衛生填埋場堆體沉降問題分析

隋繼超，黃少偉，方志成，林京威，朱國強，王鳳俠

(深圳市寶安區垃圾處理總站，廣東深圳518133)

1 引言

目前，衛生填埋仍是我國城市生活垃圾主要的處理方式，而堆體沉降則成為填埋場運行管理必須面對的問題。由于沉降問題關系到填埋場的庫容利用、功能保持與安全穩定，國內外學者針對堆體沉降機理、沉降量計算開展了深入研究［1～3］。本文著眼填埋垃圾的特性變化，對垃圾堆填、固結過程進行了區分具體現場條件的研究，并結合填埋實踐，對堆體沉降影響因素及沉降對填埋場運行的影響進行了分析。

2 堆體沉降機理與計算

2.1 垃圾土特性動態分析

垃圾土具備大孔隙、大顆粒、非飽和、組分復雜、可降解等特點，這決定了垃圾堆體高滲透、高壓縮、進氣值低的巖土特性，具體表現為瞬時沉降與主固結沉降迅速、降解與次固結沉降長期發展、土－水特征曲線存在陡降段等現象［4］。隨著有機質的降解，垃圾土質量減輕，體積縮小，難降解組分比例升高，總體上粒徑減小［5］，壓縮性減弱［6］。

垃圾壓縮性變化見圖1，直線的斜率表示t0至tn期間對應時刻某填埋垃圾土的壓縮指數Cc。隨著降解過程的發展，壓縮指數呈現降低趨勢，但隨著垃圾土礦化程度的提高，當tn達到填埋場穩定周期后，壓縮指數將趨于穩定，體現“土”的特性。

圖1 垃圾堆體壓縮指數隨已填埋時間變化

巖土特性指標隨時間的非線性變化是垃圾土區別于其他土的顯著特征，它取決于有機成份的降解進度，也決定了堆體沉降過程研究與結果計算的復雜性。

2.2 沉降機理與沉降量計算

國內外學者研究認為［1，2］，引起堆體沉降的主要原因是附加應力作用壓縮、垃圾固體骨架重排以及垃圾中有機質降解引起的質量與固相體積損失。堆體沉降可劃分為瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降。瞬時沉降為非飽和土的初始壓縮，一般在填埋作業后即完成，主固結沉降主要反映附加應力、自重應力的壓縮作用，一般歷時3個月左右［3］，次固結沉降包括垃圾固體骨架的蠕變以及降解沉降，而降解過程漫長，可長達25年［7］，是堆體沉降區別于常規土的重要因素，亦是堆體沉降問題研究的重點。

區別一般巖土，同樣假設前提下，依孔隙比變化的垃圾土沉降表達式需引入骨架體積縮減率概念。等式關系為: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時刻的體積、孔隙比和骨架體積縮減率;ΔV、ΔH和Δe分別為垃圾土t時刻的體積變化量、高度變化量和孔隙比變化量。

另設H0為垃圾土初始高度，ΔH為t時刻垃圾土高度變化量，設土體橫截面面積不變，可知垃圾土高度等比于垃圾土體積，則根據式(1)可得出堆體沉降量表達式:

觀察式(2)，發現垃圾土的沉降可根據等式右側部分加號的兩邊明顯劃分為:降解骨架體積縮減量和未降解殘余部分(包括有機質和無機物)壓縮沉降量，這闡釋了堆體沉降的本質:即多孔介質的固體骨架因自重或附加應力導致的孔隙壓縮以及因降解導致的骨架體積損失，沉降是壓縮作用與降解作用疊加的結果。另外，α趨近0時，式(2)與常規土一致，即初期壓縮只體現垃圾作為“土”的特性，隨著垃圾降解率的提高，α增加，降解對沉降的貢獻增加，垃圾壓縮逐漸顯示生化特性。

3 堆體沉降相關影響因素

長期來看，堆體沉降是由垃圾組分及有機質含量所決定的，定上覆壓力下垃圾層最終的穩定厚度與填埋作業過程無關。但填埋場的設計使用壽命有限，尤其后進場垃圾的填埋時間較短，降解過程不充分，這導致堆體的實際沉降過程受到填埋運行維護等諸多因素的影響。

