垃圾填埋過程中的沉降分析與計(jì)算

王 萍

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司重慶分公司， 重慶 401147）

0 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，居民生活消費(fèi)水平不斷提高，城市垃圾的增長非常迅速。鑒于我國垃圾有機(jī)成分低、無機(jī)成分高、含水率高、可回收利用的廢品少等成分特點(diǎn)，垃圾填埋仍然是目前我國處理生活垃圾最常用的方法。在城市垃圾填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中，對(duì)于垃圾堆體沉降的合理預(yù)測(cè)是一個(gè)重要問題，不僅可以增加填埋場(chǎng)庫容，還能避免因沉降導(dǎo)致填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)、氣體收集裝置、滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)發(fā)生破壞。因此，本文基于理論實(shí)踐，對(duì)垃圾填埋過程中的沉降和計(jì)算做了如下分析。

1 填埋場(chǎng)固體廢棄物沉降機(jī)理

相關(guān)調(diào)查研究表明，垃圾填埋過程中發(fā)生沉降變形的機(jī)理非常復(fù)雜，主要包括以下兩個(gè)方面是因素：第一，外力和垃圾土填埋土自重的作用下，會(huì)導(dǎo)致垃圾土的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生重新調(diào)整，導(dǎo)致一些細(xì)小的垃圾顆粒被擠進(jìn)較大的孔隙中，使得孔隙體積被逐漸壓縮；第二，在垃圾填埋場(chǎng)中發(fā)生一系列物化反應(yīng)和分解作用，比如：腐蝕、發(fā)酵、好氧分解等，從而導(dǎo)致垃圾土中的固相體積發(fā)生縮小，從而引發(fā)沉降變形現(xiàn)象。

垃圾填埋時(shí)所發(fā)生的沉降原理和一般的土沉降不同，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。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)成份的降解進(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。在新一層垃圾土填埋和填埋結(jié)束以后的短時(shí)間中，填埋的垃圾重力和外力作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的形變，并基本趨于穩(wěn)定。此后，垃圾的骨架發(fā)生蠕變變形，從而減少固相體積。而填埋體在較長的一段時(shí)間中，繼續(xù)發(fā)展不均勻沉降。在具體研究中，把垃圾填埋后短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的不均勻沉降稱為主沉降，把垃圾蠕變調(diào)整而引發(fā)沉降稱為次沉降，固體體積縮減引發(fā)的沉降稱之為有機(jī)物分解沉降。

2 垃圾填埋過程中沉降的計(jì)算方法

當(dāng)前國內(nèi)填埋場(chǎng)沉降計(jì)算一般采用分層總和法計(jì)算，填埋堆體的沉降包括主壓縮沉降和長歷時(shí)的次壓縮沉降，垃圾堆體壓縮量按下式計(jì)算：

式中：S為填埋堆體的總沉降量；

n為垃圾分層總數(shù)，分層厚度宜為2m-5m，堆體內(nèi)浸潤面應(yīng)作為分層界面；為第i層垃圾的主壓縮沉降量；為第i層垃圾的次壓縮沉降量。

1）主壓縮沉降量：為第i層垃圾填埋時(shí)的初始厚度；

e1為在1000kpa壓力下垃圾孔隙比，宜為0.8～1.2，有機(jī)質(zhì)含量高的垃圾取高值；為初始孔隙比，可采用下式計(jì)算；

為垃圾初始含水率；為垃圾平均顆粒比重，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可為1.3-2.2，有機(jī)質(zhì)含量高、降解程度低的垃圾取低值；

為水容重；為填埋垃圾初始容重，壓實(shí)程度不良宜為5kN/m3-7 kN/m3; 壓實(shí)程度中等宜為7kN/m3-9 kN/m3; 壓實(shí)程度良好宜為9kN/m3-12 kN/m3。

