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摘要：本文通過對國內(nèi)外老填埋場改擴建工程的總結(jié)分析，指出垃圾堆體穩(wěn)定、垃圾沉降、滲瀝液遷移擴散問題是老填埋場改擴建中的關(guān)鍵巖土技術(shù)問題。...

老填埋場改擴建中的關(guān)鍵環(huán)境巖土技術(shù)問題

張乾飛　王艷明　徐永�！±钿J

上海交通大學(xué)，上海200030　上海市政工程設(shè)計研究總院　上海200092

前言

    在20世紀80～90年代，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市規(guī)模的擴大，城市生活垃圾也大量增加，一些經(jīng)濟發(fā)達的城市開始建立垃圾集中處置的準衛(wèi)生垃圾填埋場(老填埋場)。由于這些老填埋場設(shè)計施工時依據(jù)舊的規(guī)范標準，普遍采用簡易填埋方式和傳統(tǒng)填埋作業(yè)工藝，對周邊環(huán)境存在不同程度的污染，難以滿足現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場技術(shù)標準要求。同時，第一批填埋場大多運行了十多年，目前已逐漸接近封場狀態(tài)，對大多數(shù)城市而言，重新選擇垃圾填埋場址變得十分困難。因此，在原有垃圾場的基礎(chǔ)上進行擴建或改建無疑對解決城市垃圾最終出路、節(jié)約土地資源具有重要意義。

    垃圾沉降問題包括過大沉降問題和不均勻沉降問題，過大的垃圾沉降同樣可能引起垃圾失穩(wěn)破壞，給填埋場運營安全帶來不利影響；而不均勻沉降問題則有可能引起底部防滲襯墊系統(tǒng)和降壓導(dǎo)排系統(tǒng)失效，從而造成地下水環(huán)境污染或者浮托力過大，給垃圾堆體的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。如何定性評價垃圾沉降機理以及定量估計垃圾沉降大小，尤其是原有垃圾堆體在新垃圾堆體荷載作用下的沉降，以及垃圾在長期荷載和自身生物化學(xué)反應(yīng)相互作用下垃圾沉降的研究，對老填埋場的改擴建具有指導(dǎo)意義。

1、老填埋場改擴建的幾種模式

    根據(jù)老填埋場所處的地形地質(zhì)條件差異，以及改擴建工藝要求的特殊性，老填埋場在改擴建時常見的模式有豎向擴建、橫向擴建、復(fù)合型擴建等幾種形式，如圖l～圖3所示。

 

圖1豎向擴建示意圖

 

圖2橫向擴建示意圖

    ①豎向擴建：又稱“piggyback”，即在老場基礎(chǔ)上繼續(xù)向上進行堆高填埋，最終形成“豬背形”填埋場。根據(jù)地形條件又可分為平原型豎向擴建和谷地型豎向擴建，如圖1所示。浦東黎明垃圾填埋場擴建工程就屬于平原型豎向擴建填埋場。

    ②橫向擴建：填埋場擴建時只作橫向擴展，不再對原垃圾填埋場進行堆高填埋。根據(jù)地形條件也可分為平原型橫向擴建和山谷型橫向擴建，如圖2所示。以山谷型橫向擴建填埋場較為常見，目前國內(nèi)的杭州天子嶺第二填埋場和廣州興豐垃圾填埋場擴建工程均為山谷型橫向擴建填埋場。

2、垃圾堆體穩(wěn)定問題

    老填埋場改擴建時，在原有垃圾堆體和新增垃圾堆體的相互作用下，其穩(wěn)定問題尤為重要。一方面，通常原有垃圾堆體中滲瀝液水位較高，不利于新增垃圾堆體的穩(wěn)定；另一方面，在新垃圾堆體作用下，原垃圾堆體將進一步產(chǎn)生較大變形，并有可能發(fā)生滑動破壞。下面在首先對垃圾堆體失穩(wěn)的破壞模式、失穩(wěn)機理進行綜述，總結(jié)了垃圾堆體在豎向擴建時對穩(wěn)定起控制作用的幾種典型工況(一期垃圾堆體穩(wěn)定情況、二期垃圾堆體局部穩(wěn)定情況、整體垃圾堆體穩(wěn)定情況、新老接觸面穩(wěn)定情況)，并就老填埋場穩(wěn)定性改善的工程措施進行了探討。

