衛(wèi)生填埋場垃圾堆體應(yīng)力歷史研究

隋繼超，黃少偉，方志成，林京威，朱國強(qiáng)，王鳳俠

（深圳市寶安區(qū)垃圾處理總站，廣東 深圳 518133）

垃圾衛(wèi)生填埋工藝及生活垃圾特性決定了垃圾堆體沉降問題的必然性。由于沉降問題及其發(fā)展關(guān)系填埋場庫容利用、功能保持與安全穩(wěn)定，相關(guān)研究的開展與應(yīng)對措施的實(shí)施在填埋場運(yùn)行管理中居于重要位置，為此，國內(nèi)外學(xué)者針對堆體沉降機(jī)理、沉降量計(jì)算開展了深入研究［1－4］。筆者著眼于生活垃圾巖土特性的變化，引入“降解塌縮－欠固結(jié)效應(yīng)”概念對垃圾堆填、固結(jié)過程進(jìn)行區(qū)分具體現(xiàn)場條件的研究，歸納了垃圾堆體應(yīng)力歷史的演化，并就其現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義進(jìn)行了討論。

1 垃圾土特性與沉降計(jì)算

1.1 堆體巖土特性動(dòng)態(tài)分析

填埋場中垃圾土具備大孔隙、大顆粒、非飽和、組分復(fù)雜、可降解等特點(diǎn)，這決定了垃圾堆體高滲透、高壓縮、進(jìn)氣值低的巖土特性，具體表現(xiàn)為瞬時(shí)沉降與主固結(jié)沉降迅速、降解與次固結(jié)沉降長期發(fā)展、土－水特征曲線存在陡降段等現(xiàn)象［5］。隨著有機(jī)質(zhì)的降解，垃圾土質(zhì)量減輕，體積縮小，難降解組分比例升高，總體上粒徑減小［6］，壓縮性減弱［7］。填埋場沉降過程可達(dá)25 a，累計(jì)沉降量可達(dá)初始填埋高度的25%～50%［8］。

不同于一般土層所受的緩慢剝蝕、沉積作用，填埋堆體短時(shí)期可經(jīng)歷多次、快速的堆高加層過程，由此產(chǎn)生的壓縮作用使堆體孔隙比顯著降低；降解過程中垃圾土粒徑減小，骨架受到侵蝕產(chǎn)生新的孔隙，垃圾比表面積增大，因此認(rèn)為排除壓縮作用影響后，堆體孔隙比因降解而有所提高［9］。

堆體孔隙比在壓縮與降解2種作用的疊加下變化，總體來說，隨著填埋時(shí)間增長，垃圾層所受上覆壓力增大，降解作用減弱，其孔隙比沿縱向變小。國內(nèi)相關(guān)檢測表明，堆體孔隙比由表層4降至深層1.5，初始密度由 0.79 g/cm3增至 1.25 g/cm3［10］。

垃圾堆體孔隙比隨堆高作業(yè)變化情況如圖1。為區(qū)分顯示各種沉降類型所在階段，假定填埋場排水良好，加荷均勻、連續(xù)且加荷后迅速固結(jié)。t0為某層垃圾填埋的初始時(shí)刻，t1……tn為該層作為下臥堆體在其上方開始第1次……第n次加層的各時(shí)刻，反映了該層垃圾由堆體表層向深層演變的過程。圖中t0至t1段曲線反映該層垃圾自重沉降與次固結(jié)過程，tn至tn+1段（n≥1）曲線反映第n次加層后該層垃圾受上覆垃圾壓力作用再壓縮、壓縮的過程及次固結(jié)過程。隨著填埋時(shí)間延長，附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比近似等于1/n，逐層減小，垃圾壓縮性也減弱，故歷次加層引起的再壓縮、壓縮沉降呈減小趨勢，降解作用的衰減也使其對孔隙比影響減弱。因此，等比于初始?jí)嚎s系數(shù)、再壓縮系數(shù)的輔助直線 l0至 ln、l′1至 l′n的斜率依次減小，降解引起的孔隙比抬升幅度也逐漸減小。另外，觀察忽略降解影響的虛曲線，認(rèn)為填埋初期虛、實(shí)曲線差異明顯，而后期兩者變化已愈發(fā)趨同。

