（岩土工程专业论文）城市固体废弃物填埋场沉降与稳定分析.pdf

浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 本文在城市固体废弃物填埋场沉降分析中引入了变相性理论分析方 法，并考虑到垃圾土体中的有机物成分的微生物降解作用对垃圾土体 单元体积压缩的影响，推出了一组计算填埋场考虑与不考虑尺寸效应 的沉降计算公式以及长期沉降计算公式。发现因有机物成分的分解作 用变相性沉降计算方法所得的填埋场的沉降量远较直接应用传统土力 学方法进行分析所得的沉降量大，在填埋期间5 0 米高度的填埋场沉降 百分率和填埋增容率可达1 0 0 左右。长期沉降计算公式与国外双曲线 半经验公式进行比较且得到验证。 根据填埋场现场外来雨水入渗情况及垃圾土体内渗滤液的出渗机 理，笔者建立了一个用以求解渗滤液自由面水头曲线的模型并对该模 型进行求解，得到了各种入渗情况下填埋场内的水头曲线，在此基础 之上用r e a m e 程序对填埋场的边坡稳定性进行计算与分析p ，陉现若无 。k 侧向垃圾坝的支挡作用，在垂直入渗强度大于5 0 1 0 c m s 时存在渗 滤液侧向出渗口以下的边坡存在局部失稳的危险性，计算结果对于填 埋场设计与实际工程应用具有实际指导作用与参考价值。卜， 塑垩盔兰堕主兰垡堡兰! 竺! ! s e t t l e m e n ta n ds t a b i l i t ya n a l y s i s0 f m u n i c i p a ls o l i dw a s t el a n d f i l l a b s t r a c t b a s e do nt h ep h a s e - c h a n g e dt h e o r y ，an e wm e t h o do f m u n i c i p a lt o a n a l y z et h es e t t l e m e n to f s o l i dw a s t e ( m s w ) i sp r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h e d e c o m p o s i t i o ne f f e c t s o fm i c r o b ei nm s wo nc o m p r e s s i o no fu n i t s o i l ，a s e r i e so fs e t t l e m e n t - c a l c u l a t i o na n d l o n g - t e r ms e t t l e m e n t - - c a l c u l a t i o nf o r m u l a h a v eb e e nc o n d u c t e dt a k i n ga c c o u n to fs i z ee f f e c ta n dn o n s i z ee f f e c t t h e r e s u l tt h a tc a l c u l a t e dw i t ht h i sf o r m u l ai s f u r t h e r i n gl a r g e rt h a nt h a tw i t h t r a d i t i o n a lm e t h o d t h es e t t l e m e n to ff i f t y - m e t e rh i g hm s wl a n d f i l lw o u l d m o u n tt o f i f t ym e t e r , a n dt h ep e r c e n to fl a n d f i l lv o l u m ei n c r e a s e dw o u l d m o u n tt o 10 0 a ne x a m p l ei s a n a l y z e d ，a n dt h e r e s u l t so ft h ep r e s e n t e d m e t h o da r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h es e m i e x p e r i e n c ea n a l y z e db yh o e 1l i n g t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam o d e l ，w h i c hc a nb eu s e dt o g e tt h er e s u l t so f l e a c h a t ef r e e f a c eh e a d l i n ec u r v ea c c o r d i n gt ot h ew a t e rl e a c h a t i o ni nt h e l a n d f i l l sa n dl e a c h a t i o nr u l eo ft h el i q u i di nt h em s w a t l a s t ，v a r i o u st y p e s o fh e a d l i n ec u r v e sw i t hd i f f e r e n tl e a c h a t i o na r e a