CN103097044B - 用于废物场的覆盖系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于废物场和环境封闭体的覆盖系统，其中所述覆盖系统包含人造草和防渗土工膜，可以在不使用重型土方工程设备的情况下施用，作为临时或最终覆盖物以控制气味、侵蚀、气体迁移和污染物迁移。本发明允许在非常陡的斜坡上的安装，并且不需要使用大量锚定系统来抵抗风浮力或斜坡坍塌。

Description

用于废物场的覆盖系统

本申请是2007年9月13日提交的美国专利申请系列号11/900,831的部分连续案并要求其权益，后者又要求2006年9月14日提交的美国临时专利申请系列号60/844,576的权益。

技术领域

本发明涉及用于废物处置场和其他环境封闭体的覆盖系统。在更具体的方面，本发明涉及一种用于废物处置场和其他环境的封闭的覆盖系统，其中所述覆盖系统包含人造草和防渗土工膜。在另一更具体的方面，本发明涉及这样的覆盖系统，其包括含有合成排水组件的排水系统。

在本申请中，下列术语应该被理解为具有所指定的定义：

*废物场——是指土坡台和堆积废物的场所，例如填埋场、磷石膏堆场、环境受影响的土地、堆浸底垫、采矿废弃石渣和环境封闭体、或者需要封闭或覆盖系统的材料堆垛。

*人造草——是指具有草的外观，用一种或多种合成纱线或绳簇集或编织的至少一种土工织物(织造或非织造的)的复合体。

*土工膜——是指常规或织构的聚合材料，例如高密度聚乙烯、极低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯等。

背景技术

现有技术公开了用于封闭各种填埋场和其他场所的覆盖系统。然而，这些具有暴露的膜的覆盖物一般具有负面美观性。此外，现有技术一般需要多个锚定物和间隔很近的沟渠以抵挡暴露的膜上的风浮力。因此，工业界一直在寻找改进的覆盖系统，其有效、经济并满足地方、州和联邦关于这些系统的各种环境法律、法规和准则。

人造草已被广泛用于体育场馆以及机场跑道和一般性美化。人造草皮活动场地的首要考虑是场地排水的能力。关于人造草排水的现有技术实例有美国专利号5,876,745、6,858,272、6,877,932和6,946,181。然而，这些应用一般仅仅用于场地活动表面，其地面基本上是平坦的，只需关心该应用改善场地活动条件的能力。

现有技术中的排水应用主要应对平坦表面的缓慢渗透以避免场地被淹，这样的排水应用一般不能应付在填埋场和矿石堆垛的非常大且陡峭的侧坡上发生的非常大的和快速的径流。

因此，对于能够安装在非常陡的表面上并同时满足环境封闭的不渗透性要求的、使用人造草皮和膜组件的更有效的覆盖系统，存在着需求。

发明内容

简单来说，本发明提供了一种新的有用的系统，用于覆盖(即封闭)堆积有废物的各种类型的废物场。更具体来说，本发明的覆盖系统包含(1)用一种或多种合成纱线的簇集或编织的至少一种土工织物的复合体，以及(2)由聚合材料构成的防渗土工膜。所述覆盖系统任选包括合成排水组件。

本发明的覆盖系统消除或至少减少了来自废物的排出物，此外减少或消除了水渗透到下面的废物中。

本发明涉及将防渗衬垫与提供天然草样外观的人造草皮组合成最终覆盖物。本发明的覆盖系统一般使用排水衬垫(例如在美国专利号5,258,217中所显示的)以在非常陡峭的斜坡中为该系统提供排水。本发明还允许在粗糙的织构土工膜顶上使用其他排水系统(例如高密度聚乙烯排水网)。

