卫生填埋场垃圾堆体应力历史研究

2012-10-16隋继超黄少伟方志成林京威朱国强王凤侠

环境卫生工程 2012年6期

隋继超，黄少伟，方志成，林京威，朱国强，王凤侠

（深圳市宝安区垃圾处理总站，广东深圳 518133）

垃圾卫生填埋工艺及生活垃圾特性决定了垃圾堆体沉降问题的必然性。由于沉降问题及其发展关系填埋场库容利用、功能保持与安全稳定，相关研究的开展与应对措施的实施在填埋场运行管理中居于重要位置，为此，国内外学者针对堆体沉降机理、沉降量计算开展了深入研究［1－4］。笔者着眼于生活垃圾岩土特性的变化，引入“降解塌缩－欠固结效应”概念对垃圾堆填、固结过程进行区分具体现场条件的研究，归纳了垃圾堆体应力历史的演化，并就其现实指导意义进行了讨论。

1 垃圾土特性与沉降计算

1.1 堆体岩土特性动态分析

填埋场中垃圾土具备大孔隙、大颗粒、非饱和、组分复杂、可降解等特点，这决定了垃圾堆体高渗透、高压缩、进气值低的岩土特性，具体表现为瞬时沉降与主固结沉降迅速、降解与次固结沉降长期发展、土－水特征曲线存在陡降段等现象［5］。随着有机质的降解，垃圾土质量减轻，体积缩小，难降解组分比例升高，总体上粒径减小［6］，压缩性减弱［7］。填埋场沉降过程可达25 a，累计沉降量可达初始填埋高度的25%～50%［8］。

不同于一般土层所受的缓慢剥蚀、沉积作用，填埋堆体短时期可经历多次、快速的堆高加层过程，由此产生的压缩作用使堆体孔隙比显著降低；降解过程中垃圾土粒径减小，骨架受到侵蚀产生新的孔隙，垃圾比表面积增大，因此认为排除压缩作用影响后，堆体孔隙比因降解而有所提高［9］。

堆体孔隙比在压缩与降解2种作用的叠加下变化，总体来说，随着填埋时间增长，垃圾层所受上覆压力增大，降解作用减弱，其孔隙比沿纵向变小。国内相关检测表明，堆体孔隙比由表层4降至深层1.5，初始密度由 0.79 g/cm3增至 1.25 g/cm3［10］。

垃圾堆体孔隙比随堆高作业变化情况如图1。为区分显示各种沉降类型所在阶段，假定填埋场排水良好，加荷均匀、连续且加荷后迅速固结。t0为某层垃圾填埋的初始时刻，t1……tn为该层作为下卧堆体在其上方开始第1次……第n次加层的各时刻，反映了该层垃圾由堆体表层向深层演变的过程。图中t0至t1段曲线反映该层垃圾自重沉降与次固结过程，tn至tn+1段（n≥1）曲线反映第n次加层后该层垃圾受上覆垃圾压力作用再压缩、压缩的过程及次固结过程。随着填埋时间延长，附加应力与自重应力比近似等于1/n，逐层减小，垃圾压缩性也减弱，故历次加层引起的再压缩、压缩沉降呈减小趋势，降解作用的衰减也使其对孔隙比影响减弱。因此，等比于初始压缩系数、再压缩系数的辅助直线 l0至 ln、l′1至 l′n的斜率依次减小，降解引起的孔隙比抬升幅度也逐渐减小。另外，观察忽略降解影响的虚曲线，认为填埋初期虚、实曲线差异明显，而后期两者变化已愈发趋同。

综上，岩土特性指标随时间的非线性变化是垃圾土区别于其他土的显著特征，它取决于有机成分的降解进度，也决定了堆体沉降过程研究与结果计算的复杂性。

1.2 堆体沉降一般表达式

区别于一般岩土，同样假设前提下，依孔隙比变化的垃圾土沉降表达式需引入骨架体积缩减率概念。建立的等式关系为：1-骨架体积缩减率=降解后骨架体积/初始骨架体积，即：

式中：V0、e0分别为垃圾土初始体积与初始孔隙比；V1、e1和α分别为垃圾土填埋后t时刻的体积、孔隙比和骨架体积缩减率；△V、△H和△e分别为垃圾土t时刻的体积变化量、高度变化量和孔隙比变化量。