綜上，巖土特性指標(biāo)隨時(shí)間的非線性變化是垃圾土區(qū)別于其他土的顯著特征，它取決于有機(jī)成分的降解進(jìn)度，也決定了堆體沉降過程研究與結(jié)果計(jì)算的復(fù)雜性。

1.2 堆體沉降一般表達(dá)式

區(qū)別于一般巖土，同樣假設(shè)前提下，依孔隙比變化的垃圾土沉降表達(dá)式需引入骨架體積縮減率概念。建立的等式關(guān)系為：1-骨架體積縮減率=降解后骨架體積/初始骨架體積，即：

式中：V0、e0分別為垃圾土初始體積與初始孔隙比；V1、e1和α分別為垃圾土填埋后t時(shí)刻的體積、孔隙比和骨架體積縮減率；△V、△H和△e分別為垃圾土t時(shí)刻的體積變化量、高度變化量和孔隙比變化量。

另設(shè)H0為垃圾土初始高度，△H為t時(shí)刻垃圾土高度變化量，A為土體橫截面面積，可知，則根據(jù)公式 （1）可得出堆體沉降量表達(dá)式：

觀察公式（2），發(fā)現(xiàn)垃圾土的沉降可根據(jù)等式右側(cè)部分加號(hào)的兩邊明顯劃分為降解骨架體積縮減量和未降解殘余部分（包括有機(jī)質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)）壓縮沉降量。其中α趨近0時(shí)，壓縮沉降量的表達(dá)式與常規(guī)土相同，即初期壓縮量只體現(xiàn)垃圾作為土的特性，隨著垃圾降解率的提高，α持續(xù)增加，降解對沉降的貢獻(xiàn)增加，垃圾的壓縮逐漸顯示生化特性。α的連續(xù)變化可以通過建立降解反應(yīng)模型來推算［2］：

式中：t為垃圾填埋時(shí)間；B0為初始有機(jī)物含量；d0、dm分別為有機(jī)質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)的密度，并假設(shè)其不隨降解變化。

國內(nèi)外學(xué)者也通過主固結(jié)、次固結(jié)以及降解沉降量的疊加求得堆體實(shí)際的沉降量。事實(shí)上，生化降解與壓縮沉降并非界線分明，兩者緊密聯(lián)系并相互作用。一方面，降解過程直接導(dǎo)致孔隙比、自重應(yīng)力、先期固結(jié)壓力及壓縮性的變化，可成為固結(jié)沉降及骨架重整的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，壓縮沉降過程使堆體的水、氣、微生物環(huán)境發(fā)生改變，影響生化反應(yīng)的速率與程度。如加以區(qū)別的研究生化降解與壓縮沉降，則所得階段性的結(jié)果無法描述其間可能的發(fā)展過程，難以掌握堆體具體的狀態(tài)片段，并往往忽略其巖土特性的變化，進(jìn)而無法認(rèn)識(shí)其應(yīng)力歷史。

2 垃圾堆體的應(yīng)力歷史

填埋場上覆垃圾與其下臥垃圾存在進(jìn)場時(shí)間差，處于不同的降解階段，這造成堆體應(yīng)力歷史演化及空間分布的差異。對堆體應(yīng)力歷史開展定性研究，有利于理論上對垃圾土的生化降解與壓縮沉降進(jìn)行統(tǒng)一，有利于掌握其在不同條件下的壓縮性進(jìn)而動(dòng)態(tài)指導(dǎo)填埋作業(yè)。

2.1 應(yīng)力歷史分析的必要性

以常規(guī)土的應(yīng)力歷史觀點(diǎn)來分析垃圾土的壓縮性能，可能損失相關(guān)問題研究的動(dòng)態(tài)性。下面就以超固結(jié)土的壓縮問題為切入點(diǎn)，對垃圾土的壓縮問題進(jìn)行類比檢驗(yàn)。