c q u i r e d w i t ht h e s l o p e s t a b i l i t ya n a l y s i sp r o g r a m r e a m e f r o mt h er e s u l tw ec a l lf o u n dt h a tt h e s l o pw i t h o u tas u s t a i n i n gd a m w i l lp a r t l yb eo u to f s t a b i l i t yi ft h ep e r m e a t i n g i n t e n s i t yi sl a r g e rt h a n5 0 1 0 c m s t h i sa n a l y s i sr e s u l th a si n s t r u c t i o na n d c o n s u l t i o nt od ow i t he n g i n e e r i n gd e s i g na n d a p p l i c a t i o n 浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 第一章绪论 第一节引言 随着改革开放和市场经济的不断深入，我国经济以每年9 左右的速度在快速 地发展，同时我国的城市化水平也在不断提高。城市规模不断地向空间拓展的同时， 城市入口也在成倍地增长。人们在享受社会进步所带来的目益丰富的物质文明的同 时，也给其所在社会带来其物质消费的副产品，即城市固体废弃物一垃圾。不管人 们主观上是否愿意，这些固体废弃物日渐成为困扰我们城市生活并日趋严重的一个 社会问题。 所谓城市固体废弃物一垃圾，是人类在某一生产力发展水平下对物质的消费必 然会遗留下来的残余物。这些残余物之所以成为垃圾，是因为人们在该阶段的科学 技术与经济水平下，它不具备再次被利用的价值，或者即使人们要再次利用它在经 济是得不偿失的( 孔德坊，1 9 9 9 ) 。因而所谓“废弃物”也是一个相对的概念，今 天的废弃物明天或许就可以得到回收利用，它的涵义将随着科学技术水平的不断发 展而随之改变。 垃圾的产生量的增长几乎是与国家的城市化的进程同步的，一般而言世界各国 的垃圾产生量是以快于其经济增长速度2 - 3 倍速度的平均速度增长。据9 0 年代初 期资料统计( 张澄博，1 9 9 9 ) ，全世界每年的垃圾产生量约为( 8 0 - 1 0 0 ) 1 0 8 吨， 平均年增长速度为8 4 2 ，其中美国每年约产生1 5 1 0 8 吨的城市生活垃圾，h 本每年约产生l x1 0 8 吨的城市生活垃圾。我国虽属发展中国家，目前大中城市的 年固体废弃物的日产生量已达到1 5 亿吨，人均1 5 公斤，并以每年1 0 的速度在 增长，如表l l 、表1 2 所示。其中能够得到无害化处理的尚不足2 。 由于我国的城市卫生基础设施的发展远远滞后于城市的发展，这些得不到无害 化处理的垃圾经常被运到城市的郊区或城乡结合部随便堆放或简单填埋，以至于我 国三分之二的大中城市己处于垃圾的包围之中。这些垃圾不仅占用了大量的良田或 可供开发和利用宝贵国土资源，而且污染着人们赖以生存的土壤、水、大气等环境， 它的渗滤液会污染地下水或附近的民用水源，它排出的有害气体污染了大气环境， 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 更令人担忧的是：它是一个孳生蚊蝇、招引昆虫和传播有害疾病的巨大污染源，直 接威胁着城市居民的健康安全。 我国各主要城市的人均生活垃圾产量( k g d )表1 - 1 钽 上北天深广厦珠福青西沈郑 济武 份海尿津圳州门海卅【岛安阳卅i南汉 1 9 8 】06 7 12 205 204 707 9 07 510 505 2 12 71 】205 109 6 1 9 9 21 0 9 19 214 040 011 416 716 8o8 1l0 708 91 4 6 12 210 7l4 0 1 9 9 810 2l9 61 2 140 0 14 013 519 311 211 308 814 914 0 10 312 7 ， 巨大的城市生活垃圾产生量，给我们的社会造成了沉重的压力，如何去无害化 处理这些威胁居民健康、有碍城市容貌、令人心烦的城市固体废弃物已成为急需我 们去予以解决的时代难题。 杭州市城市生活垃圾产量表1 2 垃圾年产量人口人均垃圾日产量 年份 ( 万吨)( 万人)( 千克) 1 9 9 04 38 91 3 38 90 9 0 1 9 9 14 5 3 91 3 4 9 709 2 1 9 9 24 74 41 3 6 3 00 ，9 5 1 9 9 35 0 ，8 51 3 8 3 3l0 1 1 9 9 45 66 61 4 l2 711 0 1 9 9 56 3 4 71 6 27 9l0 7 1 9 9 66 57 2】6 6 ，7 21 0 8 1 9 9 77 2o o1 6 92 9l1 7 1 9 9 87 7 0 01 7 1 8 912 3 注：1 9 9 0 - 1 9 9 4 年人口为老杭卅f 市区人口 第二节卫生填埋法 一、各种处理方法的比较 对于城市固体废弃物的处理，应本着“资源化、减量化和无害化”的原则进行 浙江大学硬士学位论文 2 0 0 0 即在废弃物的处理过程中应尽可能做到无害于人类生活( 不污染人类的生存环境) ， 并且在处理时应尽可能地对其中可以回收利用的那部分资源进行分捡回收，同时减 少垃圾的处理量。