衛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：衛生填埋場在運營過程中會產生顯著沉降。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：衛生填埋場；填埋堆體；主沉降；次沉降

1 前言

衛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和地下水導排系統造成重大影響。填埋堆體的沉降將持續很長時間，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生的。因此，從經濟角度看，最大限度的提高早期堆體沉降速率及數量對衛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表面積水，使土體材料（如壓實黏土）產生裂縫，撕裂土工膜，破壞土工復合排水層等。

衛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生，并且將持續很長一段時間。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：因發酵、腐爛及需氧和厭氧作用引起的質量減少。

衛生填埋場內發生的沉降雖然很不規則，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生壓縮變形并在一段時間內達到相對穩定；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將產生較大沉降。本文定義填埋后短時間內產生的沉降為主壓縮沉降，填埋堆體長時間產生的沉降為次壓縮沉降。可以看出，和傳統土壓縮理論不同，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律。填埋堆體的沉降是時間和應力的雙重函數。

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 新衛生填埋場填埋堆體的沉降

新衛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，C'c=0.17～0.36；H0為沉降發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，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C'c=0.25；修正的次壓縮指數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的氣候條件和填埋方式有密切關系。

5 結束語

衛生填埋場的沉降量大，持續時間長，對填埋場的安全管理、規劃和封場后的再度利用都具有重要影響。

（1）衛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。

（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生填埋場沉降和已填衛生填埋場沉降。

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

參考文獻

[1]錢學德，施建勇，劉曉東.現代衛生填埋場的設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]胡敏云，陳云敏.城市生活垃圾填埋場沉降分析與計算[J].土木工程學報，2001，34（6）：88-92.

[3]李穎，郭愛軍.城市生活垃圾衛生填埋場設計指南[M].北京：中國環境科學出版社，2005.

[4]陳云敏，柯瀚.城市固體廢棄物的壓縮性及填埋場容量分析[J].環境科學學報，2003，23（5）：694-698.

[5]王艷明，張乾飛.老填埋場豎向加高擴容工程的沉降計算與分析[J].環境工程，2007，25（4）：59-62.

[6]呂健萍.生活垃圾衛生填埋場工程總體設計探討[J].環境衛生工程，2012，20（3）：15-19.

[7]李志斌，徐超，盧耀如，等.現代生活垃圾衛生填埋場的研究現狀及存在的問題[J].環境工程，2005，23（4）：60～64.

[8]葉建忠，周健.垃圾填埋場設計中的穩定分析問題[J].工業建筑，2005，35（增刊）：735～738.

[9]劉榮，施建勇，彭功勛.垃圾土力學性質的室內試驗研究[J].巖土力學，2005，26（1）：108～112.

[10]中華人民共和國行業標準.CJJ17-2004.生活垃圾衛生填埋技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.

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