另设H0为垃圾土初始高度，△H为t时刻垃圾土高度变化量，A为土体横截面面积，可知，则根据公式（1）可得出堆体沉降量表达式：

观察公式（2），发现垃圾土的沉降可根据等式右侧部分加号的两边明显划分为降解骨架体积缩减量和未降解残余部分（包括有机质和无机物质）压缩沉降量。其中α趋近0时，压缩沉降量的表达式与常规土相同，即初期压缩量只体现垃圾作为土的特性，随着垃圾降解率的提高，α持续增加，降解对沉降的贡献增加，垃圾的压缩逐渐显示生化特性。α的连续变化可以通过建立降解反应模型来推算［2］：

式中：t为垃圾填埋时间；B0为初始有机物含量；d0、dm分别为有机质和无机物质的密度，并假设其不随降解变化。

国内外学者也通过主固结、次固结以及降解沉降量的叠加求得堆体实际的沉降量。事实上，生化降解与压缩沉降并非界线分明，两者紧密联系并相互作用。一方面，降解过程直接导致孔隙比、自重应力、先期固结压力及压缩性的变化，可成为固结沉降及骨架重整的驱动力；另一方面，压缩沉降过程使堆体的水、气、微生物环境发生改变，影响生化反应的速率与程度。如加以区别的研究生化降解与压缩沉降，则所得阶段性的结果无法描述其间可能的发展过程，难以掌握堆体具体的状态片段，并往往忽略其岩土特性的变化，进而无法认识其应力历史。

2 垃圾堆体的应力历史

填埋场上覆垃圾与其下卧垃圾存在进场时间差，处于不同的降解阶段，这造成堆体应力历史演化及空间分布的差异。对堆体应力历史开展定性研究，有利于理论上对垃圾土的生化降解与压缩沉降进行统一，有利于掌握其在不同条件下的压缩性进而动态指导填埋作业。

2.1 应力历史分析的必要性

以常规土的应力历史观点来分析垃圾土的压缩性能，可能损失相关问题研究的动态性。下面就以超固结土的压缩问题为切入点，对垃圾土的压缩问题进行类比检验。

设垃圾堆体初始质量为m0，因降解造成的远期质量损失率为q，即认为q不再随时间增长而显著提高，远期质量残余率为1-q，如第n次等面积、均匀加层的上覆垃圾质量控制为m0qn（n≥1），并假设降解造成的固结状态变化可以忽略，则理论上可使历次加层引起的有效应力增量限制在再压缩阶段，从而降低历次压缩沉降量，维持较稳定的堆顶高度。根据等比数列求和公式，如n较大，累计最大填埋量近似为m0/（1-q），累计残余量仍近似为m0。

对于生活垃圾，能否仅考虑降解造成的质量与骨架体积损失进而认为其可以保持因降解减荷出现的超固结状态，是上述结论可否成立的关键。因此，有必要对堆体的应力历史进行动态分析。

2.2 应力历史分析相关假设

首先，基于垃圾堆体长期排水、排气并终将沉降稳定这一事实，认为若无加层影响，垃圾堆体在研究周期内总体上是欠固结的；同时，鉴于堆体在其长期降解过程中质量渐轻，认为堆体自身降解塌缩致自重沉降的欠固结效应总体上强于降解减荷的超固结效应。即：主压缩沉降完成后，降解过程中的任意短时间内，尽管堆体自重应力随降解过程减小，但先期固结压力减小得更多，堆体因此反复处于欠固结-固结-欠固结的微循环之中，总体上呈现欠固结。因此，就沉降发生的物理基础而言，认为降解与压缩是一致的。

此外，填埋库容充足时，上覆垃圾的压缩作用与其随后的降解减荷过程可充分发展，则认为下卧垃圾层一定时间内处于超固结状态，即：上覆垃圾以及本层垃圾的降解减荷超固结效应一定时间内强于本层垃圾完成压缩沉降后因降解产生的自重沉降欠固结效应，此强势随下卧垃圾填埋时间增长而愈发显著，这与垃圾随降解渐显土的特性相符，但同时认为其相对填埋场使用寿命是暂时的，将随上覆垃圾降解速率的降低和下卧垃圾降解的发展而得到扭转。堆体深层因其土的特性强化，由超固结向欠固结状态的演进相对缓慢。

根据以上假设，填埋作业与降解过程中垃圾土的固结状态动态变化，简单以常规土加、减荷为依据进行分析所得出的结论将导致压缩量计算与沉降机理阐释方面的较大偏差。以上假设同时将降解与自重沉降统一起来，为填埋场堆体应力历史的分析提供了前提。