目前我国生活垃圾中可供再利用成分的比重并不是很大，主要是 金属、塑料和各类软、硬包装纸，如果在垃圾的收集初期阶段就实施分类收集的话， 这几类物品的回收再利用是很容易实现的，在这些物品被回收利用之后，所剩下的 绝大多数成分就需进行无害化处理了。 目前国内外较为普遍的城市垃圾无害化处理方法有：堆肥法、焚烧法和填埋法， 这三种方法各有其自身的特点。 1 、堆肥法 即采取一定的工艺方法将垃圾土堆填在某处，利用微生物来分解垃圾土中的有 机成分，将垃圾土中的有机物进行发酵和降解，变成稳定的有机成分，并利用发酵 过程中产生的温度杀死垃圾土中的微生物以达到无害化处理的目的。 显然堆肥法是一种有效的处理城市生活垃圾的思路与方法，但是由于生活垃圾 中所含的有机成分质量比例相对较少，成分又较复杂，其肥效往往不佳，生产出来 的通常是低效肥料，难以被工农业生产所接受，并且其处理费用也较高，是卫生填 埋法的l8 倍，从经济效益分析上看也是极不合算得。另外，因为堆肥法的处理固 体废弃物的周期太长，需占用大量的土地来进行堆放这些废弃物，堆肥时有机成分 因微生物降解作用而产生的含有大量有害物质的渗滤液极容易污染四周环境及地下 与地表水资源，对周边环境的危害极大。在目前阶段，城市生活垃圾的堆肥法处理 方法并不适合于中国的国情。 2 、焚烧法 即将固体废弃物中的可燃成分在焚烧炉中加以焚烧，它是一种较为彻底的处理 固体废弃物的方法。焚烧法既能使填埋的废弃物量大幅度地减少，只需填埋其燃烧 后所余下的灰烬，因而大大延长了废弃物填埋场的使用年限，又可以利用其燃烧所 产生的热能。 但是，由于我国现阶段的城市废弃物中可燃成分的热值普遍较低，大都低于 4 1 2 7 k j k g ，并且含水量普遍偏高，如要使其完全燃烧则需添加辅助燃料，这样就 大大地增加了废弃物的处理成本。另外，其前期设备一次性投资大，运营成本较高， 断江大学硕士学位论文 2 0 0 0 可是其处理垃圾的能力却非常有限，如投资1 6 ，0 0 0 万元所建成的一个垃圾焚烧场， 其日处理废弃物量却只有5 0 0 吨，而象杭州这样一个具有代表性的大城市1 9 9 8 年 其日垃圾产生量就可达到2 ，1 0 0 吨，这样至少需要4 5 个这种规模的焚烧场才能满 足现阶段的城市垃圾处理量的需求。与卫生填埋法相比较，焚烧法的处理费用是高 昂的，一般是卫生填法的2 9 倍，如果从经济效益上分析，焚烧法不是处理城市固 体废弃物的最佳手段。焚烧法会产生大量的有害气体，如二恶英等，如对废气处理 不当必将会对环境造成极大的威胁。从目前世界各地的情况来看，焚烧法只适用于 象日本这样人口高度密集而国土面积却极度匮乏的国家。 3 、卫生填埋法 即环卫部门将所收集的城市垃圾运输到卫生填埋所在地，并将垃圾以每层25 3 米的厚度在日填埋区域内加以摊铺，然后进行机械压密，最终在垃圾土的上部再铺 以1 5 3 0 c m 的粘土层并再次压实，形成一个完整的日填埋垃圾土层单元，一个完 整的卫生填埋场就是由几个到几十个这种日填埋层组成。 在现代的卫生填埋场结构中，一般都包含有渗滤液收集系统、底部防渗衬垫系 统、气体排导系统和顶部覆盖层系统，如图l 一1 所示。底部防渗衬垫系统一般由渗 透系数较小的粘土层或复合土工防渗层构成，起到阻止填埋场中含有有害物质的渗 滤液下渗到地下水中，污染了水环境，而水环境尤其是地下水环境一旦受到污染， 因其自净化能力较差，需经很长一段时间才能得以恢复。渗滤液收集系统既可以有 效地降低填埋场中的渗滤液浸润线自由面水头高度，又有利于底部防渗层的防渗作 图1 1现代卫生填埋场示意图 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 用以及填埋场的稳定性，并将所收集到的填埋场渗滤液输送到污水处理场进行处 理。顶部覆盖层如果能得以压实并工作正常就可以大幅度地降低大气降水在填埋场 中的入渗量，而大气降水入渗对填埋场的渗滤液产生量起着决定性的影响。气体排 导系统可以有效地排出垃圾填埋场中因有机成分的降解而产生的各种有害( 如h 2 s 等) 和可燃性气体( 如c h 4 等) ，如将这些气体加以有效利用则可用以供热、供暖 或用以发电等用途。 与堆肥法和焚烧法相比较，卫生填埋法能单独解决垃圾处理的各种问题，具有 投资成本少，运营费用低、固体废弃物的日处理量大、废弃物的终极化处理程度高 和便于操作实施等优点，是普遍公认的处理城市垃圾的一种既实用又经济的处理方 式，因此在世界各地都得以广泛采用。不管是在发达国家还是发展中国家，目前阶 段卫生填埋法都是处理城市垃圾的最佳选择，如在美国，卫生填埋法所处理的城市 垃圾量约占总垃圾产量的9 5 ，英国约为8 0 ，德国约为6 7 9 ，即使在国土使用 面积极度匮乏的日本，垃圾的卫生填埋率也占到了3 7 1 ( 张澄博1 9 9 9 ) 。 对于我国这样一个发展中国家，各行各业都还处于发展阶段，需要大量的资金 来发展我国的社会生产力，促使社会主义经济能得以全面健康地发展。但是为了使 经济能更健康、更可持续地发展，不能以牺牲下一代入的利益，以破坏环境为代价 来获得经济的发展。 