垃圾沉降对竖向堆高的垃圾填埋场的影响及处理方法设计.pdf

垃圾沉降对竖向堆高的垃圾填埋场的影响 及处理方法设计 耿 震 蒋岚岚 无锡市政设计研究院有限公司, 江苏 无锡 214072 摘要 对垃圾体的沉降机理进行分析, 结合竖向堆高设计的无锡市桃花山垃圾填埋场扩建工程设计实例, 介绍了对该 工程基础即原工程垃圾体的沉降量计算和基础沉降危害的处理方法。 关键词 垃圾填埋场;竖向堆高; 沉降;处理方法 THE INFLUENCE OF GARBAGE FOUNDATION SETTLEMENT ON VERTICAL PILE OF REFUSE LANDFILL AND DESIGN OF TREATMENT Geng Zhen Jiang Lanlan Wuxi Municipal Design Institute Co. , Ltd. , Wuxi 214072, China Abstract Based on the analysis of garbage settlement mechanism and according to the vertical pile design example of enlargement projectin Taohuashan landfill in Wuxi, it was introduced the computation of project foundation, namely the garbage subsidence quantity of the original project and the measures for treating foundation settlement harm. Keywordsrefuse landfill; vertical pile; settlement; treatment 0 引言 无锡市桃花山生活垃圾卫生填埋场建于 20世纪 90 年代初,设计库容 462 万 m 3 , 目前即将达到设计使 用年限。由于受地形特点的限制, 无锡市符合山谷型 垃圾填埋场选址条件的地方基本都已被占用 ,另一方 面,由于无锡土地资源紧缺 ,选择合适的场址进行平 地型填埋非常困难 。经综合比较分析后决定于原址 建设桃花山生活垃圾卫生填埋场扩建工程。 垃圾填埋场位于无锡市区西部桃花山山谷内 ,谷 底30 m标高处为现状道路。原工程主要填埋区域为 桃花山山谷东半侧, 西自距谷底现状道路约40 m, 南 自30 m标高垃圾坝向东北方向放坡,逐层向上堆填垃 圾,填埋至80 m标高,原工程填埋区域共分 3 个平台 扩建库区填埋范围西至桃花山100 m等高线, 南自 30 m垃圾坝放坡向北逐层填埋至100 m平台 ,北自垭 口处新建的60 m垃圾坝放坡向南逐层填埋至100 m平 台。为此 ,扩建工程的西侧填埋库区将位于现状山体 之上 ,而东侧填埋库区将位于原工程垃圾堆体之上。 即扩建工程将在原工程基础上实施竖向堆高填埋 。 1 填埋场的沉降机理及影响因素 填埋场的沉降包括填埋场地基沉降和垃圾填埋 体沉降两部分。 填埋场地基沉降对填埋场底部防渗系统有重要 影响 ; 而垃圾填埋体的沉降分析对填埋场的封顶系统 设计和估算场地最终填埋容量都是十分重要的,而且 对填埋场竖向扩容设计和填埋场封顶后的使用规划 也是十分必要的 。 由于扩建工程是在原工程堆体之上实施竖向堆 高,因此,扩建工程地基的沉降实则为原工程垃圾填 埋体的沉降 。垃圾填埋体 即垃圾土 的成分复杂 ,结 构不稳定, 具有很高的压缩性, 因此在服务期内和封 顶后都会产生大幅度的沉降, 且在填埋场封顶后, 填 埋体的沉降将持续 20～ 30 年,甚至更长时间。 