3.1 堆體加高時間間隔

填埋場分層、分單元作業，垃圾堆體堆高加層的周期決定了下臥堆體降解的程度，降解的程度又決定了下臥垃圾層的降解沉降量及其固結狀態和壓縮性。

由于垃圾的降解特性，以孔隙比為縱坐標無法直接描述沉降與時間、應力的關系。因此以時間和某垃圾層厚度為橫縱坐標，根據固結狀態轉換節點與加層時機繪制圖2，時間起點為該層開始堆填的初始時刻。為簡明表現層厚隨時間的變化，清晰顯示該層垃圾的固結狀態，假設歷次加層作業間存在固定、較長間隔，作業區面積大且豎向重疊，垃圾勻速加載且目標厚度一定，堆體孔隙較大，固結迅速。

自A點狀態，圖2中AG曲線描繪了一種后續填埋路線:垃圾填埋至目標厚度H0后，短時間即進行堆高加層，而后經過較長時間間隔后再進行第二次堆高加層。盡管BD段壓縮沉降可在相對短時間內完成，但堆體降解的過程周期較長，壓縮過程中及其后降解沉降均在發展，因此，歷時最長的DF段仍產生了顯著的降解沉降。由于DF段降解沉降的充分發展，FG段再加層壓縮作用實施前和完成后，垃圾層厚度均相對穩定。而極端情況下，如填埋場處理量遠超設計能力，須頻繁加層，連續進行ABCD循環，則DF段之類的降解沉降將在各垃圾層積累，對堆體穩定產生長期、顯著的不利影響。對填埋場維護工作效果的長期保持而言，顯然降解穩定后再組織更有利。

圖2 垃圾層厚度隨填埋運行變化

此外，填埋早期欠固結狀態下的沉降量遠大于超固結狀態的沉降量，前者主要發生自重沉降和壓縮沉降，后者為質量流失、骨架侵蝕塌縮引起的降解沉降;具體垃圾層壓縮沉降量亦隨著填埋時間的增長——即垃圾土壓縮性的減弱、堆體高度的增大——即垃圾層所在深度自重應力的增加而下降，如:ΔH5＜ ΔH2+ ΔH3。

基于填埋場使用壽命無限長的假設，堆體發生的各種類型的沉降只是大小、快慢、早晚的關系，具體而言，壓縮沉降量大于降解沉降量，壓縮沉降過程顯著快于降解沉降過程，其衰減也更迅速。實際條件下，圖2中DE段理論上存在一點x，此點對應的時刻實施堆高加層作業可使下臥垃圾層獲得最小的壓縮量，這將有利于作業期間現場設施的穩定，降低頻繁遭受車輛、機械碾壓的臨時道路與卸料平臺的維護難度。但降解過程在將續發展，x點加層作業之中及其后，相對減少的壓縮量將在后續運行中表現出來，因此，待降解過程進入相對緩慢的內源代謝階段后再實施堆高，即DF段歷時不宜低于1年［8］，可使下臥垃圾在加層后相對較短時間內穩定，有利于相關維護工作的切入與進度控制。

3.2 堆體排水、導氣狀況

堆體的排水與導氣能力影響其固結沉降快慢。對于飽和土，固結程度取決于孔隙水壓力消散程度;而垃圾堆體通常情況屬非飽和土，其降解過程產生氣體，非飽和土固結研究內容包括孔隙氣壓力和孔隙水壓力隨土體變形而變化及隨時間消散的規律。如填埋場用粘土臨時覆蓋而加層時不予清除，滲濾液收集、導氣系統又堵塞，則堆體滲透性的決定因素不再是垃圾孔隙比，而將取決于上述堵塞的程度，滲透系數相比于填埋垃圾可下降103量級［9］，堆體固結過程將大為減緩，其應力歷史演化將中止，保持欠固結的非穩定狀態。此時，如填埋場因結構改變或采取措施使導氣、排水加速，局部壓力迅速釋放，不但會出現不均勻沉降，而且易在堆體內有關界面產生流體壓力差，出現涌水、失穩等風險(參見圖3中間層滯水)。排水厚度顯著影響固結時間，垃圾層上、下均作為導氣、排水面的立體結構較理想，可使排水厚度減半，故采用低垃圾層厚度、每層沉降穩定后在其表面構建連接導氣井的盲溝的方法有利于快速沉降，盲溝、導氣井的功能保持有賴于合理設計與及時維護，可以采取提高坡度、疏通、扶正等措施克服不均勻沉降的不利影響。

