衛(wèi)生填埋場沉降特性與實例分析

吳曉烽 周明 劉光輝 張明祥

摘 要：衛(wèi)生填埋場在運營過程中會產(chǎn)生顯著沉降。沉降的機理非常復雜，且受到眾多因素影響。文章提出填埋堆體的沉降主要由主沉降和次沉降組成，并給出了沉降量估算公式；結合工程實例分析了新建衛(wèi)生填埋場沉降過程，計算表明，填埋場5個月后總沉降量為2.16m，約為填埋高度的10%。

關鍵詞：衛(wèi)生填埋場；填埋堆體；主沉降；次沉降

1 前言

衛(wèi)生填埋場的運營管理中，沉降是一個重要的問題。填埋場沉降分為填埋堆體（即垃圾土）沉降和地基沉降兩部分。地基沉降會對填埋場底部的防滲系統(tǒng)和地下水導排系統(tǒng)造成重大影響。填埋堆體的沉降將持續(xù)很長時間，它的最終沉降量可以達到初始填埋高度的20%～30%[1]，大部分的堆體沉降是在最初或者早期填埋階段發(fā)生的。因此，從經(jīng)濟角度看，最大限度的提高早期堆體沉降速率及數(shù)量對衛(wèi)生填埋場的管理是可取的；另一方面，從維護角度看，很大的后期沉降也會導致填埋場覆蓋系統(tǒng)表面積水，使土體材料（如壓實黏土）產(chǎn)生裂縫，撕裂土工膜，破壞土工復合排水層等。

衛(wèi)生填埋場的地基沉降可以采用土力學的方法進行研究，本文著重分析衛(wèi)生填埋場運營過程中填埋堆體的沉降特性與計算模型，并結合實例加以解釋。

2 沉降機理

填埋堆體的沉降一般在施加填埋荷載后就會發(fā)生，并且將持續(xù)很長一段時間。沉降的機理非常復雜，主要包括：（1）物理壓縮：由填埋物的自重與所受到的外加荷載引起，包括填埋堆體的密實、彎曲、畸變、破碎和重定向。（2）物理化學變化：因腐蝕、氧化和燃燒作用引起的質變和體積減小。（3）錯動：填埋堆體中的細顆粒物向大孔隙或孔洞中移動。（4）生化分解：因發(fā)酵、腐爛及需氧和厭氧作用引起的質量減少。

衛(wèi)生填埋場內(nèi)發(fā)生的沉降雖然很不規(guī)則，受到眾多因素影響，但是總體來看其沉降過程與有機土的情況較類似。在新一層的垃圾土填埋過程中和結束后的初期，堆體在外力和自重作用下產(chǎn)生壓縮變形并在一段時間內(nèi)達到相對穩(wěn)定；然后，由于堆體骨架的移動變形和生化分解引起的固相體積減少，填埋堆體在很長時間內(nèi)將產(chǎn)生較大沉降。本文定義填埋后短時間內(nèi)產(chǎn)生的沉降為主壓縮沉降，填埋堆體長時間產(chǎn)生的沉降為次壓縮沉降?？梢钥闯?，和傳統(tǒng)土壓縮理論不同，研究填埋堆體的沉降不僅要分析堆體孔隙比的分布與變化，還需討論其固相體積的壓縮遞減規(guī)律。填埋堆體的沉降是時間和應力的雙重函數(shù)。

3 沉降計算方法

填埋堆體的沉降包括主壓縮沉降和長歷時的次壓縮沉降。總沉降量可表示如下式。

總沉降量：？駐H=？駐HC+？駐Ha （1）

其中：？駐H為填埋堆體的總沉降量；？駐HC為主壓縮沉降量；？駐Ha為次壓縮沉降量。

3.1 新衛(wèi)生填埋場填埋堆體的沉降

新衛(wèi)生填埋場填埋堆體的沉降量可用如下式表示。

其中：C'c為修正的主壓縮壓縮指數(shù)，C'c=0.17～0.36；H0為沉降發(fā)生前填埋堆體的初始厚度，單位m；？滓0為填埋堆體受到的前期應力，可假定前期壓實應力為48 kN/m2；？滓1為填埋堆體中間受到的總的覆蓋應力；C'a為修正的次壓縮壓縮指數(shù)，C'a=0.03～0.1；t1為填埋堆體次壓縮開始時間，t1=1個月；t2為填埋堆體次壓縮計算時段的終至時間。

根據(jù)城市固體廢棄物填埋時的壓實效應，假定填埋堆體填鋪時碾壓設備作用于新堆體上的前期壓實應力為48kN/m2，另言之，如果碾壓引起的超固結效應在法向應力小于48kN/m2時是不會產(chǎn)生壓縮的。如今的壓實機具的作用力在900～1300kN之間，會顯著提高前期壓實應力值。

3.2 已填衛(wèi)生填埋場填埋堆體的沉降

下列公式可用于豎向擴建或其它外加荷載引起的已填堆體的沉降計算。

其中：？滓0為作用于填埋堆體層中點的上覆壓力；？駐？滓為豎向增填或其它外加荷載引起的壓力增量；t1為次壓縮沉降開始時間，對豎向增容的工程，假定t1等于已填堆體的年齡；t2為次壓縮計算時段的終至時間；其它同上。

4 實例分析

上海某一新建衛(wèi)生填埋場其填埋過程見表1。假定：填埋堆體的容重？酌堆體=10kN/m3；堆體的初始壓力？滓0=48 kPa；修正的主壓縮指數(shù)C'c=0.25；修正的次壓縮指數(shù)C'a=0.06；次壓縮開始時間t1=1個月。則5個月后的填埋場頂部的總沉降量計算過程如下。

表1 填埋過程中的沉降

每層堆體中點深度（以第1個月為例，，下同）：H0=0.5×3.7+5.5+4.9+3.0+4.3=19.55m。

每層總的覆蓋壓力：？滓1=？酌堆體×H0=10×19.55=195.5kPa。

主沉降：按公式（2）？駐HC=0.25×3.7×log（195.5/48）=0.56m。

次沉降：按公式（3）？駐Ha=0.06×3.7×log（4.5/1）=0.15m。

總沉降：按公式（1）？駐H=0.56+0.15=0.71m。

從上表可以看出，該衛(wèi)生填埋場5個月的總沉降量為2.16m，約為填埋高度的10%。一般地，填埋場沉降計算可延續(xù)到封場后20年[2]。在實際運營中，影響填埋場填埋堆體壓縮性的因素很多，包括堆體的原始容重、壓實程度、覆蓋層壓力、含水率、組分、填埋深度、pH值和溫度等，此外，還與填埋場所處地區(qū)的氣候條件和填埋方式有密切關系。

5 結束語

衛(wèi)生填埋場的沉降量大，持續(xù)時間長，對填埋場的安全管理、規(guī)劃和封場后的再度利用都具有重要影響。

（1）衛(wèi)生填埋場的沉降機理非常復雜，主要包括物理壓縮、生物化學變化、錯動和生化分解。

（2）填埋堆體沉降由主沉降和次沉降共同組成，是時間和應力的雙重函數(shù)。

（3）由于豎向擴建或其它外加荷載等原因，把填埋堆體沉降量的計算公式分為新衛(wèi)生填埋場沉降和已填衛(wèi)生填埋場沉降。

（4）經(jīng)計算，上海某一新建衛(wèi)生填埋場填埋5個月后總沉降量為2.16m，約為填埋高度的10%。

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作者簡介：吳曉烽（1985-），男，籍貫上海市，研究生，主要從事環(huán)境污染控制與治理工作。