　　2.1垃圾堆體失穩(wěn)模式

　　垃圾堆體穩(wěn)定問題包括垃圾填埋場邊坡的穩(wěn)定問題和垃圾堆體自身的穩(wěn)定問題�，F(xiàn)代衛(wèi)生填埋場的襯墊和覆蓋系統(tǒng)都是由土和土工合成材料組成的典型多層結(jié)構(gòu)，這些接觸面強度較低，成為潛在的破壞面。

　　填埋場邊坡發(fā)生破壞時，潛在的破壞模式有：邊坡及坡底破壞、襯墊系統(tǒng)滑落破壞、垃圾內(nèi)部破壞、穿過垃圾和地基土的破壞、沿襯墊系統(tǒng)的破壞、封場和覆蓋層的破壞以及沉降過大引起的破壞等。

　　2.2失穩(wěn)機理

    Singh和Murphy[a在進行垃圾土的三軸壓縮試驗時，在應(yīng)變達到30％以后，應(yīng)力仍在持續(xù)增長，并無達到穩(wěn)定值的跡象，現(xiàn)場荷載試驗也表面，垃圾填埋場的邊坡產(chǎn)生了很大變形，仍無明顯破壞面，基于以上事實和資料，他們認為，用摩爾一庫侖理論來描述垃圾土地強度特征是不合適的。

　　Jessberger和Guttler采用l～3年齡期的生活垃圾用離心機模擬了垃圾陡邊坡的破壞過程，結(jié)果表明，垃圾土具有較高的強度參數(shù)，且只有在發(fā)生較大變形時，才會發(fā)生滑動破壞，此時，破壞的形式與一般土體類似。因此，他們認為，可以用摩爾一庫侖理論來分析垃圾邊坡的穩(wěn)定性。

    從以上兩種不同觀點可以看出，雖然目前對垃圾邊坡的破壞機理研究得還不夠，但可以肯定的是，由于垃圾土特有的變形和強度特性，垃圾邊坡只有在發(fā)生較大的變形時，才有可能達到其極限狀態(tài)。如果認為垃圾堆體的破壞滿足大變形條件下的摩爾一庫侖準則，則其破壞機理在于垃圾堆體內(nèi)沿破壞面的實際應(yīng)力超過了垃圾堆體或軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，導(dǎo)致垃圾堆體發(fā)生剪切破壞。

　　2.3改擴建中的穩(wěn)定問題

    針對填埋場改擴建中穩(wěn)定性十分重要的兩種擴建模式——豎向擴建和橫向擴建，綜合考慮各種影響因素對垃圾堆體穩(wěn)定的影響，為確保改擴建填埋場的穩(wěn)定，需對填埋場改擴建工程中以下幾種典型工況進行穩(wěn)定分析。為便于描述，將老填埋場垃圾堆體成為一期垃圾堆體，擴建垃圾堆體稱為二期垃圾堆體。

　�、僖黄诶�圾堆體穩(wěn)定分析

　　主要分析一期垃圾堆體在填埋至設(shè)計標高時垃圾堆體的穩(wěn)定情況，需要考慮不同滲瀝液水位(低水位、正常水位、高水位)對垃圾堆體穩(wěn)定的影響，特殊組合時還應(yīng)考慮地震因素。

　�、�二期垃圾堆體穩(wěn)定分析

　　主要分析二期垃圾堆體單獨受力時的穩(wěn)定情況，用于模擬二期垃圾堆體局部滑動情況。分析時認為一期垃圾堆體已經(jīng)穩(wěn)定，將二期垃圾底部防滲結(jié)構(gòu)層作為穩(wěn)定的基礎(chǔ)面考慮。需考慮不同填埋標高、填埋坡度、二期垃圾堆體中的滲瀝液水位(低水位、正常水位、高水位)對其穩(wěn)定的影響，特殊組合時還需考慮地震作用。