本着经济效益优先的原则，能够充分利用现有有限的资金和资源而又能有效地 处理这些城市固体废弃物，最有效的城市固体废弃物处理方式无疑是卫生填埋法， 城市垃圾卫生填埋法处理的单位成本仅为焚烧法处理费用的3 33 7 ，机械堆肥法 的5 53 2 ，现阶段我国应大力推广城市垃圾处理方法中的卫生填埋法，尤其是最 为经济、合理的一种废弃物处理方式：大规模( 大于1 0 0 0 吨天) 、近距离( 小于5 0 公里) 的卫生填埋方法。 二、卫生填埋场的形式 不同填埋单元之间的相互联系和填埋次序在现代卫生填埋场的设计中十分重 要，根据这些单元的组合形式以及几何外形，一般可以将卫生填埋场的形式划分成 以下四大类( 钱学德1 9 9 5 ) ： 1 、面上堆填 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 填埋过程中只有很小的开挖或不开挖，通常适用于地势比较平坦而且地下水埋 藏比较深，不易影响到填埋场底部的渗滤液收集系统的正常工作的情况。它的可堆 填固体废弃物的高度和体积受到其自然地形的较大制约，一般而言这种填埋场规模 较小，并且其服务年限较短，属于平原类型的城市垃圾填埋场。 2 、地上和地下堆填 填埋场由同时开挖的大的单元双向布置而成，一旦两个相近的单元填起来了， 它们之间的面积也可以被填起来，因此这种类型的填埋场其规模通常较面上堆填类 型的要大，容积也较大，也是属于平原类型的城市垃圾填埋场。 3 、谷地堆填 填埋场利用其所在地的自然地形，如三面环山的谷地及其周边的斜坡，这种由 自然地形及适当的挡掩构筑垃圾坝组成的填埋场，因为垃圾的进场途径通常比较通 畅，在填埋场稳定性许可的前提下，填埋场可以填筑到比较高的高度，因而这种类 型的填埋场可以有较大的垃圾填埋容量。 谷地堆填类型的填埋场一般适合于附近有适宜于堆填垃圾的山地谷地存在的城 市。我国是一个多山的国度，山脉与丘陵分布广泛，因而它也是我国较为常见的一 种垃圾填埋场类型。 4 、挖沟堆填 这种类型的卫生填埋场与地上和地下堆填类型相类似，但由于其填埋单元是由 狭窄的和平行的挖沟组成，因而这种类型的卫生填埋场一般也具有较小的填埋容 量，不为我国各大中城市所常用。 第三节环境土工现状 一、环境土工学科 环境土工学，即运用岩土工程中的有关技术来解决环境工程中的相关问题，它 作为一门新兴的学科，是在近几十年来伴随着因工农业的迅速发展而大量产生的影 响环境的废气、废水和固体废弃物所带来的一系列环境与生态问题而出现和发展 的。 环境土工学是由化学工程学、工程地质学、环境工程学、岩土工程学、水力学、 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 农业工程学、水文地质学、水文学、材料工程学、卫生工程学和土壤学等l l 门学 科交叉而形成，当然其中的主要领域是岩土工程学和环境工程学。现如今，欧美许 多院校内传统的土木工程学系己转变为土木与环境工程学系。1 9 9 5 年2 月，美国 的第一届环境土工会议在新奥尔良举行。该届会议是由美国土木工程师协会的岩土 和环境工程部以及自然科学基金会( a s c eg e o t e c h n i c a la n de n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g d i v i s o n sa n dn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 主办，会议的主要议题是“2 0 0 0 年环境土工”( g e o e n v i r o n m e n t2 0 0 0 ) ，由此可见，未来2 1 世纪将是环境土工蓬勃 发展的世纪。 刚开始时，环境土工学作为土木工程学与环境工程学的交叉学科，仅仅是土木 工程学中的一个小分支。它的诞生与7 0 年代中后期欧美国家的高辐射性核工业污 染垃圾处理息息相关，而在其后发生于美国纽约闻名于世的l o v e 运河污染事件又 大大地推动了环境土工学的发展。直到8 0 年代，因为世界各地大量的垃圾填埋场 的建成，而其所带来的一系列的防止填埋场底部渗滤液下渗、渗滤液的收集和处理、 复合土工膜防渗技术、填埋场的静力和动力稳定性等问题又使环境土工学达到了空 前的繁荣。 二、环境土工学的研究现状 7 0 年代，欧美资本主义社会进入了经济空前大发展阶段，经济发展和人民生活 水平的提高促进了消费，为了处理大量的商业和生活垃圾建立了大量的垃圾处理卫 生填埋场。填埋场的建立产生了一系列的环境与土工问题，对这些问题的研究大大 地推动了环境土工学的发展。 l 、环境土工学研究的复杂性 环境土工学的研究对象为垃圾卫生填埋场中的防渗层、覆盖层以及填埋场中的 垃圾土层，而除了填埋场的顶部覆盖层以外，其余的研究对象都处于地表以下，这 就给研究工作，尤其是现场研究与试验工作带来了难度。 另外，垃圾土是一种高度“复杂土”( 王朝晖1 9 9 9 ) ，从表1 - 3 可以看出，它的 成分具有高度的离散性，因时因地而异。因为不同的地区当地居民的生活水平不同、 消费结构不同、消费方式不同、消费心理不同、乃至人们的供热、取暖方式和所用 的燃料也各有所不同，这就注定了城市生活和商业垃圾的成分必然会因时凶地和因 人而异。比如我国各大中城市中北方以煤燃料为主的城市其垃圾中的炉灰渣含量明 显的比南方以液化气为主体燃料的城市要多，另外我国东部沿海地区城市居民的生 活消费水平比内地城市的要偏高一些，这情况在垃圾中厨余垃圾成分和有机成分含 量中就有所反映。即使是同一个城市，在不同的历史时期因为有着不同的生活水平 和消费水平，垃圾土中各成分含量也必然会发生很大的变化。