附图说明

图1是在当前的EPA联邦法规中描述并在填埋场和矿石覆盖物中使用的典型的最终覆盖系统的横断面图。

图2是本发明的覆盖系统的横断面图，带有用圈围住的部分。

图2.1显示了图2的用圈围住的部分的放大的详细情况。

图2A是本发明的覆盖系统的横断面图，其中用圈围住的覆盖物部分使用直接在土工膜顶上的可选排水土工网作为排水系统。

图2B显示了图2A的用圈围住的部分的放大的详细情况。

图3是本发明的覆盖系统的横断面图，其中用圈围住的部分显示覆盖系统的角落部分。

图3.1显示了图3的用圈围住的部分的放大的详细情况。

图4是在斜坡上的本发明的覆盖系统的横断面图，显示了排水流。

图5是在斜坡上的本发明的覆盖系统的横断面图，显示了临界排水长度。

图6显示了对本发明的覆盖系统进行的透过率测试的结果。

图6.1以图表形式显示图6的透过率测试的结果。

图7显示了本发明的覆盖系统的界面摩擦测试的结果。

图8是表格，其显示了4英寸/小时的大降水强度在不同坡角下的临界长度结果。

图9是本发明的可选锚定系统的横断面图。

图9.1显示了图9的可选锚定系统的半裹卷选项。

图9.2显示了图9的可选锚定系统的全裹卷选项。

具体实施方式

本发明提供了用于各种类型的废物的堆积场所的覆盖系统或封闭系统。正如上面提到的，这些废物场可以包括土堆台、填埋场、磷石膏堆场、堆浸底垫、采矿废弃石渣、土堆垛等。

在本发明中，将人造草与防渗土工膜组合使用以提供新的有用的覆盖系统。这种组合(有时被称为复合体材料)可用于废物场的斜坡和顶部。

本发明的覆盖系统代表了用于危险废物和固体废物填埋场和其他环境封闭体的创新并且经济的方法。这些设施典型地需要用由土壤和土工合成材料的层所构成的最终覆盖物封闭。本发明的覆盖系统的目的在于防止废物暴露于环境，增加填埋场气体的收集，并最小化可在填埋场中产生沥滤液的暴雨水的渗透。

通过使用不需要典型的最终覆盖系统的营养支持和表土层的人造草来构建覆盖系统，物主和操作人员能够借助本发明的覆盖系统实现显著的成本节约。本发明的人造草/防渗层特别适用于以下情形：覆盖系统的设计寿命短(例如少于10年)或长(例如超过10年)的场所、在将来可能需要移除覆盖物(例如填埋场再利用)时、在填埋场斜坡太陡峭而不允许在衬垫顶上放置土壤时、在覆盖土壤不容易获得时、在稍后填埋场可能被垂直扩展或仅仅是允许构造快速封闭体以控制排出物和气味时。

本发明的覆盖系统优选被设计成具有(1)置于土壤中间覆盖物上的下部防渗层，其包含排水衬垫土工膜(或织构的土工膜衬垫)和土工网排水介质，或可选地包含在作为排水系统的高密度聚乙烯片中结合了立柱的排水衬垫；(2)人造草，其用簇集成一种或多种织物的长度为至少约1.0至约2.5英寸的聚乙烯纤维来工程化制造，所述织物包含针刺非织造聚乙烯或织造聚丙烯土工织物；以及(3)约0.5至约1.5英寸的沙层，其被放置作为填充物以压载材料并保护系统以对抗风浮力。沙将为土工织物提供对抗紫外线的附加保护。

人造草技术最初开发时主要是用于专业运动场地。聚乙烯纱线抗紫外线的耐用性使其适合用于环境项目的封闭覆盖物。在填埋场和矿料堆上，主要顾虑的是覆盖物沿着陡峭的侧坡滑动，特别是在暴雨事件后。本发明被设计成通过在覆盖系统中纳入摩擦和排水要素来对抗滑移破坏。渗透性草皮以不同的速率、例如约180加仑/平方英尺/小时(0.2cm/sec)或更快的速率渗透。在下雨事件中，降水将快速透过沙填充物并直接排入下面的土工复合体排水系统中，以使侵蚀最小化并维持沙填充物的稳定性。填充物也由人造草保持在位，所述人造草截留沙以将人造草皮锚定并压载到它所覆盖的表面上。