設(shè)垃圾堆體初始質(zhì)量為m0，因降解造成的遠(yuǎn)期質(zhì)量損失率為q，即認(rèn)為q不再隨時(shí)間增長而顯著提高，遠(yuǎn)期質(zhì)量殘余率為1-q，如第n次等面積、均勻加層的上覆垃圾質(zhì)量控制為m0qn（n≥1），并假設(shè)降解造成的固結(jié)狀態(tài)變化可以忽略，則理論上可使歷次加層引起的有效應(yīng)力增量限制在再壓縮階段，從而降低歷次壓縮沉降量，維持較穩(wěn)定的堆頂高度。根據(jù)等比數(shù)列求和公式，如n較大，累計(jì)最大填埋量近似為m0/（1-q），累計(jì)殘余量仍近似為m0。

對于生活垃圾，能否僅考慮降解造成的質(zhì)量與骨架體積損失進(jìn)而認(rèn)為其可以保持因降解減荷出現(xiàn)的超固結(jié)狀態(tài)，是上述結(jié)論可否成立的關(guān)鍵。因此，有必要對堆體的應(yīng)力歷史進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

2.2 應(yīng)力歷史分析相關(guān)假設(shè)

首先，基于垃圾堆體長期排水、排氣并終將沉降穩(wěn)定這一事實(shí)，認(rèn)為若無加層影響，垃圾堆體在研究周期內(nèi)總體上是欠固結(jié)的；同時(shí)，鑒于堆體在其長期降解過程中質(zhì)量漸輕，認(rèn)為堆體自身降解塌縮致自重沉降的欠固結(jié)效應(yīng)總體上強(qiáng)于降解減荷的超固結(jié)效應(yīng)。即：主壓縮沉降完成后，降解過程中的任意短時(shí)間內(nèi)，盡管堆體自重應(yīng)力隨降解過程減小，但先期固結(jié)壓力減小得更多，堆體因此反復(fù)處于欠固結(jié)-固結(jié)-欠固結(jié)的微循環(huán)之中，總體上呈現(xiàn)欠固結(jié)。因此，就沉降發(fā)生的物理基礎(chǔ)而言，認(rèn)為降解與壓縮是一致的。

此外，填埋庫容充足時(shí)，上覆垃圾的壓縮作用與其隨后的降解減荷過程可充分發(fā)展，則認(rèn)為下臥垃圾層一定時(shí)間內(nèi)處于超固結(jié)狀態(tài)，即：上覆垃圾以及本層垃圾的降解減荷超固結(jié)效應(yīng)一定時(shí)間內(nèi)強(qiáng)于本層垃圾完成壓縮沉降后因降解產(chǎn)生的自重沉降欠固結(jié)效應(yīng)，此強(qiáng)勢隨下臥垃圾填埋時(shí)間增長而愈發(fā)顯著，這與垃圾隨降解漸顯土的特性相符，但同時(shí)認(rèn)為其相對填埋場使用壽命是暫時(shí)的，將隨上覆垃圾降解速率的降低和下臥垃圾降解的發(fā)展而得到扭轉(zhuǎn)。堆體深層因其土的特性強(qiáng)化，由超固結(jié)向欠固結(jié)狀態(tài)的演進(jìn)相對緩慢。

根據(jù)以上假設(shè)，填埋作業(yè)與降解過程中垃圾土的固結(jié)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化，簡單以常規(guī)土加、減荷為依據(jù)進(jìn)行分析所得出的結(jié)論將導(dǎo)致壓縮量計(jì)算與沉降機(jī)理闡釋方面的較大偏差。以上假設(shè)同時(shí)將降解與自重沉降統(tǒng)一起來，為填埋場堆體應(yīng)力歷史的分析提供了前提。