2.3 填埋场堆体应力历史分析

在理想运行状态下，填埋场相关设施排水、导气功能良好，进场垃圾组分均匀，分层填埋，初始压缩瞬间完成。根据前述假设，区别填埋场堆高加层作业的具体条件与时机，以典型填埋场边坡内侧堆体为研究对象，以固结状态转变为节点，结合垃圾的降解过程及其岩土特性，绘制填埋场应力历史演化示意，如图2所示。

图2中CD段、EA段显示填埋过程中堆体短时间固结即向超固结或欠固结状态转变，降解减荷超固结效应与降解塌缩欠固结效应的平衡是短暂的；DBC段、BC段显示加层作业对其下卧堆体的附加应力影响，但DBC段须经历再压缩阶段，而BC段则无需再压缩而直接进入压缩阶段（3个月左右［3］），而BC段之前的AB段，堆体会因降解塌缩产生自重沉降，其间沉降量取决于再次加层时机；DE段反映超固结效应逐步被欠固结效应扭转的过程，并关注下卧堆体由超固结向欠固结状态演进速度的差异，与AB段同为演化过程中主要的用时环节；顶层与边坡垃圾因其降解作用而总体呈现欠固结状态；EB段对加层时机要求苛刻，AF段填埋场须长期停进垃圾，故不详加阐释。

为描述应力历史与沉降及应力的关系，以图2中演化路径及其次轮循环为对象，绘制堆体内侧某垃圾层e-lgP曲线，见图3。

观察图3，垃圾经过DB′′段、CB′段长期降解过程后压缩性均减弱，设压缩指数差异不大，即斜率 kB′′C′′≈kB′C′，则此时影响压缩沉降量的主要因素为该层垃圾及其以上堆体自重应力的高低，如每次加层于某层下卧垃圾产生的附加应力相同，因对数关系，处于低自重应力范围的横坐标增量ΔP′′（加层）显著大于高自重应力范围的横坐标增量ΔP′（加层），前者相应的纵坐标减少量Δe（压缩）因此大于后者。换言之，加层作业使靠近堆体顶部垃圾的沉降更大。而参照地基沉降计算，认为底层垃圾经10次以上均匀加层后方可忽略其压缩沉降，即填埋场堆体总厚度在60 m以下时，采取规范中允许的最大垃圾层厚度6 m［11］，则封顶作业仍可影响至库底，且加层厚度越大，其影响深度越大。

此外，DB′′段、CB′段因降解过程致α升高，根据公式（2），沉降量将更多受到α项而非1-α项的影响，即骨架体积的缩减是渐强的沉降影响因素而非骨架孔隙比的变化，所以尽管孔隙比增加了Δe（降解），自重应力减少ΔP（降解），且前期为超固结，仍忽略可能的回弹，认为堆体表现为沉降。

2.4 堆体应力历史与堆体沉降

因为垃圾的降解特性，以孔隙比为纵坐标无法直接描述沉降与时间、应力的关系，甚至在沉降发展过程中，会出现孔隙比与沉降量增减趋势相悖的情况。对堆体应力历史的分析，可为垃圾层厚度变化——即沉降的动态分析提供理论依据。

以时间和某垃圾层厚度为横、纵坐标，参照图3的固结状态转换节点与加层时机绘制图4，时间起点为该层开始堆填的初始时刻。为简明表现层厚随时间的变化，清晰显示该层垃圾的固结状态，假设历次加层作业间存在固定、较长间隔，作业区面积大且竖向重叠，垃圾匀速加载且目标厚度一定，堆体孔隙较大，固结迅速。

自 D点状态，图 4 描绘了 DB′′C′′和 DBCB′C′2种可选的后续填埋路线，并以后者为对象进行了应力历史与压缩类型的划分。如选择DB′′C′′段，将在B′′C′′段压缩沉降前发生显著的降解沉降，如选择DBCB′C′段，加层主固结完成后仍会在CB′段出现显著的降解沉降。此2种选择对最终沉降影响不大，而对填埋场维护工作效果的长期保持而言——如本层垃圾上方盲沟，显然降解稳定后再建设更有利。极端情况下，如填埋场处理量远超设计能力，须频繁加层，连续进行DBC循环，则DB′′、CB′段之类的降解沉降将因其周期长于加层周期而在各垃圾层积累，会对堆体稳定产生长期、显著的不利影响。此外，填埋早期欠固结状态下的沉降量远大于超固结状态的沉降量，前者主要发生压缩沉降和自重沉降，后者则为质量流失、骨架塌缩引起的降解沉降；具体垃圾层压缩沉降量也随填埋时间的增长和堆体高度的增加而下降，如：ΔH5<ΔH2+ΔH3。

