋砼防渗等级为S8(0.26x10-8cm/s),灌浆料技术指标应符合《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T50448-2008标准。

3.2.4淋溶液防御、应急导排系统及处置

通过设计建设环库区排水沟、防雨HDPE膜、膜上排水沟、防渗系统、地下水导排、集水提升井等措施防止雨水、地下水进入固化飞灰填埋体，可减少甚至杜绝淋溶液的产生。防渗膜上建设渗滤液应急导排盲沟及导气石笼，在防雨膜破损或操作失误雨水进入堆体形成淋溶液的应急条件下，将淋溶液排入集水提升井淋溶液分格，通过提升泵提升进入淋溶液应急调节池，然后用槽罐车运至固化飞灰填埋场渗滤液处理站处理。

3.3排洪工程

库区的雨洪分为两个区域，一个是分水岭以内至填埋库区边沿形成的汇水面积，另一个是填埋库区内的汇水面积。分水岭以内至修复库区边沿的雨水通过沿库区四周建设环场400x400mm截洪沟等导排至库区外；填埋库区内的雨水导排采用在库区内防雨HDPE膜、集水提升井、地下水雨水中转池、提升泵、导排管等，进行雨水遮挡及导排，防止雨水进入固化飞灰堆体内部。

3.4填埋作业

（1）I区库区固化飞灰堆体高度高于46.2m后,开始利用建筑垃圾将I、II库区同步填高，并形成I区坡向II区库区的5%排水坡度实现雨水自流；逐渐填高至约65米高程后，先对固化飞灰堆填库区按生活垃圾填埋场的封场要求进行封场施工。

（2）I区飞灰堆体封场完成后，利用建筑垃圾、渣土迅速完成对I区、II区库区的回填，分别堆填至65~75米、60~65米的封场标高，实现雨水重力自排出库外，然后进行封场施工、绿化生态恢复、养护管理。

（3）填埋设备主要包括自卸卡车、塔吊、叉车、升降机、雾炮机等。固化飞灰下料采用塔吊吊运下料，下到填埋库区库底后，利用叉车搬运、堆填。固化飞灰堆填采用分层、分区堆填，分层高度为1米为1层（1袋为1层），整个库区填满一层后，进行上一层堆填。

（4）各分区堆填前应首先完成1.0mmHDPE防雨膜和分区排水沟的铺设，保证飞灰填埋后及时将堆体覆盖防雨进入并及时导排膜面雨水。1.0mmHDPE防雨膜及配套沙袋等随堆体相应提高循环使用，集水提升井的雨水管也相应焊接加高，保证雨水顺畅导排。各分区分格根据实际需要进行，以方便操作为宜。

（5）1.0mmHDPE防雨膜上铺设50mmEPE珍珠棉板+行车木板，作为叉车至至分区的通道。

3.5封场工程

封场工程分为两部分，一部分是I区库区的固化飞灰堆体的封场作业，二是I区、II区整体终场封场及植被恢复。

I区库区固化飞灰堆体封场完毕后还需在上层堆填建筑垃圾，故不需要设计耕植土层。采用的封场结构由下到上依次为：固化飞灰堆层→200g/m2的无纺土工布→200mm厚碎石(粒径16－32mm)排气层→200g/m2的无纺土工布→300mm厚的压实粘土层→200g/m2的无纺土工布→1.2mmHDPE膜→600g/m2的无纺土工布→300mm厚渣土层。

终场封场结构层为：建筑垃圾堆体层→300mm厚的压实粘土层→200g/m2的无纺土工布→1.2mmHDPE膜→200g/m2的无纺土工布→300mm厚碎石(粒径16－32mm)导流层→200g/m2的无纺土工布→种植土层600mm厚→草坪、相思树。

4、主要经济技术指标

工程总投资4965.05万元，其中工程费用4306.85万元，可填埋固化飞灰量为33.3万m3，日填埋规模为200吨/天，单位固化飞灰库容投资为149.1元/m3，单位固化飞灰填埋运行成本为84.8元/m3。

5、结论

5.1固化飞灰作为填充料进行废弃石窟进行生态修复符合相关政策、法规及规范要求，技术、经济上可行，实现了固化飞灰安全处置和废弃石窟生态修复的双重目标。

5.2防渗系统采取高压灌浆、岩体裂缝裂隙的压力水及地下水导排、HDPE土工膜、钢筋混凝土、高强无收缩灌浆料钢筋混凝土等组合防渗方案，分别对岩体裂隙裂缝、库底、库壁进行防渗，能够有效解决废弃石窟固化飞灰填埋区的防渗问题。

5.3通过防渗、导排、防雨等措施，可减少甚至杜绝淋溶液的产生，节省投资及运行费用。

5.4固化飞灰作为填充料进行废弃石窟进行生态修复，实现了固化飞灰就近处置，节约了转运、征地及工程建设相关费用，可为石狮市节约上亿元的固化飞灰处置费用，具有较大的社会、经济效益和工程示范效应。

参考文献

[1]黄斌彩.福建地区花岗岩风化体渗透系数研究[J].福建建筑,2014(11):104-105.

[2]贺奎，王万金，常保全，夏义宾，李海峰.ANGI新型高强无收缩灌浆料的研究及应用.建筑技术2008，06；

[3]徐有前.高压喷射灌浆技术在大坝防渗加固中的应用[J].合肥工业大学学报自然科学版,2003,26(3):436-440.

[4]杨双舟.高强灌浆料对混凝土结构的加固修补技术及施工注意事项.河南建材.2011(6).