生活垃圾填埋体的沉降变形机理十分复杂,主要 包括 在外力和垃圾土逐层填埋的自重作用下, 垃圾 土的骨架结构重新调整, 细小的颗粒被挤进较大的孔 隙中 ,孔隙体积被压缩; 填埋场内发生的物理 、 化学变 化及生物分解作用 ,如腐蚀 、 发酵及有机物的厌氧和 101 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 好氧分解等,引起垃圾土中固相物质体积的缩减。 [ 1-2] 垃圾填埋后短时间内产生的沉降称为主沉降,垃圾 体蠕变调整产生的沉降称为次沉降,固相体积缩减引起 的沉降为有机物分解沉降。由此可见,与传统的土压缩 理论不同,研究垃圾填埋体沉降既要分析垃圾土的孔隙 比变化与分布, 还须探求其固相体积的收缩递减规律。 垃圾填埋体的沉降是应力和时间的双重函数。 [ 3 -6] 影响填埋场沉降的因素有 最初的压实程度; 垃 圾的性质和降解情况 ; 被压实垃圾产生的固结作用; 最终覆盖层的高度。 2 垃圾填埋场沉降对工程建设的影响 垃圾填埋场运行以后发生的沉降对扩建工程建 设有很大的影响 。 垃圾堆体沉降虽然可以增大填埋场的库容,但是 对于堆体的稳定性和场地再利用的实施却有着不利 的影响。 在扩建工程中, 垃圾填埋场沉降的危害主要表现 为以下几点 1 原工程垃圾堆体的不均匀沉降对建设于其上 的扩建工程防渗系统可能存在的破坏作用,即原工程 垃圾体沉降可能会使原工程中含有的尖锐物体垃圾 刺穿其上的扩建工程土工膜等防渗材料; 同时 ,垃圾 堆体的不均匀沉降可能会使防渗材料发生撕裂。 2 原工程垃圾堆体的整体沉降对设于原状地基上 的终端锚固沟处的防渗层可能存在破坏作用 ,即原工 程垃圾体整体沉降使得锚固沟处的防渗层土工材料受 到的拉应力大于锚固沟对防渗层的拉力时,防渗层将 从锚固沟脱落 ; 如果防渗层土工材料受到的拉应力大 于土工材料的屈服拉应力时,防渗层将失去防渗性能 直至被拉断 ;同时,原工程垃圾体整体沉降使锚固沟处 的防渗层土工材料受到的原状地基对其造成的剪应力 大于土工材料的屈服剪应力时,土工材料将断裂。 3 垃圾填埋场沉降量的计算 3. 1 计算方法 [ 2-3] 在垃圾填埋过程中垃圾土是分层填埋和压实的, 则不同深度处的垃圾土承受着相应的自重荷载,也对 应于不同的填埋时间 。可以采用分层法计算填埋体 沉降 ,如图 1 所示 。 1 将填埋场沿深度方向分为若干层, 分层厚度应 根据垃圾的实际填埋情况而定 。 2 根据垃圾体的沉降特点 , 每层垃圾土的沉降 Si可用式 1 表示 a 填埋场沉降模型; b第 i 单元压缩示意。 图 1 填埋计算的分层法示意 SiSi1Si2Si11Si12Si2 1 式 1 中, Si1为孔隙比减小引起的沉降, 它由主 沉降 Si11和次沉降 Si12组成 ,计算时假设垃圾土的固 相体积保持不变; Si2为由有机物分解引起的沉降。 计算公式分别为式 2 、 式 3 、 式 4 。 Si11H0iC′ clg σ0iΔσi σ0i H0iC′clg γ Zi γ1. 0 H0iC′clgZi 2 Si12H0iC′alg ti t0 3 Si2α iH0i 1 e0 1 -e - 0. 235ti B0/ d0 1 -B0 / dmB0/ d0 H0i 1 e0 4 式中 H0i 第 i 层垃圾土的初始填埋高度 ,m ; C′ c 垃圾土的修正主压缩指数,C′c 0. 28; σ0i 垃圾土的初始填埋压力, kN m 2 。根据 国内的情况,各垃圾层的 σ0i可统一取 为埋深 1 m 处的自重应力 ; Δσi 第 i 层垃圾土的自重应力增量,kN m 2 ; Zi 第 i 层垃圾土的填埋深度 ,m; γ 垃圾土的初始填埋密度, 可假定各层 垃圾 土 的γ值 相 同, 一 般 γ 8. 0 kg m 3 ; C′a 垃圾土的修正次压缩指数,C′a 0. 15; ti, t0 第 i 层垃圾土的填埋时间和计算次压 缩的起始时间。取 t05 年, 即垃圾 土填埋时间5年时,不计次沉降 ; α i 第 i 层垃圾土固相体积缩减率 , ; 102 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 e0 垃圾土初始孔隙比 。 