3、垃圾沉降問題

    老填埋場改擴建時，由于二期工程的建設(shè)在一期工程的基礎(chǔ)上進行，其垃圾沉降問題較普通填埋場沉降更為復(fù)雜。老場擴建的垃圾沉降問題包括一期垃圾堆體沉降、二期垃圾堆體沉降以及由于填埋高度不一致引起的不均勻沉降等問題，尤其是原有垃圾堆體在新垃圾堆體荷載作用下的沉降，以及垃圾在長期荷載和自身生物化學(xué)反應(yīng)相互作用下產(chǎn)生的沉降，在擴建工程中更具特殊性和重要性。首先，垃圾堆體的過大沉降將引起填埋堆體的失穩(wěn)，給填埋場運營安全帶來不利影響；而不均勻沉降則可能導(dǎo)致二期堆體底部防滲襯墊系統(tǒng)和降壓導(dǎo)排系統(tǒng)發(fā)生拉伸破壞而失效，從而造成地下水環(huán)境污染或者浮托力過大，給垃圾堆體的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

　　3.1垃圾沉降機理模型

    由于垃圾組成成分的特殊性和差異性，造成垃圾的沉降機理相當(dāng)復(fù)雜，Edil等[6]認為垃圾沉降主要源于：①物理壓縮：垃圾在自重及荷載作用下，產(chǎn)生的畸變、彎曲、破碎和重定向，一般發(fā)生在填埋初期或施加新的荷載增量時；②錯動：垃圾中的細顆粒向大孔隙中遷移；③物理化學(xué)變化：垃圾組元因腐蝕、氧化或熱化而產(chǎn)生的質(zhì)變及體積減��；④生物降解：垃圾中的有機成分在微生物的好氧和厭氧作用下發(fā)酵、腐爛而引起的質(zhì)量喪失。

　　根據(jù)垃圾沉降機理以及沉降的發(fā)展過程，需分別建立低含水率狀態(tài)下的壓縮沉降模型、飽和垃圾土的固結(jié)沉降模型以及垃圾土的生物降解沉降模型，以分別考慮垃圾在不同填埋階段和不同填埋環(huán)境下的沉降量，下面分別論述這幾類模沉降型。

　　3.2改擴建工程的沉降分析

　　在老填埋場豎向擴建工程中，二期工程將在一期垃圾堆體的上面建設(shè)，垃圾沉降除了二期垃圾堆體沉降外，還應(yīng)考慮由于二期垃圾堆體的作用引起的一期垃圾堆體的“二次沉降”。此外，為了克服一期垃圾堆體局部不均勻沉降對中間防滲襯墊結(jié)構(gòu)的影響，還應(yīng)對土工格柵加固在擴建工程中的作用進行分析。

　　①沉降計算分析

    一期垃圾堆體的沉降分析和預(yù)測對填埋場擴建至關(guān)重要，其沉降大小和不均勻沉降分布將是中間防滲襯墊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。一期垃圾堆體作為已填埋垃圾，將在二期荷載作用下進一步產(chǎn)生沉降，另一方面，由于一期垃圾堆體本身沉降還沒有穩(wěn)定，它將隨著垃圾中有機質(zhì)的進一步降解而發(fā)生沉降。一期垃圾堆體沉降按照已填埋垃圾沉降計算，即主要包括上覆荷載引起的壓縮沉降(主固結(jié)沉降)和垃圾中有機質(zhì)降解引起的長歷時沉降(次固結(jié)沉降)。至于排水固結(jié)作用引起的垃圾沉降，由于一期垃圾堆體已經(jīng)填埋多年，其固結(jié)沉降已基本完成，二期堆體荷載作用下引起的固結(jié)沉降在垃圾總沉降量中比例較小，可以忽略不計。