堆體內積水影響其沉降量和沉降計算深度。如填埋場浸潤線高度較大，堆體重力將受到浮力抑制，而水位下降時堆體的自重沉降將繼續發展，這既說明了堆體維持低水位的必要性，又表明采取強化降水位措施可能帶來較大沉降，需引起相應重視。沉降計算方面，附加應力與堆體具體深度自重應力之比決定了加層壓縮作用的影響深度，如堆體積水——包括加層附近滯水，則壓縮層計算深度可能增加，即加層影響力與影響范圍會提高，該結論限于隔水層以上，遇庫底防滲層或粘土覆蓋層則其上積水的浮力影響不計(如圖3中自重應力分布)。

圖3 典型填埋場運行與沉降過程關系

3.3 填埋作業與維護

3.3.1 進場垃圾壓實操作

進場垃圾壓實操作包括推土機攤鋪作業及壓實機往復碾壓，屬于低飽和狀態下的剪切壓縮，具有瞬時性。壓實操作在增加目標層厚度垃圾收納量的同時，可將該層預壓至較低孔隙比(可短時期超固結)，有利于克服堆體頂層垃圾后續過大的沉降量。壓實操作亦壓縮了氣體體積，促進氣體排出，提高了垃圾的飽和度與滲透系數，利于其排水固結。壓密后垃圾的降解速度可能因氧氣條件變化而改變，結合填埋作業規范，此種影響不予考慮。根據研究［10］，較小的攤鋪厚度、由低向高壓實操作可取得更好的壓實效果。

3.3.2 雨污分流與滲濾液回灌

雨污分流是填埋場重要的維護工作，可降低滲濾液產量，保障填埋場穩定。如雨污分流效果一般，填埋場排水良好情況下，降水致局部暫態飽和后，堆體表面將出現正的孔隙水壓力，浸潤峰向下擴展，而此種非飽和區的滲流力與重力方向一致，理論上可加速堆體沉降。此外，適宜的飽和度有利于縮短固結時間［11］，有利于微生物主導的降解過程和堆體快速穩定化進程。同理，排水良好情況下，滲濾液回灌對于垃圾降解與堆體沉降都是有利的［12］，但應關注因回灌設施長期設在填埋場固定區域可能引起的不均勻沉降與非垂直滲流對堆體形變的影響。而在填埋場滲濾液收集系統堵塞情況下，堆體入滲水——包括回灌滲濾液不但將提高庫底浸潤線高度，降低填埋堆體抗剪強度，還將因其積存抑制堆體自重沉降，所以，排水不良的填埋場，雨污分流工作尤其重要，回灌工作亦應謹慎。

3.3.3 單獨分區填埋

鑒于生活垃圾組分的復雜，為避免不均勻沉降，理想的填埋場進場物料應破碎混勻。但受相關標準規范［13］，填埋場收納的脫水污泥、飛灰固化砌塊等特殊物質有單獨分區處置要求，根據應力擴散與集中原理，并考慮存在的容重差異，這將不利于填埋場克服不均勻沉降問題。為重點保護填埋場庫底防滲結構及下方基礎，應針對具體物質采取有區別的分區填埋方案，可能發生應力擴散的污泥類軟弱物質可在相對接近庫底的深度處置，但應注意其對滲濾液收集系統的堵塞影響與不均勻沉降，砌塊類可能產生應力集中的強硬物質應遠離填埋場庫底和邊坡堆填。

