填埋場(chǎng)封場(chǎng)土地沉降特性分析與模擬研究

袁文祥 ，陳善平 ，邰 俊 ，施至理 ，宋立杰 ，李元元

（1.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司，上海 200232；2.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，上海 200232）

填埋場(chǎng)堆體沉降是伴隨著垃圾降解、水分滲透和空隙壓縮而產(chǎn)生的土力學(xué)現(xiàn)象，而沉降將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，一般要持續(xù)25 a以上，其最終沉降量可達(dá)初始填埋高度的25%～50%[1]。填埋場(chǎng)封場(chǎng)后的較大沉降往往會(huì)產(chǎn)生一些不利影響，容易導(dǎo)致填埋場(chǎng)埋設(shè)的管道系統(tǒng)和襯墊系統(tǒng)遭到破壞或失效。堆體表面沉降作為表征填埋場(chǎng)穩(wěn)定化進(jìn)程的重要宏觀指標(biāo)[2]，一定程度上可反映填埋場(chǎng)穩(wěn)定化程度，并指導(dǎo)場(chǎng)地的綜合利用。因此，開(kāi)展堆體表面沉降規(guī)律的研究可為填埋場(chǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供重要依據(jù)，并為封場(chǎng)后的土地再利用提供重要參考[3－4]。

1 表面沉降監(jiān)測(cè)方案

本表面沉降監(jiān)測(cè)方案主要是在老港一至三期49#填埋單元（垃圾體形成約10 a）斷面實(shí)施，采用沉降板觀測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中：沉降板由底板和金屬測(cè)桿垂直焊接而成；底板采用400 mm×400 mm的鋼板，厚度不小于6 mm，埋入垃圾堆體深度約為50 cm；測(cè)桿則采用Φ30 mm×5 mm鍍鋅鐵管，高出堆載體頂面的長(zhǎng)度不小于0.4 m；同時(shí)為加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，測(cè)點(diǎn)外套PVC套管。本次在監(jiān)測(cè)單元布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)9點(diǎn)（沿49#單元體長(zhǎng)邊方向均布），從2011年8月11日開(kāi)始，監(jiān)測(cè)頻率為2次/月，持續(xù)觀測(cè)時(shí)間447 d。地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖1～2。

圖1 表面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置剖面

圖2 49#填埋單元監(jiān)測(cè)平面布點(diǎn)

2 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖3可以看出，垃圾堆體的沉降趨勢(shì)明顯，目前仍在發(fā)展之中，監(jiān)測(cè)期內(nèi)其最大地表沉降量為86.10 mm，平均沉降量為77.62 mm，沉降速率約為 0.174 mm/d（6.3 cm/a）。其中 SO2和SO9沉降量相對(duì)較大，主要由于該區(qū)域垃圾堆載體堆載高度大，即這部分區(qū)域的加荷較大?？梢?jiàn)，目前垃圾堆體尚未完全穩(wěn)定，預(yù)計(jì)沉降仍將持續(xù)一段時(shí)間。

圖3 填埋單元沉降監(jiān)測(cè)曲線

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果模擬

3.1 模擬參數(shù)的選取

垃圾體堆載過(guò)程中，由于自身重力，對(duì)土體產(chǎn)生豎向荷載，使土體產(chǎn)生壓縮變形，堆載產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散較慢，土體固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，垃圾體形成后，繼續(xù)產(chǎn)生一定的沉降量，另外，垃圾體自身的降解也會(huì)產(chǎn)生一定的沉降量。為更好對(duì)垃圾堆體沉降發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演分析，引入有限元數(shù)值進(jìn)行模擬分析。

模型建立：沿垃圾體南北方向做一剖面，進(jìn)行二維有限元分析，垃圾體分上下2個(gè)部分，下部高約6 m，寬約370 m，坡度約1∶3；上部高約4 m，寬約300 m，坡度約1∶7。土體模型深度取50 m，寬度取1 170 m，因模型為左右對(duì)稱，故取模型的1/2進(jìn)行分析。

模型分析：根據(jù)沉降產(chǎn)生的原理及過(guò)程，采用Hardening－Soil（硬化塑性模型）模型進(jìn)行分析計(jì)算，模擬垃圾體下部2 a堆載完成，上部1 a堆載完成，采用固結(jié)計(jì)算模式，模擬垃圾體形成后隨孔隙水消散、土體固結(jié)的過(guò)程。計(jì)算參數(shù)的選取由勘察資料及課題組前期研究的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，如表1所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖4為垃圾體形成后表面沉降隨時(shí)間變化的曲線，表2為垃圾體形成后每年的沉降量。

表1 有限元計(jì)算參數(shù)

圖4 垃圾體表面沉降量隨時(shí)間變化曲線

表2 垃圾體形成后每年的沉降量

由計(jì)算結(jié)果可知，垃圾體表面的最終沉降量約為122 cm，垃圾體堆載過(guò)程中產(chǎn)生沉降約64 cm，垃圾體形成后自身固結(jié)產(chǎn)生沉降約58 cm。每年的沉降量隨著時(shí)間的推移逐漸減少，第15年沉降量約為0.6 cm，以后土體固結(jié)基本完成，不再產(chǎn)生新的沉降。目前，垃圾體已經(jīng)固結(jié)了10 a左右，計(jì)算得出第10年的沉降量約3.1 cm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相符。從沉降曲線收斂趨勢(shì)判斷，未來(lái)5 a內(nèi)還將有約7.9 cm沉降，堆體沉降基本處于1～5 cm/a區(qū)間，基本滿足GB/T 25179—2010填埋場(chǎng)場(chǎng)地穩(wěn)定化利用的判定要求中一般倉(cāng)儲(chǔ)或工業(yè)廠房等高度利用方式對(duì)堆體沉降穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)論

1）對(duì)于已填埋10 a的垃圾堆體，其沉降趨勢(shì)明顯，其最大表面沉降量為86.10 mm，平均沉降量為77.62 mm，沉降速率約為0.174 mm/d。

2）模型預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)堆體最終沉降量約為122 cm，未來(lái)5 a內(nèi)還將有約7.9 cm沉降，基本滿足一般倉(cāng)儲(chǔ)或工業(yè)廠房等高度利用方式對(duì)堆體沉降穩(wěn)定性的要求。

[1]Stearns R.Settlement and gas control：Two key post-closure concerns[J].Waste Age，1987，18 （3）：55-60.

[2]劉娟，劉建國(guó)，李睿，等.表面沉降對(duì)填埋場(chǎng)加速穩(wěn)定化進(jìn)程的宏觀

表征[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2011，31（10）：1738-1742.

[3]謝強(qiáng)，張永興，張建華.生活垃圾填埋過(guò)程中的沉降分析與計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2010，31（7）：123-128.

[4]徐曉兵，詹良通，陳云敏，等.城市生活垃圾填埋場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)與分析[J].巖土力學(xué)，2011，32（12）：3721-3727.