垃圾填埋過程中的沉降分析與計算

王 萍

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司重慶分公司， 重慶 401147）

0 引言

隨著我國社會經濟持續穩定的發展，居民生活消費水平不斷提高，城市垃圾的增長非常迅速。鑒于我國垃圾有機成分低、無機成分高、含水率高、可回收利用的廢品少等成分特點，垃圾填埋仍然是目前我國處理生活垃圾最常用的方法。在城市垃圾填埋場的設計與運行過程中，對于垃圾堆體沉降的合理預測是一個重要問題，不僅可以增加填埋場庫容，還能避免因沉降導致填埋場覆蓋系統、氣體收集裝置、滲瀝液導排系統發生破壞。因此，本文基于理論實踐，對垃圾填埋過程中的沉降和計算做了如下分析。

1 填埋場固體廢棄物沉降機理

相關調查研究表明，垃圾填埋過程中發生沉降變形的機理非常復雜，主要包括以下兩個方面是因素：第一，外力和垃圾土填埋土自重的作用下，會導致垃圾土的骨架結構發生重新調整，導致一些細小的垃圾顆粒被擠進較大的孔隙中，使得孔隙體積被逐漸壓縮；第二，在垃圾填埋場中發生一系列物化反應和分解作用，比如：腐蝕、發酵、好氧分解等，從而導致垃圾土中的固相體積發生縮小，從而引發沉降變形現象。

垃圾填埋時所發生的沉降原理和一般的土沉降不同，垃圾土具備大孔隙、大顆粒、非飽和、組分復雜、可降解等特點，這決定了垃圾堆體高滲透、高壓縮、進氣值低的巖土特性，具體表現為瞬時沉降與主固結沉降迅速、降解與次固結沉降長期發展、土-水特征曲線存在陡降段等現象。巖土特性指標隨時間的非線性變化是垃圾土區別于其他土的顯著特征，它取決于有機成份的降解進度，也決定了堆體沉降過程研究與結果計算的復雜性。在新一層垃圾土填埋和填埋結束以后的短時間中，填埋的垃圾重力和外力作用下，會產生較大的形變，并基本趨于穩定。此后，垃圾的骨架發生蠕變變形，從而減少固相體積。而填埋體在較長的一段時間中，繼續發展不均勻沉降。在具體研究中，把垃圾填埋后短時間內產生的不均勻沉降稱為主沉降，把垃圾蠕變調整而引發沉降稱為次沉降，固體體積縮減引發的沉降稱之為有機物分解沉降。

2 垃圾填埋過程中沉降的計算方法

當前國內填埋場沉降計算一般采用分層總和法計算，填埋堆體的沉降包括主壓縮沉降和長歷時的次壓縮沉降，垃圾堆體壓縮量按下式計算：

式中：S為填埋堆體的總沉降量；

n為垃圾分層總數，分層厚度宜為2m-5m，堆體內浸潤面應作為分層界面；為第i層垃圾的主壓縮沉降量；為第i層垃圾的次壓縮沉降量。

1）主壓縮沉降量：為第i層垃圾填埋時的初始厚度；

e1為在1000kpa壓力下垃圾孔隙比，宜為0.8～1.2，有機質含量高的垃圾取高值；為初始孔隙比，可采用下式計算；

為垃圾初始含水率；為垃圾平均顆粒比重，無試驗數據時可為1.3-2.2，有機質含量高、降解程度低的垃圾取低值；

為水容重；為填埋垃圾初始容重，壓實程度不良宜為5kN/m3-7 kN/m3; 壓實程度中等宜為7kN/m3-9 kN/m3; 壓實程度良好宜為9kN/m3-12 kN/m3。

2）次壓縮沉降量：

垃圾次壓縮量應采用應力-降解壓縮模型或Sowers次壓縮模型計算。

C為降解壓縮速率（1/月），宜取 0.005/月-0.015/月，有機質含量高的垃圾及適應降解環境取高值；

ti為第i層垃圾的填埋齡期。

這種分層總和法的好處在于能很好的區分各層上覆應力的不同，底部垃圾體的上覆應力要明顯大于偏頂部的垃圾體，對于主壓縮計算的精度有很大的提高。同時對于一些大型的填埋場其運營周期很長，因此不同深度垃圾的齡期相差很大，采用分層總和法可以區分出各深度垃圾的齡期從而可以提高次壓縮沉降的計算精度。在計算填埋場擴容率和運營年限時，填埋場的堆填過程對垃圾堆體的沉降影響很大，如果能很好的模擬填埋場的堆填過程對填埋場的主壓縮計算將會很有幫助。

3 案例分析

重慶某典型山谷型垃圾填埋場，填埋庫區面積約570畝，設計庫容約1400萬m3，設計服務年限20年，設計日處理能力1500噸/天，高峰期日處理垃圾約3000t/d，項目總投資約4.87億元。其中A區面積約為11 ㎡萬 ，占總面積的32%，填入垃圾總量約為348萬t，占總填埋量的33%，平均填埋深度約為27m， A區截面尺寸如下圖，圖中的數字順序即表示場內垃圾的填埋順序。每個垃圾塊的填埋期為1個月，每個垃圾塊厚度 H0=6m，固體廢棄物容重γwaste=11kN/m3，固體廢棄物的初始壓力σ0=48kN/ m2，修正主壓縮指數C'C=0.26, 修正次壓縮指數C'α=0.07，次壓縮開始時間t1=1個月

每點估算沉降總值見下表：

沉降點 主壓縮沉降（m） 次壓縮沉降（m） 估算總沉降（m）A 0 0 0 B 1.33 0.24 1.57 C 4.79 1.62 6.41 D 9.96 3.35 13.31 E 8.06 2.86 10.92 F 2.39 0.83 3.22 G 0 0 0

由這個算例可以看出，固體廢棄物的沉降比粘土的沉降更大更迅速，且在填埋時期就能產生很大的沉降量，為填埋場經營者提供了一個重要的提高垃圾處理能力的機會。

4 垃圾填埋過程中沉降控制措施和計算參數的確定

通過上述分析可以看出，影響垃圾填埋沉降量和壓縮系數的因素有很多，包括：垃圾土的原始容重、壓實程度、覆蓋層的自重壓力、填埋過程中垃圾的含水量、填埋深度等。同時和填埋場所地區的氣候條件以及填埋的方式也有直接關系，在具體填埋過程中，為最大限度上提升垃圾填埋場地的利用率，降低不均勻沉降的影響，可以采用以下幾種方法來控制沉降量：

第一種，進行科學合理的分卻填埋，比如：可根據滲濾液控制的之際需求，把填埋單元劃分為以一年為基準的填埋量。

第二種，對填埋的垃圾進行分層壓實，通過大噸位的壓實機械對均鋪設垃圾土層進行全面碾壓，以便最大限度上降低垃圾填埋的初始孔隙比，而垃圾填埋時的初始容重盡量控制在8kN/m 。

第三種，可采用加速有機物分解的方法來加速垃圾填埋沉降，促使垃圾填埋盡快進入穩定狀態。

在進行垃圾填埋沉降分析過程中，必須科學合理的選擇主壓縮和次壓縮指數，并正確描述有機物的分解情況，從而垃圾填埋過程中的沉降分析提供真實有效是數據支撐。通過還要充分結合現場實測情況和并模擬現場條件。以便更加精確的確定孔隙比隨著時間變化和應力變化的具體情況。