如果与产品的长期耐久性相关的顾虑阻止了在管理上批准最终出口封闭(即完成经批准的最终封闭不需要进一步的监管行动)，那么可以将所提出的人造草简单地用2英尺的土壤覆盖。

本发明的材料已在这样的情形(200磅/平方英尺)下使用ASTM透过率试验进行测试。系统如常规的美国环境保护局的副标题“D”中的罩盖物(U.S.EPA Subtitle“D”caps)一样运作，这是由于用于在土工膜上方排水以提高稳定性的土工复合体排水介质已经存在。参考图1。

然而，对于本发明来说，将不需要在典型情况下与暴露的土工膜覆盖物相伴的锚定系统。草皮用约0.5至约1.5英寸的沙填充物压载，所述填充物产生每平方英尺约6至约12磅的重量。填充物由簇集于下部土工织物上的人造草片聚乙烯纤维保持在位。这种几何构造截留沙以将草皮产品锚定并压载到人造草所覆盖的表面上。

人造草/防渗膜的化学组成的选择是本发明的关键要素。聚合物应该能够抵御在产生热量并含有紫外辐射的太阳光下的暴露。聚合物纱线在经历低温时不应变脆。人造草颜色和织构的选择应该在美学上讨人喜欢。

实际的草状组件优选由簇集到黑色织造和/或灰色非织造土工织物中的长度为约1.0至约2.5英寸的聚乙烯纤维构成。为了在极为陡峭的侧坡中增加强度，可以簇集另外的网眼背衬以提高尺寸稳定性。聚乙烯草细丝优选具有至少约40至约50年的长期使用期限。

本发明组合了在最终填埋场覆盖物上使用人造草以提供令人愉快的视觉外观，以及提供可以应付非常快速的径流的排水系统。因此，本发明的覆盖系统可以安装在非常陡峭的斜坡上，这种斜坡典型出现在填埋场和堆垛中。本发明还提供了锚定，以抵抗由高的风荷载造成的显著上举力。

本发明的覆盖系统具有许多优点，例如：

*不存在土壤覆盖物，取决于场所处土壤的可用性其可降低建造成本。

*降低每年的运行和维护要求，同时提供优越和可靠的/始终如一的美观性。

*降低覆盖物的封闭后维护成本。

*降低对昂贵的碎石加固通道和排水阶地(drainage benches)的需求，即使在严酷气候中也基本上没有侵蚀或淤积问题。

*由于在运行期间和封闭后土壤流失显著减少，因此对于在土壤侵蚀和沉积是主要顾虑的敏感地区的填埋场来说更好。消除了对附加的借用来源、沉积塘的需要和相关的环境建设影响。

*允许更陡峭的废物堆斜度，这是因为由例如地震或气体压力聚集所引起的土壤稳定性问题的风险降低。

*减少了通过罩盖物的渗透。表层水被快速排走并且不受覆盖系统的水力传导系数的限制。结果，防渗层上的水头和随后向废物中的渗透被降至最低。HELP(填埋场性能的水力学评估(HydraulicEvaluation of Landfill Performance))渗透模型显示，这种类型的覆盖物与当前联邦法规允许的覆盖物相比具有较少的渗透。

*增强的目测检查。因为合成材料是暴露的，因此可以容易地检查本发明的覆盖系统的损坏，如果发现，所述损坏可以被容易并廉价地修复。此外，合成材料罩盖物的大部分损坏是在土壤放置期间由土方工程设备产生的。通过在本覆盖系统中取消土壤层，这不再是问题。

*在填埋场的使用期限中和冬季中允许更快封盖和安装。更快的封盖减少气味，提高气体收集效率并增强了对联邦空气质量法规的顺从性。

*在未来填埋场再利用以获得未来的背载区域(piggyback areas)、或者由于废物的沉降或垂直扩展需要在未来回收废物的情况下，为收复目的更容易接近填埋场的材料。本发明的复合体材料允许物主不需移除典型的和传统的最终覆盖系统的已有覆盖土壤就能接近废物。