    ②土工格柵加筋設(shè)計

　　由于老填埋場的垃圾堆體的不均勻性和垃圾成分的差異，不同區(qū)域內(nèi)的降解沉降和壓縮沉降也有明顯差異，從而造成老填埋場的垃圾頂部(新填埋場的垃圾底部)的局部不均勻沉降。為減少新老填埋場之間防滲襯墊系統(tǒng)和滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)由于垃圾局部不均勻沉降產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變和變形，目前有兩種方法可以實施：一是采用土工格柵對襯墊系統(tǒng)進行加固，二是根據(jù)潛在的不均勻沉降，通過在襯墊系統(tǒng)底部預(yù)留回填粘土以防止倒坡和產(chǎn)生過大的拉伸應(yīng)變。為保護上部襯墊系統(tǒng)的完整性，在原填埋場頂部進行土工格柵加固是常用的方法。

　　3.3改擴建工程的沉降控制措施

    改擴建填埋場由于受地形和填埋規(guī)劃的影響，原垃圾堆體在沉降后形成“小盆地”形狀，特點是中部沉降量較大，而且較開闊，而四周沉降量受地形和堆高限制，沉降迅速降低。為克服一期垃圾沉降對擴建工程場底構(gòu)建的影響，其場底標高設(shè)計時應(yīng)形成“穹隆”狀的基底，該“穹隆”的形狀與沉降保持一致，沉降大的地方，穹隆高度越大，不均勻沉降大的地方，穹隆高差變化也越大。

　　3.4有待進一步解決和研究的問題

    作為老填埋場改擴建工程，需要進一步解決和研究的問題有：

    ①針對我國生活垃圾特性，對其沉降機理進行深入研究，提出表征垃圾沉降的合理參數(shù)及其測試方法，尤其是垃圾土壓縮參數(shù)的現(xiàn)場測試方法，更應(yīng)引起重視。由于垃圾是分層填埋的，故應(yīng)考慮不同垃圾填埋年齡和填埋深度對垃圾壓縮沉降特性的影響，同時要研究垃圾土壓縮參數(shù)、沉降特性隨時間的變化過程。

    ②目前所有的沉降分析方法基本還來源于經(jīng)驗公式，由于垃圾土參數(shù)的隨機性較大，實際應(yīng)用時更是具有不確定性，計算結(jié)果也只能是一個人們通常經(jīng)驗認識的一個反映。筆者建議應(yīng)結(jié)合垃圾土沉降模型，通過采用現(xiàn)代化的數(shù)值計算方法，更為精確合理的計算垃圾堆體表面及堆體內(nèi)部任一位置處的沉降，進而全面了解垃圾土的沉降特性。

　　③對生物降解作用引起的長期沉降，應(yīng)結(jié)合場地條件開展相關(guān)模型研究，從理論上探求生物降解作用對沉降的影響，并建立有效可行的降解沉降求解方法。

4、滲瀝液遷移分析

　　由于老填埋場建設(shè)初期防滲標準不高、防滲措施不完善，滲瀝液遷移擴散是老填埋場中普遍存在的問題。對缺少防滲降壓措施的老填埋場，滲瀝液的影響主要表現(xiàn)在：一是過高的滲瀝液水位會對填埋場底部產(chǎn)生較大的浮托作用，影響垃圾邊坡的穩(wěn)定和填埋垃圾自身的穩(wěn)定，不利于填埋作業(yè)；二是滲瀝液和地下水相互作用，一旦垃圾滲瀝液進入地下水域，將對地下水環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的二次污染，這在現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場中是嚴厲禁止的。下面首先對填埋場中的滲流和滲瀝液遷移的研究現(xiàn)狀進行綜述，然后提出老場防滲改建措施，并指出了需要進一步研究和解決的問題。

