卫生填埋场沉降特性与实例分析

吴晓烽 周明 刘光辉 张明祥

摘 要：卫生填埋场在运营过程中会产生显著沉降。沉降的机理非常复杂，且受到众多因素影响。文章提出填埋堆体的沉降主要由主沉降和次沉降组成，并给出了沉降量估算公式；结合工程实例分析了新建卫生填埋场沉降过程，计算表明，填埋场5个月后总沉降量为2.16m，约为填埋高度的10%。

关键词：卫生填埋场；填埋堆体；主沉降；次沉降

1 前言

卫生填埋场的运营管理中，沉降是一个重要的问题。填埋场沉降分为填埋堆体（即垃圾土）沉降和地基沉降两部分。地基沉降会对填埋场底部的防渗系统和地下水导排系统造成重大影响。填埋堆体的沉降将持续很长时间，它的最终沉降量可以达到初始填埋高度的20%～30%[1]，大部分的堆体沉降是在最初或者早期填埋阶段发生的。因此，从经济角度看，最大限度的提高早期堆体沉降速率及数量对卫生填埋场的管理是可取的；另一方面，从维护角度看，很大的后期沉降也会导致填埋场覆盖系统表面积水，使土体材料（如压实黏土）产生裂缝，撕裂土工膜，破坏土工复合排水层等。

卫生填埋场的地基沉降可以采用土力学的方法进行研究，本文着重分析卫生填埋场运营过程中填埋堆体的沉降特性与计算模型，并结合实例加以解释。

2 沉降机理

填埋堆体的沉降一般在施加填埋荷载后就会发生，并且将持续很长一段时间。沉降的机理非常复杂，主要包括：（1）物理压缩：由填埋物的自重与所受到的外加荷载引起，包括填埋堆体的密实、弯曲、畸变、破碎和重定向。（2）物理化学变化：因腐蚀、氧化和燃烧作用引起的质变和体积减小。（3）错动：填埋堆体中的细颗粒物向大孔隙或孔洞中移动。（4）生化分解：因发酵、腐烂及需氧和厌氧作用引起的质量减少。

卫生填埋场内发生的沉降虽然很不规则，受到众多因素影响，但是总体来看其沉降过程与有机土的情况较类似。在新一层的垃圾土填埋过程中和结束后的初期，堆体在外力和自重作用下产生压缩变形并在一段时间内达到相对稳定；然后，由于堆体骨架的移动变形和生化分解引起的固相体积减少，填埋堆体在很长时间内将产生较大沉降。本文定义填埋后短时间内产生的沉降为主压缩沉降，填埋堆体长时间产生的沉降为次压缩沉降。可以看出，和传统土压缩理论不同，研究填埋堆体的沉降不仅要分析堆体孔隙比的分布与变化，还需讨论其固相体积的压缩递减规律。填埋堆体的沉降是时间和应力的双重函数。

3 沉降计算方法

填埋堆体的沉降包括主压缩沉降和长历时的次压缩沉降。总沉降量可表示如下式。

总沉降量：？驻H=？驻HC+？驻Ha （1）

其中：？驻H为填埋堆体的总沉降量；？驻HC为主压缩沉降量；？驻Ha为次压缩沉降量。

3.1 新卫生填埋场填埋堆体的沉降

新卫生填埋场填埋堆体的沉降量可用如下式表示。

其中：C'c为修正的主压缩压缩指数，C'c=0.17～0.36；H0为沉降发生前填埋堆体的初始厚度，单位m；？滓0为填埋堆体受到的前期应力，可假定前期压实应力为48 kN/m2；？滓1为填埋堆体中间受到的总的覆盖应力；C'a为修正的次压缩压缩指数，C'a=0.03～0.1；t1为填埋堆体次压缩开始时间，t1=1个月；t2为填埋堆体次压缩计算时段的终至时间。

根据城市固体废弃物填埋时的压实效应，假定填埋堆体填铺时碾压设备作用于新堆体上的前期压实应力为48kN/m2，另言之，如果碾压引起的超固结效应在法向应力小于48kN/m2时是不会产生压缩的。如今的压实机具的作用力在900～1300kN之间，会显著提高前期压实应力值。