填埋后的垃圾土因在 填埋场中发生生化降解反应，垃圾土中有机成分含量也必将发生变化，填埋场结构 和填埋方式也或多或少地影响着填埋中的垃圾土的性质。 1 9 8 4 1 9 9 8 年杭州市生活垃圾成份( )表1 - 3 时易腐垃圾无机 杂物 间动物植物物 纸布塑料金属玻璃竹木合计 1 9 8 402 83 99 95 65 7 07 80 ，6 503 304 703 505 831 6 1 9 8 502 7 3 38 26 39 l05 403 902 502 502 6o3 120 0 1 9 8 60 8 3 3 8 4 45 65 01 0 908 006 20 _ 3 809 l04 342 3 1 9 8 708 74 35 25 06 9 l0 809 807 304 6l1 20 4 64 9 2 1 9 8 80 9 34 47 44 95 7l0 20 8 20 6 30 5 41 2 505 042 6 1 9 8 908 24 6 24 82 3 09 60 7 706 405 6l3 105 l42 5 1 9 9 013 04 i _ 3 65 l4 41 1 609 6l0 30 5 912 707 657 3 1 9 9 109 84 61 14 5 4 415 1l 1815 409 014 00 9 474 7 1 9 9 2l5 74 95 84 07 4l7 l11 71 6 806 2l8 709 479 8 1 9 9 3l6 75 023 87 618 016 325 008 4l8 70 9 5 95 9 1 9 9 41 6 7 5 023 87 618 01 6 325 00 8 4l8 709 595 9 1 9 9 51 9 l5 0 5 33 72 51 7 4l1 531 40 8 319 410 198 l 1 9 9 62 ，0 05 32 83 31 71 8 0l5 050 2l1 2l4 203 9 1 l5 1 9 9 72 9 9 5 52 l2 41 43 6 822 37 6 209 820 912 01 78 1 9 9 833 54 91 32 40 349 03 8 01 1 306 7l1 5l6 62 34 8 注：表中资料来源于杭州天子岭废物处理总场( 王朝晖1 9 9 9 ) 2 、国外研究现状 由于环境土工学诞生于欧美，国外对于环境土工学尤其是有关垃圾卫生填埋方 面的研究起步较早，现已经历工艺设计研究阶段、影响评价研究阶段、方法机理研 究阶段、综合模型研究阶段和系统工程研究阶段这五个阶段( 陈岳1 9 9 9 ) ，现己建 立起较为完善的研究机制。 目前国外有关卫生填埋场方面的环境土工研究工作主要集中于有关填埋场垃圾 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 土的静力与动力特性、复合防渗层的防渗机理、渗滤液的处置、污染物的迁移与弥 散以及填埋场的动力响应等方面的研究工作。由于人们日益增加的环保观念以及环 境土工学独特的历史背景，有关卫生填埋场的研究工作现如今己成为土木工程学的 一个研究热点。 3 、我国的研究现状 正如同其他新兴学科，我国( 大陆) 在环境土工方面的研究工作也是起步于改 革开放以后。从8 0 年代中期开始，截止1 9 9 6 年底，国内各有关学术期刊上有关环 境土工方面的文献数量仅4 0 余篇，文献内容主要以城市垃圾处理技术、卫生填埋 工艺以及国外现状、国内展望等文献综述、概论等方面为主。由此可以看出，我国 的环境土工方面的研究工作尚处于起步阶段。 “七五”期间，我国开始在苏州、杭州、青岛、成都和福州等地建立了一批大 型垃圾卫生填埋场。中华人民共和国建设部部颁标准一城市生活垃圾卫生填埋技 术标准。c j j l 7 8 8 己于1 9 8 9 年颁布实行，它把我们的卫生填埋技术引入了法制 的轨道，大大地推动了环境土工研究的进程。 浙江大学岩土工程研究所已经在环境土工方面作出自己的努力，并申请到了有 关固体废弃物填埋技术的三项研究基金( 国家自然科学基金两项，吴世明、陈云敏 等：浙江省科学技术基金一项，陈云敏等) ，并已经有研究生在这方面作了较深入 的研究工作，如俞峰硕士在填埋场污染物弥散方面的研究工作，王朝晖博士在填埋 场垃圾土土工性质方面的研究工作在理论上都达到了一定的广度和深度，具有开拓 性的研究价值，具有较高的理论水平和应用价值。本文将在他们的理论研究与实验 基础之上作进一步的工作。 第四节本文主要工作与内容 环境土工中研究城市垃圾卫生填埋场垃圾土的体积变形和沉降时，传统的做法 是直接运用单元土体的三相体变概念，即不考虑三相体中固相体积的变化，认为卫 生填埋场垃圾土体的沉降仅仅是由于初始孔隙在上覆压力的作用下发生改变而引 起，并据此对填埋场的体积变形、沉降量和体变增容作用作出估计。 笔者认为填埋场垃圾土不同于其他三相土体的一个特点是它具有较高的有机物 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 成分含量，在计算垃圾土的体积变形和沉降时，应予以考虑有机物成分的生物降解 作用对垃圾土的体积变形和沉降的影响，并由此作出填埋场的增容效果估计与最终 沉降量的预测估计。 