　　4.1遷移機理

    滲瀝液產(chǎn)生量受地表降水、地下水以及垃圾自身降解特性的影響，地表水對滲瀝液產(chǎn)量的影響可以通過雨污分流措施加以控制，而地下水的影響則可以通過防滲襯墊系統(tǒng)加以隔離，但在沒有防滲處理措施的填埋場中，地下水和滲瀝液的影響是相互作用的。對老場改擴建工程而言，為了研究滲瀝液遷移問題，必須首先掌握場區(qū)地下水滲流場分布情況。

　　4.2老填埋場防滲改建措施

    老填埋場由于防滲措施和導(dǎo)排措施不完善，造成垃圾堆體內(nèi)滲瀝液聚集，并沿庫區(qū)四周向外遷移。為了確保老場穩(wěn)定安全，以及改善填埋場周邊環(huán)境，從穩(wěn)定安全和環(huán)境保護的角度出發(fā)，擬采取以下改進措施控制老場滲瀝液產(chǎn)量及其對周圍環(huán)境的影響。

    1．合理設(shè)置山體截洪溝，有效攔截山體雨水進入老填埋場，從源頭控制滲瀝液產(chǎn)量。

　　2．對老填埋場進行封場后進行擴建工程的建設(shè)和垃圾填埋，使老填埋場形成一個封閉的填埋系統(tǒng)，有效分隔新老填埋場滲瀝液，使得老填埋場滲瀝液產(chǎn)量主要來源于地下水自由補給，進一步減小滲瀝液量。  

　　3．對老場滲瀝液導(dǎo)排措施進行改造，在垃圾壩處鋪設(shè)滲瀝液導(dǎo)排碎石層，使得老場滲瀝液能夠有效導(dǎo)排，降低老場堆體內(nèi)的滲瀝液水頭，增強垃圾堆體的穩(wěn)定性。

    4．老場原有的垂直防滲設(shè)施隨著時間流逝，長期受到滲瀝液的腐蝕作用，其防滲能力有所降低。故應(yīng)根據(jù)實際情況，對原有防滲設(shè)施采取加固措施，如補打新的塑性防滲墻等。

    5．通過同位素等滲漏檢測方法查明老場滲瀝液潛在滲漏通道，并進行防滲加固措施，防止老場滲瀝液對周圍環(huán)境的污染。

    總之，老場防滲改建應(yīng)盡可能做到使得填埋場形成一個獨立的水文單元，切斷滲瀝液對周圍地下水環(huán)境的污染途徑；同時采取及時有效的滲瀝液導(dǎo)排措施，降低滲瀝液水位，增加垃圾堆體的穩(wěn)定性。

　　4.3有待進一步研究的問題

    滲瀝液遷移分析的目標是研究新老填埋場滲瀝液遷移規(guī)律，采取合理的防滲措施，確保老填埋場在滲瀝液控制方面達到現(xiàn)代衛(wèi)生填埋水平，從而使整個填埋場在改擴建后滲瀝液得到有效控制，減少滲瀝液對地下水和周邊環(huán)境的污染。根據(jù)這一目標，結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，老場改建中滲瀝液遷移分析需要進一步研究的關(guān)鍵問題是研究建立滲瀝液在垃圾土和地基土中的遷移擴散模型并進行數(shù)值模擬，分析滲瀝液對地下水的污染影響。具體有以下幾方面：

　　1．滲瀝液遷移理論

    考慮垃圾土的各向異性，研究滲瀝液在垃圾土中的遷移規(guī)律，分析滲瀝液和地下水的相互影響，建立統(tǒng)一考慮垃圾土和地基土在內(nèi)的多溶質(zhì)滲瀝液遷移擴散模型。

　　2．滲瀝液污染濃度場的數(shù)值模擬

    根據(jù)多溶質(zhì)滲瀝液遷移模型，結(jié)合場區(qū)水文地質(zhì)條件和邊界條件，對滲瀝液遷移擴散進行數(shù)值模擬，研制相應(yīng)的數(shù)值分析程序。

　　3．地下水污染預(yù)測評價

    根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，綜合評價滲瀝液對地下水的影響程度，并根據(jù)相關(guān)標準提出合理的防滲措施及防止污染擴散措施。