3.2 已填卫生填埋场填埋堆体的沉降

下列公式可用于竖向扩建或其它外加荷载引起的已填堆体的沉降计算。

其中：？滓0为作用于填埋堆体层中点的上覆压力；？驻？滓为竖向增填或其它外加荷载引起的压力增量；t1为次压缩沉降开始时间，对竖向增容的工程，假定t1等于已填堆体的年龄；t2为次压缩计算时段的终至时间；其它同上。

4 实例分析

上海某一新建卫生填埋场其填埋过程见表1。假定：填埋堆体的容重？酌堆体=10kN/m3；堆体的初始压力？滓0=48 kPa；修正的主压缩指数C'c=0.25；修正的次压缩指数C'a=0.06；次压缩开始时间t1=1个月。则5个月后的填埋场顶部的总沉降量计算过程如下。

表1 填埋过程中的沉降

每层堆体中点深度（以第1个月为例，，下同）：H0=0.5×3.7+5.5+4.9+3.0+4.3=19.55m。

每层总的覆盖压力：？滓1=？酌堆体×H0=10×19.55=195.5kPa。

主沉降：按公式（2）？驻HC=0.25×3.7×log（195.5/48）=0.56m。

次沉降：按公式（3）？驻Ha=0.06×3.7×log（4.5/1）=0.15m。

总沉降：按公式（1）？驻H=0.56+0.15=0.71m。

从上表可以看出，该卫生填埋场5个月的总沉降量为2.16m，约为填埋高度的10%。一般地，填埋场沉降计算可延续到封场后20年[2]。在实际运营中，影响填埋场填埋堆体压缩性的因素很多，包括堆体的原始容重、压实程度、覆盖层压力、含水率、组分、填埋深度、pH值和温度等，此外，还与填埋场所处地区的气候条件和填埋方式有密切关系。

5 结束语

卫生填埋场的沉降量大，持续时间长，对填埋场的安全管理、规划和封场后的再度利用都具有重要影响。

（1）卫生填埋场的沉降机理非常复杂，主要包括物理压缩、生物化学变化、错动和生化分解。

（2）填埋堆体沉降由主沉降和次沉降共同组成，是时间和应力的双重函数。

（3）由于竖向扩建或其它外加荷载等原因，把填埋堆体沉降量的计算公式分为新卫生填埋场沉降和已填卫生填埋场沉降。

（4）经计算，上海某一新建卫生填埋场填埋5个月后总沉降量为2.16m，约为填埋高度的10%。

参考文献

[1]钱学德，施建勇，刘晓东.现代卫生填埋场的设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]胡敏云，陈云敏.城市生活垃圾填埋场沉降分析与计算[J].土木工程学报，2001，34（6）：88-92.

[3]李颖，郭爱军.城市生活垃圾卫生填埋场设计指南[M].北京：中国环境科学出版社，2005.

[4]陈云敏，柯瀚.城市固体废弃物的压缩性及填埋场容量分析[J].环境科学学报，2003，23（5）：694-698.

[5]王艳明，张乾飞.老填埋场竖向加高扩容工程的沉降计算与分析[J].环境工程，2007，25（4）：59-62.

[6]吕健萍.生活垃圾卫生填埋场工程总体设计探讨[J].环境卫生工程，2012，20（3）：15-19.

[7]李志斌，徐超，卢耀如，等.现代生活垃圾卫生填埋场的研究现状及存在的问题[J].环境工程，2005，23（4）：60～64.

[8]叶建忠，周健.垃圾填埋场设计中的稳定分析问题[J].工业建筑，2005，35（增刊）：735～738.

[9]刘荣，施建勇，彭功勋.垃圾土力学性质的室内试验研究[J].岩土力学，2005，26（1）：108～112.

[10]中华人民共和国行业标准.CJJ17-2004.生活垃圾卫生填埋技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

作者简介：吴晓烽（1985-），男，籍贯上海市，研究生，主要从事环境污染控制与治理工作。