我国的已建成的城市卫生填埋场有别于欧美国家的一个较大的特点是底部防渗 层的区别，底部防渗层衬垫一般都是由粘土层充当而不是复合土工膜防渗层，甚至 于就是简单地处理一下下卧层土体，许多垃圾填埋场衬垫层之上没有铺设一层粗砂 土以收集渗滤液，因此渗滤液的收集效果普遍不好。由于填埋场的日填埋施工不严 格进行土层覆盖，加上顶部覆盖层的抗拉抗剪强度较差，在较大的竖向沉降量和不 均匀沉降量作用之下，常变得支离破碎，起不到防渗和抗渗的效果，外来雨水入渗 量往往较大的，在雨季和洪水季节若周边排水不通畅时，填埋场底部通常有较高的 渗滤液浸润线水头存在。另外，为了处理所收集的渗滤液，常见的一种方法是将渗 滤液回灌到填埋场之中，这无疑在客观上也抬高了浸润线自由面的水头高度。 较高的浸润线水头的存在，不仅使填埋场土体的容重变大，而且削弱了卫生填 埋场中垃圾土体的抗剪强度，这样将对填埋场的整体与局部稳定性造成极大的威 胁，而填埋场一旦失稳，不仅仅破坏了填埋场的结构，更对周边环境和地下水系统 造成难以挽救的污染，其后果不堪设想。笔者将对各种入渗情况时的填埋场渗滤液 浸润线自由面的水头曲线做出理论上的推导和计算，并由此计算渗滤液浸润线自由 面水头曲线，在此基础上再进行计算和判别填埋场的稳定性，计算结果将可对工程 实践应用起指导作用。 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 第一节概述 对于一个城市固体废弃物卫生填埋场而言，无论该填埋场处于规划阶段、正在 建设中、己建成投入生产使用阶段或己填埋完毕并覆盖封顶阶段，对填埋场在填埋 过程中间发生或即将发生的沉降、不均匀沉降量和覆盖封顶以后将发生的最终沉降 量进行必要的研究、计算和估计有着重要的意义。 城市固体废弃物它不同于传统岩土工程上所研究的土体，具有高度的复杂性。 这种复杂性不仅仅是指它的组成成分复杂，是由众多成分杂乱无章地混合而成，并 且这种垃圾土在填埋时通常具有较大的初始孔隙比，即使在经过机械设备的碾压密 实之后。垃圾土的这种独特的土工性质就决定了其在填埋之后，在上部竖向自重荷 载应力的作用之下必将产生较大的孔隙比变化量，因而垃圾土体在填埋后的工后沉 降量和不均匀沉降量是非常可观的。 填埋场在施工过程中或完工后，如果发生较大的竖向沉降量和不均匀沉降量， 就将对填埋场内的结构设施的安全性造成极大的威胁，容易导致内部各种防渗层发 生撕裂或破坏，变得支离破碎、残缺不全，容易导致用以排出填埋场内部的生化反 应所产生的各种气体的管网发生断裂破坏，容易导致顶部覆盖层产生裂缝，使其对 外来雨水的防渗抗渗效果会大打折扣乃至完全失效。因此，有必要对填埋场的沉降 量和不均匀沉降作出计算和估计，并采取必要的措施，如适当的填埋顺序、不同区 域采用不同的目填埋厚度、不同的碾压厚度等方法来减少填埋场的沉降量，尤其是 不均匀沉降量。 第二节填埋场沉降分析的必要性 一、沉降分析的必要性 为了充分利用国家宝贵的国土资源，在填埋场覆盖封顶以后其所在地经常被重 新开发，较为常见的几种利用方式为： 1 、经绿化后开辟为公园、游乐场等娱乐场所； 2 、作为建立体育场馆、高尔夫球场和足球场等运动场所 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 3 、作为建立停车场、机场、商店以及不是非常重要的仓库等公用与民用设施 场所。 由于填埋场垃圾土中含有大量可生物降解的有机成分，因此在填埋场顶部覆盖 封顶以后，由于土骨架的蠕变和有机成分的生物降解，在很长的一段时间内，填埋 场中将有较大的次固结沉降存在，并且次固结沉降量可能还比较大。填埋场的这种 独特的沉降特性，将大大地影响了覆盖封顶后的填埋场的使用。 较大的工后沉降和不均匀沉降的存在，将大大地妨碍了填埋场覆盖封顶后的场 地重新利用，在设施建成后，轻则使地表出现坑坑洼洼，使刚性或柔性路面产生沉 降裂缝，影响了各种设施的使用效果：重则威胁到建立于填埋场之上的设施与建筑 物的结构稳定性，需进行结构或下部基础的加固与处理，可能使填埋场场地的重新 开发利用在效益上变得非常不经济。所有这些不利影响因素无疑大大地妨碍了场地 的再开发与再利用，因此必须对填埋场的沉降与不均匀沉降量作出应有的计算与估 计。 随着经济的发展，人民生活水平的不断提高，城市规模的不断扩大，人均日垃 圾产生量和城市的垃圾产生量都在飞速地增长，而填埋场在规划时对今后的日填埋 量和填埋场容量往往难以作出较为精确的估计，从而导致填埋场的容量设计得不是 偏小就是偏大。这样填埋场运营到中后期时，不是因填埋场的容量设计得过小而面 临越来越大的垃圾处理压力，就是填埋的容量设计得过大造成场地和资金的较大浪 费。如果在填埋场规划设计时就对日后将产生的沉降作出估算，填埋场因为工后沉 降而产生的自身增容效果进行分析，这样对填埋场的规划与设计将会有很大的帮 助。 当固体废弃物填埋场的工后沉降与不均匀沉降过大时，将对逐层铺设渗滤液收 集系统造成巨大的影响，严重时常可导致收集渗滤液的管道发生扭曲变形、堵塞乃 至断裂，我国众多的城市垃圾卫生填埋场常因这种原因导致渗滤液收集系统失效。 当渗滤液收集系统发生失效时，填埋场内的渗滤液容易发生淤积，以致浸润线自由 面的水头偏高，而填埋场内存在较高的浸润线水头高度对其自身的稳定性又是非常 不利的。由此可见，填埋场的工后沉降与不均匀沉降将间接地威胁着填埋场的稳定 性。因此我们有必要对填埋场的工后沉降与不均匀沉降作出适当的估算，从而在垃 浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 圾的填埋过程中可以采取适当的措施来消除或减少垃圾土体在填埋后的沉降与不均 匀沉降量。 