2）次壓縮沉降量：

垃圾次壓縮量應(yīng)采用應(yīng)力-降解壓縮模型或Sowers次壓縮模型計(jì)算。

C為降解壓縮速率（1/月），宜取 0.005/月-0.015/月，有機(jī)質(zhì)含量高的垃圾及適應(yīng)降解環(huán)境取高值；

ti為第i層垃圾的填埋齡期。

這種分層總和法的好處在于能很好的區(qū)分各層上覆應(yīng)力的不同，底部垃圾體的上覆應(yīng)力要明顯大于偏頂部的垃圾體，對(duì)于主壓縮計(jì)算的精度有很大的提高。同時(shí)對(duì)于一些大型的填埋場(chǎng)其運(yùn)營周期很長，因此不同深度垃圾的齡期相差很大，采用分層總和法可以區(qū)分出各深度垃圾的齡期從而可以提高次壓縮沉降的計(jì)算精度。在計(jì)算填埋場(chǎng)擴(kuò)容率和運(yùn)營年限時(shí)，填埋場(chǎng)的堆填過程對(duì)垃圾堆體的沉降影響很大，如果能很好的模擬填埋場(chǎng)的堆填過程對(duì)填埋場(chǎng)的主壓縮計(jì)算將會(huì)很有幫助。

3 案例分析

重慶某典型山谷型垃圾填埋場(chǎng)，填埋庫區(qū)面積約570畝，設(shè)計(jì)庫容約1400萬m3，設(shè)計(jì)服務(wù)年限20年，設(shè)計(jì)日處理能力1500噸/天，高峰期日處理垃圾約3000t/d，項(xiàng)目總投資約4.87億元。其中A區(qū)面積約為11 ㎡萬 ，占總面積的32%，填入垃圾總量約為348萬t，占總填埋量的33%，平均填埋深度約為27m， A區(qū)截面尺寸如下圖，圖中的數(shù)字順序即表示場(chǎng)內(nèi)垃圾的填埋順序。每個(gè)垃圾塊的填埋期為1個(gè)月，每個(gè)垃圾塊厚度 H0=6m，固體廢棄物容重γwaste=11kN/m3，固體廢棄物的初始?jí)毫Ζ?=48kN/ m2，修正主壓縮指數(shù)C'C=0.26, 修正次壓縮指數(shù)C'α=0.07，次壓縮開始時(shí)間t1=1個(gè)月

每點(diǎn)估算沉降總值見下表：

沉降點(diǎn) 主壓縮沉降（m） 次壓縮沉降（m） 估算總沉降（m）A 0 0 0 B 1.33 0.24 1.57 C 4.79 1.62 6.41 D 9.96 3.35 13.31 E 8.06 2.86 10.92 F 2.39 0.83 3.22 G 0 0 0

由這個(gè)算例可以看出，固體廢棄物的沉降比粘土的沉降更大更迅速，且在填埋時(shí)期就能產(chǎn)生很大的沉降量，為填埋場(chǎng)經(jīng)營者提供了一個(gè)重要的提高垃圾處理能力的機(jī)會(huì)。

4 垃圾填埋過程中沉降控制措施和計(jì)算參數(shù)的確定

通過上述分析可以看出，影響垃圾填埋沉降量和壓縮系數(shù)的因素有很多，包括：垃圾土的原始容重、壓實(shí)程度、覆蓋層的自重壓力、填埋過程中垃圾的含水量、填埋深度等。同時(shí)和填埋場(chǎng)所地區(qū)的氣候條件以及填埋的方式也有直接關(guān)系，在具體填埋過程中，為最大限度上提升垃圾填埋場(chǎng)地的利用率，降低不均勻沉降的影響，可以采用以下幾種方法來控制沉降量：

第一種，進(jìn)行科學(xué)合理的分卻填埋，比如：可根據(jù)滲濾液控制的之際需求，把填埋單元?jiǎng)澐譃橐砸荒隇榛鶞?zhǔn)的填埋量。

第二種，對(duì)填埋的垃圾進(jìn)行分層壓實(shí)，通過大噸位的壓實(shí)機(jī)械對(duì)均鋪設(shè)垃圾土層進(jìn)行全面碾壓，以便最大限度上降低垃圾填埋的初始孔隙比，而垃圾填埋時(shí)的初始容重盡量控制在8kN/m 。

第三種，可采用加速有機(jī)物分解的方法來加速垃圾填埋沉降，促使垃圾填埋盡快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

在進(jìn)行垃圾填埋沉降分析過程中，必須科學(xué)合理的選擇主壓縮和次壓縮指數(shù)，并正確描述有機(jī)物的分解情況，從而垃圾填埋過程中的沉降分析提供真實(shí)有效是數(shù)據(jù)支撐。通過還要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況和并模擬現(xiàn)場(chǎng)條件。以便更加精確的確定孔隙比隨著時(shí)間變化和應(yīng)力變化的具體情況。