3 相关讨论

1）排除荷载压缩作用，垃圾孔隙比变化机理与常规土不同，并非固体骨架因蠕变重新排列而是因为降解作用使垃圾骨架受到侵蚀产生新的孔隙，显然，相关孔隙比变化所引起的应力变化不具备回弹属性，孔隙比因此不降反升并出现自重塌缩沉降。因此，非压缩作用情况下，垃圾土孔隙比增加与堆体沉降并不矛盾，而是一致的。所以在图3与图4中，两者的纵坐标堆体孔隙比与垃圾层厚度的单调性在自重沉降欠固结阶段相悖，在压缩沉降欠固结阶段则是一致的。相悖与一致还反映了降解对骨架体积缩减的沉降贡献及堆高加层的压缩贡献均强于同时发生的降解减荷回弹贡献。

2）附加应力、自重应力、降解塌缩欠固结效应与降解减荷超固结效应的强弱变化引起了堆体应力历史的演化，对于正常土，一般不存在如此复杂的过程。事实上，在定上覆压力下垃圾层的最终厚度并不受填埋过程影响，而只与垃圾组分和有机质含量有关，也就是说如果来料均匀，填埋场封场高度以下的垃圾收纳量为确定值，即库容、堆体矿化密度之积与最终降解质量残余率之比。这里各种沉降只是大小、快慢、强弱的关系，详细而言，压缩沉降量大于降解沉降量，具体的压缩沉降过程显著快于降解沉降过程，而其衰减也更迅速，长期来看，降解作用决定了堆体的应力历史演化进程。需要注意的是，上述结论基于填埋场使用寿命无限长的前提下。实际条件下，图4中DE段理论上存在一点x，此点对应时刻实施加层作业可使下卧垃圾层获得最小的压缩量，这将有利于作业期间现场设施的稳定，降低临时道路与卸料平台的维护难度。但垃圾土的应力历史是演化的，xy段之中及其后，降解沉降均在发展，减少的部分压缩量将在后续运行中表现出来，因此，待降解沉降相对稳定后再实施堆高，即DB′′段历时不宜低于1 a，以实现堆体微生物向内源代谢的转变［12］，使下卧垃圾在加层后相对较短时间内稳定下来，有利于相关维护工作的切入与进度控制。

3）堆高加高是填埋场沉降的外在动力，垃圾的压缩是堆体沉降的主要组成部分。堆体压缩只在压缩性能方面受时间影响，历次加层造成的压缩过程可不连续，垃圾层的压缩量随埋深增加而减小，各层垃圾总的压缩量则随堆体整体厚度增加而增加。有机质降解是填埋场沉降的内在动力，堆体的降解沉降随时间连续变化，总体逐渐衰减，垃圾在加层周期长或已封场情况下，其降解沉降是堆体沉降的主要组成部分。总之，降解过程因其周期较长而成为影响填埋场稳定的决定因素，应使其充分发展，采取规范压实、强化排水、渗沥液回灌、准好氧工艺等适宜的加速稳定化措施［13-15］，在条件合适时，易腐败、降解快速的垃圾宜以堆肥、厌氧消化等方式处理。

4 结论

1）降解过程贯穿填埋场运行管理与封场维护全过程，决定了堆体应力历史的演化，并使堆体总体上欠固结，是研究堆体沉降问题的核心。

2）堆体的应力历史动态演化，取决于降解速率、降解程度及堆高加层时机，陈垃圾的应力历史演进速度减慢，加层则促使应力历史演变。

3）堆体沉降是压缩作用与降解作用叠加的结果，本质是多孔介质的固体骨架因自重或附加应力导致的孔隙压缩以及因降解导致的骨架体积损失，堆体因降解导致的孔隙比增加与其自重沉降现象一致。

4）超固结阶段堆高加层下卧堆体可获得短时期较小的沉降量，但并不减少其后的降解沉降，沉降量长期来看是一定的，须权衡短期较小沉降量与充分降解后长期稳定之间的利弊。

5）理想情况，为克服降解沉降的积累，宜低进场量、低厚度且大面积摊铺、压实垃圾，而受到恶臭控制、雨污分流的限制，在填埋场具体运行中须做好适宜的快速稳定化措施。

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