*由于没有食物或有机物质而减少野生动植物对覆盖物的影响。这在位于沿海地区的填埋场或位于机场附近的设施来说是重要的。

可选的封闭体(即本发明的目标使用期限小于约40-50年的覆盖系统)可以在下列条件下使用：

*在将来将被超填或开采的区域上。

*为了在进行最终封闭之前限制填埋场沥滤液的产生。

*为了使废物底基获得强度并允许将来进一步放置废物。

*作为通过增强收集能力以控制填埋场气体或气味的手段。

*作为半最终的覆盖物并推迟将来与土壤覆盖物相关的资本。

*减少在设施的使用期限中用于割草和侵蚀控制的运行成本。

*作为对周围社区控制排出物和使气味最小化的协议/同意令的部分，并减少由土壤侵蚀问题造成的罚金和警告。

*控制由填埋场或堆垛上的大风造成的含尘空气排放，特别是在不生长植被的地区。

对这种系统超过40-50年的使用可能包括周期性替换或紫外处理所述系统的人造草组件。

现在参考附图，其中相同的编号表示相同的要素，图1显示了现有技术的带有中间土壤覆盖物101的覆盖系统。

如图2的实施方案所示，本发明提供了覆盖系统100，用于为具有立柱的土工膜102顶上的预先工程化的人造草皮103/104排水，所述土工膜当被草皮的底部土工织物104覆盖时，产生高传输的排水系统。人造草皮将被用作填埋场封闭体的上部组件。例如，草皮可以使用针织机来构造，所述针织机可能使用超过1,000根针以生产宽约15英尺的草皮。土工膜优选由极低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或聚氯乙烯制成，并含有一系列立柱(例如由AGRU America,Inc.在商标Super GripNet下销售的50-mil LLDPE)。土工膜102宽为22.5英尺，并部署在待封闭的填埋场区域的表面上。人造草到货时也是宽为15英尺的卷，并直接部署在土工膜102顶上。将系统用约0.5至约1.5英寸的清洁的沙压载。人造草的土工织物104防止沙进入土工膜102的间隙/立柱或高密度聚乙烯排水网106(如图2A中所示)。

得到的复合覆盖物具有超过3.5x10^-3平方米/秒的高透过率值。参见图6的实际试验结果。(或者，在其他应用中透过率值可能不是如此之高)。排水是非常重要的，因为封闭体表面上的雨水快速渗透通过沙和土工织物进入下部的防渗土工膜，并被导向通往场所外周的水渠和池塘(未示出)的一系列排水沟渠或表面阶地。

本发明可以在填埋场和具有大型人造堆垛的其他环境应用中的非常陡的斜坡(即水平3：竖直1)上用作覆盖物。为了防止沙填充物105移动，需要确保表面水径流渗透通过沙和人造草层，进入排水衬垫的立柱之间的空间。本发明中，在排水系统被淹没并且径流开始侵蚀沙或将沙冲下斜坡之前，土工膜102可以将水输送至一定距离(即临界长度)。图5显示了在斜坡应用中的临界流程。

对于本发明的覆盖系统来说，不同降水强度下的临界长度可以通过下列方程计算：

q.t≥R.t L.cosα

其中：

q＝在I＝sinα时排水衬垫的流速；

t＝持续时间；

α＝如图4和5中所定义的填埋场覆盖物斜坡的角度；

R＝降水强度(英尺/小时)；以及

L＝所测量的距斜坡顶的任意长度(图5)