3 计算各层垃圾土的体积缩减量 ΔVi, 见式 5 。 ΔViSi Ai 5 式中 Ai 第 i 层垃圾土的填埋面积,m 2 。 4 计算垃圾填埋体的体积总缩减量, 见式 6 。 ΔV ∑ΔVi 6 根据填埋场地的地形和尺寸即可计算填埋体的 沉降量。 3. 2 原工程堆体沉降量计算 计算时以相近城市的垃圾成分和性能指标为参 考,见表 1。 表 1 垃圾土的特征参数 有机物初始 质量分数 B0/ 初始密度 γ kgm- 3 初始孔隙 比 e0 修正主压缩 指数 C′a 修正次压缩 指数 C ′a 408. 04. 00. 280 . 15 分别在原工程库区 40, 50 ,70 m平台处各取 6 个 点,计算每个点的已沉降量, 并预测未来沉降量。各 点位置如图2 所示。 图 2 沉降量计算点平面布置 根据 CJJ17 - 2004生活垃圾卫生填埋技术规范 的相关规定,填埋堆体达到稳定安全期后方可进行土 地使用。一般, 生活垃圾填埋场封场30 年后, 即可达 到稳定期 。计算过程将预测 30年后的各计算点的垃 圾堆体沉降量 30 年后的埋深以平台平均埋深计 。 每个平台上各点计算沉降量的平均值详见表 2。 由以上计算结果可知 1 垃圾堆体主沉降过程在垃圾填埋后的 1～ 2 年 内完成,而后,主沉降量与时间无关 ,而随埋深增大而 增大 。 2 次沉降量随时间的增长将逐渐增大 ,是影响垃 圾填埋场沉降的主要因素 。 表 2 各平台计算平均沉降量一览表 原工程 平台 计算时间 主沉降 量 m 次沉降 量 m 分解沉降 量 m 总沉降 量 m 30 m 50 m 70 m 目前计算沉降量0. 560. 290. 441 . 29 预测 30 年后沉降量2. 340. 730. 483 . 55 目前计算沉降量3. 390. 511. 215 . 11 预测 30 年后沉降量6. 542. 051. 4110 . 0 目前计算沉降量2. 9200. 563 . 48 预测 30 年后沉降量3. 051. 721. 275 . 88 3 分解沉降量随时间的增长而增大将趋于定值,根 据计算,填埋10年后,分解沉降量变化将趋于稳定。 4 30 m 平台是原工程最先填埋的平台 , 也是扩 建工程最先实施的库区基底 , 计算自原工程填埋以 来,已沉降1. 29 m ,预计 30 年后, 总沉降量为3. 55 m。 主要是因为其上扩建工程垃圾的填埋使得该层垃圾 埋深增大而造成的主沉降增大较多 。 5 50 m平台计算自填埋以来, 已沉降5. 11 m ; 预 计30 年后 ,总沉降量为10 m。主要也是因为其上扩 建工程垃圾的填埋使得该层垃圾埋深增大而造成的 主沉降增大较多 。 6 70 m平台计算自填埋以来 ,已沉降3 . 48 m; 预计 30年后 ,总沉降量为5. 88 m。主要是因为该平台为近 2 年填埋的垃圾堆体,其目前的次沉降和有机物分解沉 降量较小。而扩建工程在此平台上堆填垃圾高度较 小,因此该平台的沉降以次沉降和分解沉降为主。 4 垃圾填埋场沉降的处理对策 对于场地的原工程垃圾层 ,主沉降量是埋深即堆 积于其上的垃圾自重量的函数,并且本工程中, 主沉降 量占未来原工程垃圾沉降量的大部分。次沉降量是时 间的函数,随时间增长而增大。次沉降量主要是垃圾 体蠕变调整而产生,是垃圾沉降必须考虑的因素。分 解沉降主要发生在垃圾填埋10年内 ,10年后垃圾分解 沉降量将趋于 0。扩建工程大部的库区基底位于原工 程30 m和50 m平台 , 其垃圾填埋均已超过 10 年 。因 此,分解沉降不会对扩建工程产生不利影响。 工程中 ,对于原工程垃圾体主沉降和次沉降引起 的垃圾堆体整体沉降和不均匀沉降 ,设计采用下列方 法消除或减少其所造成的危害 。 1 使用符合设计要求的土工防渗材料。扩建工 程防渗系 统的防渗 主体为 1. 