二、填埋场有机物降解对沉降影响 在计算城市固体废弃物填埋场的工后沉降和不均匀沉降量时，国内外的通常的 做法是将传统土力学中的土体压缩理论应用于垃圾土，即认为土体的沉降是因为单 元土体的孔隙体积发生变化引起的，而不予以考虑因土体单元中的固相体积发生变 化而导致土体沉降。 填埋场垃圾土体的总沉降量可由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降这三部分 组成。其中由于竖向应力作用而产生的瞬时沉降、主固结沉降( 两者合称为“主沉 降”) 的绝大部分将在填埋后或施加上覆土层压力之后的最初、二月内完成，而 在此后的漫长的时间里产生的沉降量主要是由因有机物的微生物降解而产生的沉降 和因土骨架的蠕动变形产生的沉降量则两部分组成，称之为次固结沉降。而在次固 结沉降变形中，又以垃圾土中可分解有机物成分的微生物降解作用而产生的变形占 绝对优势地位，若忽略这部分对工后沉降的影响，将对沉降量与不均匀沉降量计算 造成极大的误差。 下面结合某填埋场的现场实际测量p z 曲线，对影响填埋场垃圾土体的沉降与 不均匀沉降量计算的因素进行分析。传统土力学中的沉降量计算是利用p z 曲线来 进行计算的，而计算时所用的p z 曲线中的e 值对应的是填埋场在土体某深度处的 现场实际测量e 。值，因为在进行土的三相指标实验时，该土体经过主沉降变形之后 又经过了有机物的微生物降解作用，因而该土体单元三相图中的固相体积已经发生 e i z ( p ) m ( k p a ) 图2 1填埋场垃圾土体的e 吨0 ) 曲线图 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 01 4 了不同程度的改变，不同深度处的e 。值对应的e 一曲线实际上是不同的p z 曲线， 如图2 1 所示。 也就是说，由填埋场现场实测所得的p z 曲线实际上是由对应于不同的e z ( p p ) 曲线上的不同深度处的e ；点的连线形成的。假定不同深度处的垃圾土有着 相同的初始三相比指标，但是由于不同深度处的填埋场垃圾土体所经历的有机成分 微生物降解过程不同，有着不同的微生物降解时间，从而不同深度处的垃圾土体有 着不同的有机物微生物降解率 。在有机成分的微生物降解过程中，土体单元三相 体中的固相的体积已发生了变化，从而导致计算填埋场垃圾土体的沉降变形时不同 深度处的最对应着实际上是不同的e o 值。 如果忽略了这点，认为这些不同深处上的点是位于同一p z 曲线上，它们有着 相同的e 。值，继而运用传统的土力学方法对填埋场的沉降与不均匀沉降量、以及填 埋场的增容效果进行分析，得出的结果势必会具有较大的误差。因此在填埋场的沉 降与不均匀沉降量、以及填埋场的增容效果分析时，应予以考虑填埋场垃圾土体因 其所含有的有机成分的微生物降解作用所造成的对沉降量计算的影响。 第三节垃圾士中有机物成分的分解 、城市生活垃圾中的有机物成分 随着经济的发展和人民生活水平的日益提高，人们的消费结构和消费方式发生 了巨大变化，从而城市垃圾的成分也发生了相应的改变。 一方面，在我国城市垃圾中占很大比重的厨余垃圾中煤灰渣含量发生了巨大变 化。在1 9 9 0 年以前，包括杭州在内我国绝大多数城市，不管是南方还是北方的城 市，城市生活垃圾中的一半成分是灰土，而这些灰土的成分以煤灰渣为主。8 0 年 代末9 0 年代初，我国城市居民开始接触液化石油气，液化气的使用方便快捷和经 济实用特性使其迅速进入了千万百姓的日常生活当中，目前我国的绝大多数的城 市，尤其是南方和东部沿海的绝大多数城市已彻底告别了小煤炉。相应地城市生活 垃圾中的灰土含量也迅速地减少，以浙江省会城市杭州为例，由于液化气和管道煤 气的推广1 9 9 8 年城市生活垃圾中的灰土含量已经减少至7 2 4 ，而且其大部分还 是建筑垃圾，并且这种减少的趋势还在继续。 浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 另一方面，由于人们的消费结构和消费方式的变化，现在许多家庭已经摒弃了 吃隔天菜的习惯，不光如此，每天的餐桌上还讲究营养平衡，要进行荤素菜肴的搭 配。这样，每天所丢弃的剩饭剩菜、菜叶菜根、动物内脏等厨余垃圾就越来越多， 因而城市生活垃圾中的可微生物降解的有机成分就日益增加，现阶段我国各大中城 市送去卫生填埋的生活垃圾中的有机物含量普遍很高，达到4 0 5 0 。即使在卫生 填埋场中的有机物含量也普遍可达2 0 4 0 ，如表2 1 、图2 - 2 所示。 我国部分城市的生活垃圾中的有机物含量表2 1 城市有机质含量( )无机质含量( )废品率( ) 上海3 8 7 85 3 9 372 9 - 北京 4 0 7 25 2 0 87 2 0 天津5 2 0 8 3 64 6 1 14 6 武汉 】7 4 57 76 14 9 4 广州2 8 4 06 50 066 0 哈尔滨 2 6 7 56 96 33 6 2 西安 2 36 47 20 04 3 6 贵阳1 36 78 2 4 239 l 深圳 6 lo o2 20 01 70 0 呼和浩特 63 08 04 41 3 2 6 一 辎 太 衄 制 珞 10 - 1515 2 02 0 2 52 5 3 0 3 0 3 53 5 4 04 0 4 5 4 5 5 0 有机质含量( ) 图2 - 2有机质含量频率直方图 由表2 一l 可以看出，我国各大中城市因其所处的地方区域的不同、能源结构的 差异、消费水平有高有低、消费方式的千差万别，因而城市固体废弃物填埋场中的 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 有机成分含量也差别很大。