3.4 橫向擴容與填埋工藝

因堆體處于不同的沉降階段，填埋場的橫向擴容(包括新填埋區啟用)將會在新舊堆體交界部位產生顯著的不均勻沉降，制定填埋計劃時應予考慮，通過監測、生產記錄準確計算、預估舊堆體的沉降量與固結狀態，進而根據新舊堆體未來沉降速度差異以及具體工作任務的計劃合理預設待攤鋪垃圾層厚度。受微生物種類及其代謝類型差異的影響，填埋工藝的選擇亦會影響堆體沉降，如準好氧型填埋場的降解、穩定化速度較快，但其內部微生物種群分布在空間上有所差異，厭氧型填埋場降解沉降相對緩慢，但不易出現因微生物類型分布不均而產生的不均勻沉降。

3.5 氣候類型因素

氣候類型除在水分方面顯著影響堆體降解過程外，溫度條件亦對降解沉降產生顯著影響。我國幅員遼闊，氣候類型多樣，除了垃圾組分存在的顯著差異，氣候類型也是影響填埋場沉降的關鍵因素，總體而言，我國南方高溫、多濕的環境有利于垃圾的快速降解與穩定，雨污分流、惡臭控制以及填埋氣利用工作的難度則相應提高。

4 沉降對填埋場運行影響及對策

填埋運行管理中，堆體沉降及其相關影響不可避免，須給予足夠重視和科學認識，利用其積極作用，限制其負面影響。控制堆高過程下臥堆體沉降、保障加層前下臥降解時間并加速降解進程是沉降管理的重點。

4.1 對填埋場庫容利用的影響

如忽略沉降，將垃圾堆填完成時所占空間視作已消耗庫容，則填埋場單位庫容的收納量將較實際情況顯著降低。因垃圾沉降隨時間發展，填埋場庫容具有了空間和時間兩方面屬性。理論上，填埋場垃圾進場速率應無限小，填埋場使用壽命應無限長，以完成先后進場垃圾的降解過程，更多體現已填垃圾“土”的特性，實現庫容利用最大化;理想情況下，填埋場設計日處理量應保證完成某層垃圾攤鋪壓實至在其上方加層填埋期間，該層垃圾可實現大部分的沉降量。而實際工作中，垃圾進場量往往超過設計處理能力，填埋作業面轉換頻繁，同一投影位置重疊堆高加層間隔較短，降解沉降逐層積累，不但縮短填埋場的設計壽命，降低其實際垃圾收納量，沉降的不利影響亦將加劇。

4.2 對堆體安全的影響

正常情況下，沉降對于堆體安全有其積極作用。堆體邊坡是關系填埋場穩定的重點部位，于邊坡進行放坡處理是保障填埋場安全的重要措施。通常填埋場邊坡坡度控制在1∶3以內，且垃圾層間留有馬道，邊坡穩定性安全系數一般可保障在安全范圍。加層作業時，下臥垃圾層邊坡附近的附加應力系數較小，甚至可以忽略，故盡管荷載面積較大，堆體邊坡處的附加應力影響顯著低于堆體內側，壓縮沉降量亦低于堆體內側。因此，堆體將垂直其等高線產生向其內側逐漸加大的不均勻沉降，邊坡坡度將進一步減小，并有利于強化垃圾土的加筋作用。此外，邊坡長期處于相對高的孔隙比狀態，堆體固結沉降時，有利于填埋氣、孔隙水的水平非側限排泄(圖4)，從而加快固結沉降，但應關注相關滲流沖刷影響并在邊坡臨時覆蓋材料下布設表面導排設施對外滲污水進行截流。

沉降對堆體安全的負面影響體現為堆體內流體對其平衡狀態的破壞。填埋場排水、導氣功能不良時，孔隙氣壓力與超靜孔隙水壓力消散緩慢，新填堆體的重力勢能無法釋放，而其一旦局部、短時釋放易大量涌水以致誘發事故。尤其在滲濾液收集系統堵塞、局部粘土或污泥覆蓋等情況下造成堆體下表面排水不良時，飽和垃圾層可出現呈現梯度的超孔隙水壓力分布，結合堆體固結狀態與附加應力ΔP，此分布有5種典型情況，如圖4。可見，除表層垃圾所屬c情況，其他情況均存在加層后向上排水面涌水的可能，而下臥垃圾層未固結或固結度較低的情況，其水力梯度大，向上排水能力更強，潛在危害更大。因此，d情況相對危險，b情況相對安全，可較快實現超孔隙水壓力的消散。