5 mm 厚 HDPE 土工 膜 4 800 g m 2GCL 1. 0 mmHDPE 土工膜。 垃圾填埋场用防渗 HDPE 土工膜的屈服延伸率 103 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 可达 13～ 16, 断裂延伸率为 700～ 800,GCL 一般能变形到抵抗 15的张应变而不会导致其水力 渗透系数的大幅度提高。 在保证垃圾堆体及防渗层稳定性的前提下,防渗 层锚固点高差可达 10 ～ 15 m , 材料屈服延伸率以 13计,则基底沉降量为 1. 3～ 1. 95 m范围内, 防渗层 防渗效果基本不受沉降的影响 。 2 采用合理的地基动力加固方法处理地基,以减 少后期整体沉降量, 并减少基底陷空区面积。 设计要求扩建工程的基础需清基回土压实,密实 度需不小于90,可以减小后期的基础整体沉降量 。 3 采用土工合成产品以减少不均匀沉降产生的危 害。双向土工格栅对于防止地基的不均匀沉降具有良 好的效果,双向土工格栅是由高品质的聚合物通过特 别的挤压和双向拉伸技术制造的产品 ,具有较高的拉 伸模量和抗拉强度,对土石料有很好的侧限能力,同时 具有较高的长期设计强度和耐久性,其较高的张力和 侧向限制可形成荷载分布平台提高其承载力。 本工程设计, 在扩建工程防渗层下设置双向土工 格栅,以减小垃圾体基础不均匀沉降对防渗层的破坏。 同时, 在原工程垃圾堆体顶部打设塑料排水板, 以加快原工程垃圾堆体在扩建工程垃圾荷载作用下 的固结排水效果 ,改善原工程垃圾堆体内的渗沥液导 排途经。塑料排水板作为原工程渗沥液导排通道 ,将 深入原工程渗沥液安全浸润线以下 ,同时顶部接入一 定厚度的碎石导排层 兼作原库区渗沥液横向排水 层 。原工程垃圾堆体固结后所排出的渗沥液沿塑料 排水板竖向排放至碎石导排层 ,通过原工程渗沥液收 集系统,最后导排至原污水池 。打设塑料排水板可以 加速扩建工程基础的固结排水作用 ,从而加速基础的 稳定 ,减小基础沉降的不利影响。 4 通过地形修整, 设置“人造土丘”, 并结合锚固 沟的合理布置以减少整体沉降的破坏性 。垃圾基底 整体沉降对防渗层的破坏主要表现在原状地基锚固 沟处 ,防渗层的拉脱或撕裂。通过地形修整 ,可以很 好的解决这个问题。 同时, 由于填埋时间的不同, 先填埋的库区沉降 要早于后填埋的库区, 这样 ,由于时间不同造成的库 区不均匀沉降量将会很大 。通过合理设置锚固沟的 位置 ,可以解决这个难题 。 防渗锚固沟一般设置于边坡的坡脚和坡顶处。 设计将坡顶锚固沟设置于每层平台中部位置。设计 此类锚固沟与其下端的坡脚锚固沟之间的长度不小 于沉降后两锚固沟之间的长度 , 这样, 由于填埋时间 不同造成的不均匀沉降对防渗层的危害将有较大程 度地缩短。 “人造土丘”主要设置在同一平台两个锚固沟之 间。土丘高度应按公式 7 计算 。 h S11S12S2-Δh 7 式中 h 人造土丘高度 ; S11 主沉降量 ; S12 次沉降量 ; S2 分解沉降量; Δh 碾压夯实地基后的基础下沉量。 通过合理布置锚固沟结合修整基底地形 ,设置土 丘,即可减小乃至消除整体沉降对防渗层的破坏。 5 结语 国内 20 世纪 90 年代建设的垃圾卫生填埋场一 般均采用垂直帷幕灌浆防渗 , 目前多已达到设计年 限。由于土地资源的紧张 ,填埋场的扩建工程很多是 在原工程基础上实施竖向堆高。而在原垃圾体上按 新的规范要求设计扩建工程的防渗系统 ,必须考虑基 础即原工程垃圾堆体的沉降对扩建工程的不利影响。 无锡市桃花山垃圾填埋场扩建工程的设计,通过 对原工程垃圾堆体的沉降进行预测和分析,并提出了 相应的处理对策 ,对于国内同类垃圾填埋场的设计具 有一定的借鉴意义。本工程目前已竣工投入运行 。 参考文献 [ 1] Koerner RM, Soong T Y. 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