在我国经济较发达的南方和东部沿海城市，明显地城市 生活垃圾中的有机成分含量也高些，而内地和经济发展水平较低的城市其生活垃圾 中的有机物含量也就低些，而以煤灰渣为主要成分的无机物成分含量明显地偏高。 对于我国沿海和南方各大中城市而言，其城市卫生填埋场垃圾土中的有机物含量普 遍介于2 5 - 4 5 之间。 浙江大学岩土工程研究所( 1 9 9 8 年) 曾对杭州某城市卫生填埋场的垃圾土成分 进行分析，得到了可降解有机物成分含量如图2 2 所示，最大值为4 6 3 ，最小值 为1 2l ，大多落在2 0 - 4 0 之间，并且有机物含量随深度有减少的趋势。 二、填埋场中有机成分的降解 在城市垃圾卫生填埋场中，发生着极其复杂的生物化学作用，不过归根结底从 化学反应的本质而言不外乎物质成分的分解和结合，破坏分解现有的化学物质成 分，产生适合于当时环境生化条件的新的物质( 孔德坊，1 9 9 9 ) 。 卫生填埋场内的生化反应一旦发生就会改变填埋场中的环境条件，尤其是其中 的p h 值和e h 值，而且在长期的、不同的物质的不同作用下，会导致填埋场中的 环境条件在时间和空间上发生不断的变化；反过来，环境条件的变化又会相应地改 变填埋场内生化反应的方向和进程。在卫生填埋场中，纯粹的化学作用是比较缓慢 的，但是在城市卫生填埋场独特的小环境中，因为这种小环境条件极适于多种微生 物的孽生，由于微生物其自身的新陈代谢和繁衍的需求，大大地加速了固体废弃物 填埋场这个巨大的培养基中的可降解有机物成分的生物降解和新物质的化学合成的 速度。据研究资料表明，填埋场内有机物成分的生化降解作用可以几十倍乃至几百 倍地加速场内的化学反应进程。 有机物的生化降解作用，指的是有机成分化合物在其不适合于长期存在的环境 里，由大分子分解为小分子，小分子分解为更小的分子乃至h ：o 、c o ：、n h ，等无 机分子和分子量减少过程的各种作用的总称。在卫生填埋场这个巨大的生化反应堆 里，生化降解作用是极其常见的，它自城市生活垃圾填埋入卫生填埋场开始，一直 延续到填埋场封顶投入再使用后的很长一段时间，这个过程需要3 0 5 0 年才可以彻 底地完成。 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 1 7 在城市卫生填埋场中孽生的微生物种类繁多，可达上百乃至上千上万种，可将 它们分为以下主要7 种( 孔德坊，1 9 9 9 ) ： 、亚硝化细菌和硝化细菌：属于好氧性细菌，它们分别能够先后将氨氧化成 为亚硝酸，直至硝酸。 、排硫杆菌：属于好氧性细菌，能够将硫化物和硫氧化，从而生成硫酸盐和 硫酸等物质。 、铁细菌：属于好氧性细菌，能够将亚铁氧化物氧化成为含水高价缺氧化合 物，从而发生沉淀。 、反硫化细菌：属于一种厌氧性细菌，能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐，直至 还原为氮分子。 、脱氮硫杆菌：属于一种厌氧性细菌，能够使硝酸盐脱氮并使硫氧化，以及 使硝酸盐还原为亚硝酸盐，进而产生氮气。 、硫酸盐还原细菌：属于一种厌氧性细菌，能够将硫酸盐等还原，从而产生 硫化氢等物质。 、甲烷细菌：属于一种厌氧性细菌，能够在无氧条件下利用氢还原c o ，或 者发酵乙酸或甲醇从而产生甲烷。 上述7 类微生物又可划分为好氧性细菌和厌氧性细菌两大类，它们似乎难以在 同一个填埋场垃圾填埋体中并存，然而事实并非人们所想象的那样。对于一个庞大 的垃圾填埋体而言，方面，由于垃圾土或填土料的成分、压密程度的不同，导致 了填埋体结构的不均匀性，从而可能造成适合于好氧性细菌和厌氧性细菌生存的截 然不同的两大类局部填埋体环境；另一方面，一个城市生活垃圾填埋体是由长期的 日填埋积累而成( 垃圾填埋场的使用年限至少为5 l o 年) ，因而在不同的深度上， 由于堆放时间和上覆盖成( 垃圾层和填土层) 厚度的不同，也会造成适宜于两类微 生物生存的差异环境。 城市卫生填埋场中的有机质生物降解过程可分为四个阶段，即兼性好氧阶段、 厌氧甲烷不稳定阶段、厌氧甲烷稳定阶段和厌氧递减阶段( 王朝晖，1 9 9 9 ) 。每个 阶段是根据有机物厌氧性生物降解和好氧性生物降解反应所占的优势的不同来区分 的。 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 在有氧环境和无氧环境下，有机物成分经历截然不同的生化降解过程，其生化 降解生成物同样的也是截然不同的( j a m e sc sl u 等1 9 8 5 ) 。卫生填埋场内有机物 质的分解与填埋场中的微生物的种类和数量、p h 值、温度、湿度、供氧量、物质 成分、固体废弃物颗粒的大小、有机物的成分以及混合物的混合程度等因素密切相 关。 有氧阶段： 有机物+ 氧+ 好氧性细菌水+ 二氧化碳+ 酸+ 无机物质 ( p 0 4 3 ，s 0 4 2 ，n 0 3 ，n h 3 等) 无氧阶段： 有机物+ 氧+ 厌氧性细菌水+ 氨气+ 小有机物+ 二氧化碳+ 甲烷 + 无机物质 在卫生