圖4 堆體加荷超孔隙水壓力初始分布

如附加應力瞬時施加，或上排水面堵塞后突然破壞，堆體孔隙水積聚的壓能將劇烈釋放為滲流的動能，將產生顯著的向上排水面的水頭差及相應的水力梯度，如滲透長度l不小于加層厚度，而后者等于下臥垃圾層厚度h，并認為加層垃圾暫態飽和，則排水面以上的水力梯度 i≤(γsat－ γw)/γw(γsat與 γw分別為加層垃圾飽和重度和水的重度)，也就是說在以上假設前提下，可持續影響堆體表面的滲流力，其大小不超過加載垃圾飽和重度與水的重度之差，滲流力與浮力的合力因此不大于垃圾飽和重度，堆體理論上仍可穩定而不達到使垃圾顆粒漂浮的臨界點。需要注意的是，填埋場單獨填埋爐渣、污泥等細顆粒、高重度物料時，如存在邊坡薄弱部位，出現無側限的非垂直滲流途徑，則滲流力無須克服全部的重力甚至可與之形成合力，可能出現流土、管涌、滑坡等危急情況(圖3)。

另外，如堆體排水不暢，沉降將致浸潤線相對堆頂高度的增加，不利于控制堆體失穩的風險［14］。所以，條件允許時應緩慢堆高加層、設中間導排系統并密切監測邊坡位移。

4.3 對填埋場構筑物的影響

填埋場的構筑物包括垃圾壩、集水井、導氣井、表面排水溝、監測井等剛性構筑物以及臨時道路、卸料平臺、填埋氣管道、盲溝、回灌布水設施、覆蓋層及封場結構等非剛性設施。上述設施均直接受到堆體沉降的影響，不均勻沉降產生的形變與土壓力可使其功能喪失以致填埋場相關結構的損壞。為避免出現道路塌陷、井身傾斜、水流阻滯、覆蓋開裂乃至防滲膜拉裂、壩體垮塌等不良后果，相關設計與運行管理應規避沉降負面影響，有關工作應盡量選擇在堆體穩定后實施或進行預壓處理，并充分利用填埋場大宗物料堆存、大型機械停放等客觀條件。為克服邊坡處不均勻沉降，必要時還可采取卸荷、反壓、重整修坡等措施。

4.4 對填埋作業活動的影響

填埋場作業活動應提前計劃，精確實施，提前對沉降問題進行預估并采取應對措施。填埋作業高度、攤鋪路線、加層厚度應準確測量，嚴格控制，避免被動應對因沉降引起的堆體表面高程變化。垃圾車駕駛員、填埋場工作人員須掌握有關安全操作規定與知識，在指定路線、區域內從事相關活動，卸料指揮、攤鋪壓實作業人員應密切關注堆體形變，防止車輛、機械傾覆等危險發生。雨污分流、氣體收集設施應根據沉降情況隨時維護、調整坡度、保持功能，并對可能因沉降產生的隱患進行排查，重點包括填埋氣管道的狀況、堆體可能滑落的危險物體等。

5 結語

垃圾降解過程貫穿填埋場運行管理與封場維護全過程，是研究沉降問題的核心，填埋場運行維護工作亦對堆體沉降產生過程影響。理想狀態下，填埋場應控制垃圾進場速率，大面積、低厚度攤鋪垃圾，以最大程度利用庫容，抑制沉降不利影響。實際工作中，填埋場垃圾處理量取決于其服務范圍，而受惡臭控制、雨污分流及攤鋪距離限制，作業區面積亦被嚴格控制，沉降問題須采取科學制定填埋計劃、強化排水設施建設維護、限制垃圾層厚度、科學回灌等措施加以合理解決。

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