老填埋場改擴建中的關鍵環境巖土技術問題

張乾飛　王艷明　徐永福　李銳

上海交通大學，上海200030　上海市政工程設計研究總院　上海200092

前言

    在20世紀80～90年代，隨著我國社會經濟的發展和城市規模的擴大，城市生活垃圾也大量增加，一些經濟發達的城市開始建立垃圾集中處置的準衛生垃圾填埋場(老填埋場)。由于這些老填埋場設計施工時依據舊的規范標準，普遍采用簡易填埋方式和傳統填埋作業工藝，對周邊環境存在不同程度的污染，難以滿足現代衛生填埋場技術標準要求。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，對大多數城市而言，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上進行擴建或改建無疑對解決城市垃圾最終出路、節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和降壓導排系統失效，從而造成地下水環境污染或者浮托力過大，給垃圾堆體的穩定產生不利影響。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反應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意義。

1、老填埋場改擴建的幾種模式

    根據老填埋場所處的地形地質條件差異，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”，即在老場基礎上繼續向上進行堆高填埋，最終形成“豬背形”填埋場。根據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定；另一方面，在新垃圾堆體作用下，原垃圾堆體將進一步產生較大變形，并有可能發生滑動破壞。下面在首先對垃圾堆體失穩的破壞模式、失穩機理進行綜述，總結了垃圾堆體在豎向擴建時對穩定起控制作用的幾種典型工況(一期垃圾堆體穩定情況、二期垃圾堆體局部穩定情況、整體垃圾堆體穩定情況、新老接觸面穩定情況)，并就老填埋場穩定性改善的工程措施進行了探討。

　　2.1垃圾堆體失穩模式

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

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

　　2.2失穩機理

    Singh和Murphy[a在進行垃圾土的三軸壓縮試驗時，在應變達到30％以后，應力仍在持續增長，并無達到穩定值的跡象，現場荷載試驗也表面，垃圾填埋場的邊坡產生了很大變形，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，結果表明，垃圾土具有較高的強度參數，且只有在發生較大變形時，才會發生滑動破壞，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，垃圾邊坡只有在發生較大的變形時，才有可能達到其極限狀態。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沿破壞面的實際應力超過了垃圾堆體或軟弱結構面的抗剪強度，導致垃圾堆體發生剪切破壞。

　　2.3改擴建中的穩定問題

    針對填埋場改擴建中穩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定的影響，為確保改擴建填埋場的穩定，需對填埋場改擴建工程中以下幾種典型工況進行穩定分析。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。

　　①一期垃圾堆體穩定分析

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

　　②二期垃圾堆體穩定分析

　　主要分析二期垃圾堆體單獨受力時的穩定情況，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穩定，將二期垃圾底部防滲結構層作為穩定的基礎面考慮。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在一期工程的基礎上進行，其垃圾沉降問題較普通填埋場沉降更為復雜。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反應相互作用下產生的沉降，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，給填埋場運營安全帶來不利影響；而不均勻沉降則可能導致二期堆體底部防滲襯墊系統和降壓導排系統發生拉伸破壞而失效，從而造成地下水環境污染或者浮托力過大，給垃圾堆體的穩定產生不利影響。

　　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復雜，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，產生的畸變、彎曲、破碎和重定向，一般發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物理化學變化：垃圾組元因腐蝕、氧化或熱化而產生的質變及體積減小；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酵、腐爛而引起的質量喪失。