2.3 填埋場堆體應(yīng)力歷史分析

在理想運(yùn)行狀態(tài)下，填埋場相關(guān)設(shè)施排水、導(dǎo)氣功能良好，進(jìn)場垃圾組分均勻，分層填埋，初始?jí)嚎s瞬間完成。根據(jù)前述假設(shè)，區(qū)別填埋場堆高加層作業(yè)的具體條件與時(shí)機(jī)，以典型填埋場邊坡內(nèi)側(cè)堆體為研究對象，以固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)點(diǎn)，結(jié)合垃圾的降解過程及其巖土特性，繪制填埋場應(yīng)力歷史演化示意，如圖2所示。

圖2中CD段、EA段顯示填埋過程中堆體短時(shí)間固結(jié)即向超固結(jié)或欠固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，降解減荷超固結(jié)效應(yīng)與降解塌縮欠固結(jié)效應(yīng)的平衡是短暫的；DBC段、BC段顯示加層作業(yè)對其下臥堆體的附加應(yīng)力影響，但DBC段須經(jīng)歷再壓縮階段，而BC段則無需再壓縮而直接進(jìn)入壓縮階段（3個(gè)月左右［3］），而BC段之前的AB段，堆體會(huì)因降解塌縮產(chǎn)生自重沉降，其間沉降量取決于再次加層時(shí)機(jī)；DE段反映超固結(jié)效應(yīng)逐步被欠固結(jié)效應(yīng)扭轉(zhuǎn)的過程，并關(guān)注下臥堆體由超固結(jié)向欠固結(jié)狀態(tài)演進(jìn)速度的差異，與AB段同為演化過程中主要的用時(shí)環(huán)節(jié)；頂層與邊坡垃圾因其降解作用而總體呈現(xiàn)欠固結(jié)狀態(tài)；EB段對加層時(shí)機(jī)要求苛刻，AF段填埋場須長期停進(jìn)垃圾，故不詳加闡釋。

為描述應(yīng)力歷史與沉降及應(yīng)力的關(guān)系，以圖2中演化路徑及其次輪循環(huán)為對象，繪制堆體內(nèi)側(cè)某垃圾層e-lgP曲線，見圖3。

觀察圖3，垃圾經(jīng)過DB′′段、CB′段長期降解過程后壓縮性均減弱，設(shè)壓縮指數(shù)差異不大，即斜率 kB′′C′′≈kB′C′，則此時(shí)影響壓縮沉降量的主要因素為該層垃圾及其以上堆體自重應(yīng)力的高低，如每次加層于某層下臥垃圾產(chǎn)生的附加應(yīng)力相同，因?qū)?shù)關(guān)系，處于低自重應(yīng)力范圍的橫坐標(biāo)增量ΔP′′（加層）顯著大于高自重應(yīng)力范圍的橫坐標(biāo)增量ΔP′（加層），前者相應(yīng)的縱坐標(biāo)減少量Δe（壓縮）因此大于后者。換言之，加層作業(yè)使靠近堆體頂部垃圾的沉降更大。而參照地基沉降計(jì)算，認(rèn)為底層垃圾經(jīng)10次以上均勻加層后方可忽略其壓縮沉降，即填埋場堆體總厚度在60 m以下時(shí)，采取規(guī)范中允許的最大垃圾層厚度6 m［11］，則封頂作業(yè)仍可影響至庫底，且加層厚度越大，其影響深度越大。

此外，DB′′段、CB′段因降解過程致α升高，根據(jù)公式（2），沉降量將更多受到α項(xiàng)而非1-α項(xiàng)的影響，即骨架體積的縮減是漸強(qiáng)的沉降影響因素而非骨架孔隙比的變化，所以盡管孔隙比增加了Δe（降解），自重應(yīng)力減少ΔP（降解），且前期為超固結(jié)，仍忽略可能的回彈，認(rèn)為堆體表現(xiàn)為沉降。