5、總結(jié)展望

    本文針對老填埋場改擴建工程中存在的垃圾堆體穩(wěn)定、垃圾沉降、滲瀝液遷移擴散等關(guān)鍵巖土技術(shù)問題，主要結(jié)合杭州天子嶺第二垃圾填埋場、蘇州七子山垃圾填埋場擴建工程、浦東黎明生活垃圾填埋場改建工程，進行了全面分析和系統(tǒng)評述，從機理成因、模型方法、擴建工程措施、老場改建措施等方面進行歸納總結(jié)，進而指出有待進一步解決和研究的技術(shù)難題，得到了一些有益結(jié)論，并提出了一些筆者的個人觀點和看法。

    1．垃圾穩(wěn)定分析擬有待解決和研究的關(guān)鍵技術(shù)問題是采取合適方法對新老垃圾堆體進行穩(wěn)定分析。具體有：垃圾土強度參數(shù)現(xiàn)場試驗方法研究；新老垃圾穩(wěn)定相互作用機理分析；填埋場局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)機理分析；垃圾堆體中的薄弱結(jié)構(gòu)面影響分析；完善有關(guān)垃圾穩(wěn)定設(shè)計的規(guī)范內(nèi)容等。

　　2．垃圾沉降分析擬解決和研究的關(guān)鍵技術(shù)問題是研究新老垃圾共同作用下的沉降機理、沉降模型，以及垃圾不均勻沉降對新垃圾堆體底部防滲襯墊系統(tǒng)的影響分析。具體有：研究新垃圾堆體荷載作用下原垃圾堆體的沉降機理、不均勻沉降成因分析；新擴建填埋場底部防滲襯墊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式的模型試驗；建立低含水率狀態(tài)下的壓縮沉降模型、飽和垃圾土的固結(jié)沉降模型以及垃圾土的生物降解沉降模型；分析不均勻沉降對新垃圾堆體底部的防滲膜拉伸破壞影響和滲瀝液導(dǎo)排管道彎曲變形影響；建立垃圾沉降預(yù)測的灰色動態(tài)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。

    3．滲瀝液遷移分析擬解決和研究的關(guān)鍵技術(shù)問題是研究建立滲瀝液在垃圾土和地基土中的遷移擴散模型并進行數(shù)值模擬，分析滲瀝液對地下水的污染影響。具體有：研究滲瀝液在垃圾土和地基土中的遷移規(guī)律，建立統(tǒng)一考慮垃圾土和地基土在內(nèi)的滲瀝液遷移擴散模型；采用示蹤劑檢測法檢測滲瀝液滲漏通道；建立滲瀝液遷移擴散分析的數(shù)值方法；綜合評價滲瀝液對地下水的影響程度，并提出合理的防滲處理措施。

　　由于作者本人技術(shù)水平所限，本文所述觀點還不夠完善，難免會有不同見解，希望本文中提到的一些問題能引起同行關(guān)注和指正，歡迎有興趣者共同討論。

參考文獻

[1]胡敏云，陳云敏．城市生活垃圾填埋場沉降分析與計算[J]．土木工程學(xué)報，2001，24(6)：88—92

[2]彭功勛．城市生活固體廢棄物(MSW)的沉降變形研究[D]．南京：河海大學(xué)，2004(Peng gongxun．Settlement of  municipal solid wastes[D]．Nanjin9：Hohai University，2004    (in Chinese))

[3蔣建國，畢志清，王偉，等．填埋場滲濾液水質(zhì)變化預(yù)測 模型實驗研究[J]．環(huán)境科學(xué)，2002，23(5)：92-95  

[4]王曉紅，楊天行，李宇．城市生活垃圾淋濾液運移模型問題[J]．工程勘察，l998(4)：47—50

[5]蔣惠忠，李建萍，張浩，等．生活垃圾填埋場滲濾液對潛層地下水污染的實驗?zāi)�擬分析——以北京北天堂垃圾填埋場為例[J]．世界地質(zhì)，2001，20(4)：374—378

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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