临界排水斜坡长度被定义为：

$L_{CR}=\frac{q}{R.cos\mathrm{\α}}$

基于透过率试验结果(参见图6)，使用降水强度R＝4英寸/小时(0.333英尺/小时)来计算L_CR，并将其显示在图8中。使用上述方程，可以根据设计的降雨事件计算系统的排水长度。然后系统需要向通往场所表面水塘的典型的表面水阶地或沟渠排水。如果临界排水斜坡长度距离不够，那么可以将沙成条带置于指定位置处，仅提供锚定需求，并避免由排水系统的饱和以及水向沙中的渗透而造成的沙的移动。也可以通过将松散的沙或沙袋108包裹在人造草板中产生人造草卷107，并将其平行于斜坡或随着斜坡展开，由此获得锚定作用。基于出口封闭的要求，除了人造草锚定物下方之外，可能需要或可能不需要排水系统以允许通过的水和水力分散。参见图9。

沙土层中平行于斜坡的渗流如下计算：如图5中所示，当实际斜坡长度长于L_CR时，在沙层中发生平行于斜坡的渗流。在这种情形中(在斜坡长度L_S2上的流动条件)，流动线路平行于斜坡表面，并且作用于L_CRxhxl的土壤体积上的渗流力J等于：

J＝V.γ_wsinα

假定人造草界面具有有效摩擦角＝δ’并且没有附着，那么下面的力平衡方程成立，

Vγ_b cosαtanδ'＝V·γ_wsinα+V·γ_bsina

该方程可以被重排成：

$tan\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\γ}}_b}{{\mathrm{\γ}}_b+{\mathrm{\γ}}_w}{\mathrm{tan\δ}}^{,}$

其中：

α＝坡角；

γ_b＝土壤的浮容重；

γ_w＝水的容重；并且

δ’＝沙-人造草层之间的界面的有效摩擦角。

应该指出，γ_b近似等于γ_w，并且最大的可能稳定坡角约为δ’的一半。换句话说，渗流将最大的稳定坡角降低至没有平行于斜坡表面的水流动时的大约一半。从上述方程可以评估系统的稳定性。图7显示了本发明的摩擦试验。试验显示出43度的内摩擦值，因此如果该值减小一半，那么在降水条件下可以放置材料的最大斜坡将在21.5度的坡度，其比水平3：竖直1的坡度更陡。

材料描述

*线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯和极低密度聚乙烯是用于本发明的防渗土工膜和合成排水组件的优选材料。

*位于织构的HDPE片(参见图2A)或排水衬垫例如Super GripNet(参见图2)上的高密度聚乙烯排水网。该组件的目的是增加分层系统的摩擦系数。因此，如果正如环境法规对顶部所要求的，最终的出口封闭需要2英尺的土壤覆盖物，那么系统的摩擦特性能够支持陡峭斜坡上的土壤覆盖物。

*用作人造草组件的耐候且防水的着色(例如绿色)纱线(100％UV稳定化的聚乙烯)。

*土工织物/聚乙烯和聚丙烯织物。

*将草皮用约0.5至约1.5的沙填充物压载。沙的放置使用气泵、喷洒器(speader bar)等将材料投送至斜坡完成。

作为总体概述而不是限制性的，本发明提供：

1.一种人造草皮，其与在土壤支撑的地基上的防渗土工膜相组合，形成用于填埋场和其他人造堆垛的最终或临时覆盖物。

2.一种具有结构上自支撑的三维间隔装置(立柱)的防渗土工膜，当被人造草的土工织物覆盖时，其在不阻塞土工膜的立柱之间的空间的情况下提供排水系统。

3.一种排水系统，其允许水渗透通过沙层和人造草层进入由立柱产生的传输区域，由此避免了水在沙中的饱和及渗透以及对覆盖系统表面的冲蚀。

4.一种排水系统，其中排水系统中的表面水将从斜坡向下导向排水阶地和下斜槽，所述排水阶地和下斜槽具有通过上述的临界长度计算所确定的一定的横向间距。然后将表面水导向场所周围的水渠和表面水塘。