2.4 堆體應(yīng)力歷史與堆體沉降

因?yàn)槔慕到馓匦裕钥紫侗葹榭v坐標(biāo)無法直接描述沉降與時(shí)間、應(yīng)力的關(guān)系，甚至在沉降發(fā)展過程中，會(huì)出現(xiàn)孔隙比與沉降量增減趨勢相悖的情況。對堆體應(yīng)力歷史的分析，可為垃圾層厚度變化——即沉降的動(dòng)態(tài)分析提供理論依據(jù)。

以時(shí)間和某垃圾層厚度為橫、縱坐標(biāo)，參照圖3的固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)與加層時(shí)機(jī)繪制圖4，時(shí)間起點(diǎn)為該層開始堆填的初始時(shí)刻。為簡明表現(xiàn)層厚隨時(shí)間的變化，清晰顯示該層垃圾的固結(jié)狀態(tài)，假設(shè)歷次加層作業(yè)間存在固定、較長間隔，作業(yè)區(qū)面積大且豎向重疊，垃圾勻速加載且目標(biāo)厚度一定，堆體孔隙較大，固結(jié)迅速。

自 D點(diǎn)狀態(tài)，圖 4 描繪了 DB′′C′′和 DBCB′C′2種可選的后續(xù)填埋路線，并以后者為對象進(jìn)行了應(yīng)力歷史與壓縮類型的劃分。如選擇DB′′C′′段，將在B′′C′′段壓縮沉降前發(fā)生顯著的降解沉降，如選擇DBCB′C′段，加層主固結(jié)完成后仍會(huì)在CB′段出現(xiàn)顯著的降解沉降。此2種選擇對最終沉降影響不大，而對填埋場維護(hù)工作效果的長期保持而言——如本層垃圾上方盲溝，顯然降解穩(wěn)定后再建設(shè)更有利。極端情況下，如填埋場處理量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)能力，須頻繁加層，連續(xù)進(jìn)行DBC循環(huán)，則DB′′、CB′段之類的降解沉降將因其周期長于加層周期而在各垃圾層積累，會(huì)對堆體穩(wěn)定產(chǎn)生長期、顯著的不利影響。此外，填埋早期欠固結(jié)狀態(tài)下的沉降量遠(yuǎn)大于超固結(jié)狀態(tài)的沉降量，前者主要發(fā)生壓縮沉降和自重沉降，后者則為質(zhì)量流失、骨架塌縮引起的降解沉降；具體垃圾層壓縮沉降量也隨填埋時(shí)間的增長和堆體高度的增加而下降，如：ΔH5<ΔH2+ΔH3。

3 相關(guān)討論

1）排除荷載壓縮作用，垃圾孔隙比變化機(jī)理與常規(guī)土不同，并非固體骨架因蠕變重新排列而是因?yàn)榻到庾饔檬估羌苁艿角治g產(chǎn)生新的孔隙，顯然，相關(guān)孔隙比變化所引起的應(yīng)力變化不具備回彈屬性，孔隙比因此不降反升并出現(xiàn)自重塌縮沉降。因此，非壓縮作用情況下，垃圾土孔隙比增加與堆體沉降并不矛盾，而是一致的。所以在圖3與圖4中，兩者的縱坐標(biāo)堆體孔隙比與垃圾層厚度的單調(diào)性在自重沉降欠固結(jié)階段相悖，在壓縮沉降欠固結(jié)階段則是一致的。相悖與一致還反映了降解對骨架體積縮減的沉降貢獻(xiàn)及堆高加層的壓縮貢獻(xiàn)均強(qiáng)于同時(shí)發(fā)生的降解減荷回彈貢獻(xiàn)。