　　根據垃圾沉降機理以及沉降的發展過程，需分別建立低含水率狀態下的壓縮沉降模型、飽和垃圾土的固結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，垃圾沉降除了二期垃圾堆體沉降外，還應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構的影響，還應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測對填埋場擴建至關重要，其沉降大小和不均勻沉降分布將是中間防滲襯墊系統設計的關鍵。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生沉降，另一方面，由于一期垃圾堆體本身沉降還沒有穩定，它將隨著垃圾中有機質的進一步降解而發生沉降。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(主固結沉降)和垃圾中有機質降解引起的長歷時沉降(次固結沉降)。至于排水固結作用引起的垃圾沉降，由于一期垃圾堆體已經填埋多年，其固結沉降已基本完成，二期堆體荷載作用下引起的固結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，不同區域內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和滲瀝液導排系統由于垃圾局部不均勻沉降產生的拉伸應變和變形，目前有兩種方法可以實施：一是采用土工格柵對襯墊系統進行加固，二是根據潛在的不均勻沉降，通過在襯墊系統底部預留回填粘土以防止倒坡和產生過大的拉伸應變。為保護上部襯墊系統的完整性，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建的影響，其場底標高設計時應形成“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及其測試方法，尤其是垃圾土壓縮參數的現場測試方法，更應引起重視。由于垃圾是分層填埋的，故應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、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驗公式，由于垃圾土參數的隨機性較大，實際應用時更是具有不確定性，計算結果也只能是一個人們通常經驗認識的一個反映。筆者建議應結合垃圾土沉降模型，通過采用現代化的數值計算方法，更為精確合理的計算垃圾堆體表面及堆體內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，應結合場地條件開展相關模型研究，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在：一是過高的滲瀝液水位會對填埋場底部產生較大的浮托作用，影響垃圾邊坡的穩定和填埋垃圾自身的穩定，不利于填埋作業；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，將對地下水環境造成不可逆轉的二次污染，這在現代衛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排措施不完善，造成垃圾堆體內滲瀝液聚集，并沿庫區四周向外遷移。為了確保老場穩定安全，以及改善填埋場周邊環境，從穩定安全和環境保護的角度出發，擬采取以下改進措施控制老場滲瀝液產量及其對周圍環境的影響。

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

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

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

    4．老場原有的垂直防滲設施隨著時間流逝，長期受到滲瀝液的腐蝕作用，其防滲能力有所降低。故應根據實際情況，對原有防滲設施采取加固措施，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境的污染。

    總之，老場防滲改建應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境的污染途徑；同時采取及時有效的滲瀝液導排措施，降低滲瀝液水位，增加垃圾堆體的穩定性。

　　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代衛生填埋水平，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境的污染。根據這一目標，結合目前研究現狀，老場改建中滲瀝液遷移分析需要進一步研究的關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律，分析滲瀝液和地下水的相互影響，建立統一考慮垃圾土和地基土在內的多溶質滲瀝液遷移擴散模型。

　　2．滲瀝液污染濃度場的數值模擬

    根據多溶質滲瀝液遷移模型，結合場區水文地質條件和邊界條件，對滲瀝液遷移擴散進行數值模擬，研制相應的數值分析程序。

　　3．地下水污染預測評價

    根據數值分析結果，綜合評價滲瀝液對地下水的影響程度，并根據相關標準提出合理的防滲措施及防止污染擴散措施。

5、總結展望

    本文針對老填埋場改擴建工程中存在的垃圾堆體穩定、垃圾沉降、滲瀝液遷移擴散等關鍵巖土技術問題，主要結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，進而指出有待進一步解決和研究的技術難題，得到了一些有益結論，并提出了一些筆者的個人觀點和看法。

    1．垃圾穩定分析擬有待解決和研究的關鍵技術問題是采取合適方法對新老垃圾堆體進行穩定分析。具體有：垃圾土強度參數現場試驗方法研究；新老垃圾穩定相互作用機理分析；填埋場局部失穩和整體失穩機理分析；垃圾堆體中的薄弱結構面影響分析；完善有關垃圾穩定設計的規范內容等。

　　2．垃圾沉降分析擬解決和研究的關鍵技術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的結構形式的模型試驗；建立低含水率狀態下的壓縮沉降模型、飽和垃圾土的固結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排管道彎曲變形影響；建立垃圾沉降預測的灰色動態模型和神經網絡模型等。

    3．滲瀝液遷移分析擬解決和研究的關鍵技術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律，建立統一考慮垃圾土和地基土在內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注和指正，歡迎有興趣者共同討論。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)