5.一种排水系统，其中间距型排水可以包含高密度聚乙烯排水网而非构造在衬垫本身中的立柱，所述排水网直接施用于下部粗糙织构的土工膜衬垫的顶上以形成排水层。

6.一种排水系统，其允许将人造草不仅安装在相对平坦的表面中，而且在不从覆盖系统中侵蚀掉沙的情况下安装在例如在填埋场和矿料堆垛中存在的非常陡的斜坡中。

7.一种为用于封闭填埋场的防渗土工膜上的人造草皮提供排水系统的方法，所述方法使用不需要使用重型土方工程设备的分层系统。所述方法包括下列步骤：

a.在平坦和倾斜区域中准备中间覆盖物支撑土；

b.将防渗膜置于在填埋场和堆垛中使用的中间土壤覆盖物顶上；

c.将排水系统置于土工膜顶上。如果使用具有立柱排水衬垫的衬垫，可以避免该步骤。

d.将草皮套件铺设在间隔装置排水系统顶上，无需为排水间隔作任何别的准备；以及

e.通过吹起沙并将其铺展在草中，放置约0.5至约1.5英寸的沙层。

8.一种颗粒材料例如沙的填充物层，其配置在直立的聚乙烯草纱线之间，深度小于条带长度，并直接位于簇集有条带的土工织物顶上。

9.一种向覆盖系统提供压载，以抵抗填埋场和堆垛的堆积形状上的强风所产生的风浮力的方法。这消除了对暴露的土工合成材料进行大量锚定的需要。

10.一种为簇集或编织有聚乙烯纱线的一种或多种土工织物提供附加的紫外线抗性的方法。

11.一种用于填埋场和人造堆垛的覆盖系统，其可以通过在顶上添加2英尺的营养土覆盖物而转变成副标题“D”的覆盖物和EPA规定的覆盖物。排水系统和沙层提供足够的透过率，符合用于环境封闭体中的上部营养土渗透排水的政府法规。

12.一种覆盖系统，其在层之间提供高的内摩擦值，允许稍后在超过水平3：竖直1的侧坡上放置2英尺的土壤而不会在覆盖系统上滑动。

13.一种因控制来自于风侵蚀的扬尘排放而获得“空气质量信誉”的覆盖系统，其用于草或其他植物不能生长的干旱地区中的填埋场。

14.对于不需要传输层的应用来说，本发明的使用可以不含排水组件和填充物，并将人造草直接施加到土工膜顶上。

已经具体参考某些实施方案对本发明进行了描述，但是可以对其进行改变和修改而不背离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于废物场的覆盖系统，其中所述覆盖系统包含：

A.包含复合体的人造草，所述复合体为用一种或多种合成纱线簇集或编织的一种土工织物层，以及

B.由聚合材料构成的织构的防渗土工膜，其被设计成通过摩擦来对抗滑移破坏，

其中所述覆盖系统在不存在营养土支持性顶部覆盖物的情况下使用，并且其中防渗土工膜与合成排水组件一起使用。

2.权利要求1的覆盖系统，其中所述防渗土工膜选自高密度聚乙烯、极低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯或聚氯乙烯。

3.权利要求2的覆盖系统，其中所述防渗土工膜由线性低密度聚乙烯构成。

4.权利要求2的覆盖系统，其中所述防渗土工膜由高密度聚乙烯构成。

5.一种用于废物场的覆盖系统，其中所述覆盖系统包含：

A.包含复合体的人造草，所述复合体为用一种合成纱线簇集或编织的一种土工织物层；

B.由聚合材料构成的织构的防渗土工膜，其被设计成通过摩擦来对抗滑移破坏；以及

C.包含合成排水组件的排水系统，

其中所述覆盖系统在不存在营养土支持性顶部覆盖物的情况下使用。

6.权利要求5的覆盖系统，其中所述防渗土工膜选自高密度聚乙烯、极低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯或聚氯乙烯。

7.权利要求5的覆盖系统，其中所述防渗土工膜由线性低密度聚乙烯构成。

8.权利要求5的覆盖系统，其中所述防渗土工膜由高密度聚乙烯构成。