2）附加應(yīng)力、自重應(yīng)力、降解塌縮欠固結(jié)效應(yīng)與降解減荷超固結(jié)效應(yīng)的強(qiáng)弱變化引起了堆體應(yīng)力歷史的演化，對于正常土，一般不存在如此復(fù)雜的過程。事實(shí)上，在定上覆壓力下垃圾層的最終厚度并不受填埋過程影響，而只與垃圾組分和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，也就是說如果來料均勻，填埋場封場高度以下的垃圾收納量為確定值，即庫容、堆體礦化密度之積與最終降解質(zhì)量殘余率之比。這里各種沉降只是大小、快慢、強(qiáng)弱的關(guān)系，詳細(xì)而言，壓縮沉降量大于降解沉降量，具體的壓縮沉降過程顯著快于降解沉降過程，而其衰減也更迅速，長期來看，降解作用決定了堆體的應(yīng)力歷史演化進(jìn)程。需要注意的是，上述結(jié)論基于填埋場使用壽命無限長的前提下。實(shí)際條件下，圖4中DE段理論上存在一點(diǎn)x，此點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻實(shí)施加層作業(yè)可使下臥垃圾層獲得最小的壓縮量，這將有利于作業(yè)期間現(xiàn)場設(shè)施的穩(wěn)定，降低臨時(shí)道路與卸料平臺(tái)的維護(hù)難度。但垃圾土的應(yīng)力歷史是演化的，xy段之中及其后，降解沉降均在發(fā)展，減少的部分壓縮量將在后續(xù)運(yùn)行中表現(xiàn)出來，因此，待降解沉降相對穩(wěn)定后再實(shí)施堆高，即DB′′段歷時(shí)不宜低于1 a，以實(shí)現(xiàn)堆體微生物向內(nèi)源代謝的轉(zhuǎn)變［12］，使下臥垃圾在加層后相對較短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來，有利于相關(guān)維護(hù)工作的切入與進(jìn)度控制。

3）堆高加高是填埋場沉降的外在動(dòng)力，垃圾的壓縮是堆體沉降的主要組成部分。堆體壓縮只在壓縮性能方面受時(shí)間影響，歷次加層造成的壓縮過程可不連續(xù)，垃圾層的壓縮量隨埋深增加而減小，各層垃圾總的壓縮量則隨堆體整體厚度增加而增加。有機(jī)質(zhì)降解是填埋場沉降的內(nèi)在動(dòng)力，堆體的降解沉降隨時(shí)間連續(xù)變化，總體逐漸衰減，垃圾在加層周期長或已封場情況下，其降解沉降是堆體沉降的主要組成部分?？傊?，降解過程因其周期較長而成為影響填埋場穩(wěn)定的決定因素，應(yīng)使其充分發(fā)展，采取規(guī)范壓實(shí)、強(qiáng)化排水、滲瀝液回灌、準(zhǔn)好氧工藝等適宜的加速穩(wěn)定化措施［13-15］，在條件合適時(shí)，易腐敗、降解快速的垃圾宜以堆肥、厭氧消化等方式處理。

4 結(jié)論

1）降解過程貫穿填埋場運(yùn)行管理與封場維護(hù)全過程，決定了堆體應(yīng)力歷史的演化，并使堆體總體上欠固結(jié)，是研究堆體沉降問題的核心。

2）堆體的應(yīng)力歷史動(dòng)態(tài)演化，取決于降解速率、降解程度及堆高加層時(shí)機(jī)，陳垃圾的應(yīng)力歷史演進(jìn)速度減慢，加層則促使應(yīng)力歷史演變。

3）堆體沉降是壓縮作用與降解作用疊加的結(jié)果，本質(zhì)是多孔介質(zhì)的固體骨架因自重或附加應(yīng)力導(dǎo)致的孔隙壓縮以及因降解導(dǎo)致的骨架體積損失，堆體因降解導(dǎo)致的孔隙比增加與其自重沉降現(xiàn)象一致。

4）超固結(jié)階段堆高加層下臥堆體可獲得短時(shí)期較小的沉降量，但并不減少其后的降解沉降，沉降量長期來看是一定的，須權(quán)衡短期較小沉降量與充分降解后長期穩(wěn)定之間的利弊。

5）理想情況，為克服降解沉降的積累，宜低進(jìn)場量、低厚度且大面積攤鋪、壓實(shí)垃圾，而受到惡臭控制、雨污分流的限制，在填埋場具體運(yùn)行中須做好適宜的快速穩(wěn)定化措施。

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