現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場的研究現(xiàn)狀及存在的問題
1引言
我國現(xiàn)有城鎮(zhèn)居民超過4億，年產(chǎn)生活垃圾超過1.5億t，目前最常用的處理方法為堆肥、焚燒和填埋。前兩種方法在我國應用非常廣泛，但是它們對環(huán)境的污染是非常嚴重的；我國也有很多城鎮(zhèn)采用填埋方法處理生活垃圾，但是由于資金和技術(shù)手段的限制，絕大多數(shù)填埋場只是進行簡單的填埋處理，不具備必要的環(huán)境保護設(shè)施，因此對環(huán)境仍然具有非常惡劣的影響。隨著人類環(huán)保意識的增強，興建生活垃圾衛(wèi)生填埋場的呼聲也越來越高。現(xiàn)代的生活垃圾衛(wèi)生填埋場包括復合襯墊系統(tǒng)、滲濾液收集和處理系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)等幾大組成部分，可以有效地隔絕垃圾體和周圍環(huán)境，使之對環(huán)境的影響降到最低，圖1為現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場簡圖。
從現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場設(shè)計施工的角度出發(fā)，針對垃圾填埋場可能遇到巖土工程問題的幾個方面，包括垃圾體的物理力學性質(zhì)、襯墊系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)的設(shè)計與施工、填埋場的沉降、穩(wěn)定性和監(jiān)測，在總結(jié)了國內(nèi)外學者研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了需要注意或需要解決的巖土工程問題，為垃圾填埋場的設(shè)計和相關(guān)研究提供了參考。
 圖1現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場簡圖[1] |
2國內(nèi)外學者的研究現(xiàn)狀
2.1垃圾體的物理力學性質(zhì)
垃圾體的物理力學性質(zhì)是分析垃圾體沉降和穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)，因此關(guān)于這方面的研究顯得非常重要。國外的研究工作開展較早，資料也較多；而國內(nèi)對垃圾體性質(zhì)的研究起步較晚，有關(guān)垃圾體物理力學性質(zhì)指標的資料極其匱乏。
錢學德總結(jié)了國外對于垃圾體物理力學性質(zhì)的研究成果，他所總結(jié)的各項指標見表1。浙江大學的陳云敏、張振營等在杭州天子嶺生活垃圾填埋場進行了6個孔位的靜力觸探試驗，并利用鉆機鉆取原狀土樣42桶進行室內(nèi)試驗，所得到的垃圾體的物理力學性質(zhì)指標見表2。
表1發(fā)達國家垃圾體的物理力學性質(zhì)指標[2] |
表2杭州天子嶺生活垃圾填埋場的垃圾體的物理力學性質(zhì)指標[3，4] |
2.2襯墊和封蓋系統(tǒng)
位于垃圾填埋場底部和四周的襯墊系統(tǒng)是一種水力隔離措施，用來將生活垃圾和周圍環(huán)境隔開以避免其污染周圍的土地和地下水。為了達到這一目的襯墊系統(tǒng)必須具有滲透性低、與所填垃圾長期兼容、吸附力高和傳輸系數(shù)低的特點。填埋場的襯墊系統(tǒng)通常包括過濾層、排水層(包括滲濾液收集系統(tǒng))、保護層和防滲層等。其中防滲層的功能就是通過鋪設(shè)滲透性低的材料來防止?jié)B濾液遷移到填埋場之外的環(huán)境中，同時也防止外部的地下水進入填埋場中。根據(jù)其鋪設(shè)方向不同，可將場地防滲分為垂直防滲和水平防滲兩種。
水平防滲系統(tǒng)是在填埋場底部鋪設(shè)防滲襯墊，將滲濾液封閉于填埋場中進行有控的導出，防止?jié)B濾液向周圍滲透污染地下水，同時也有阻止地下水流入填埋場。現(xiàn)代的生活垃圾衛(wèi)生填埋場最經(jīng)常采用的是雙層復合襯墊防滲系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙層復合襯墊系統(tǒng)防滲層采用的是復合防滲層，防滲層之上為滲濾液收集系統(tǒng)，下方為地下水收集系統(tǒng)；通過在兩道防滲層之間設(shè)排水層。用于控制和收集從填埋場中滲出的滲濾液。雙層復合襯墊系統(tǒng)綜合了復合襯墊系統(tǒng)和雙層襯墊系統(tǒng)的優(yōu)點：抗損壞能力強、堅固性好、防滲效果突出。封蓋系統(tǒng)(見圖3)是現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場的重要組成部分，主要目的是防止或減小大氣降水的入滲，從而減小垃圾滲濾液的產(chǎn)量和氣體的產(chǎn)量，并且可以阻止氣體污染空氣，阻止風雨對垃圾體的侵蝕。
垂直防滲系統(tǒng)是在填埋場一邊或四周設(shè)置垂直的防滲工程，經(jīng)常應用于坡地型或山谷型填埋場的防滲系統(tǒng)，如杭州的天子嶺填埋場和南昌的麥園填埋場均采用了帷幕注漿技術(shù)進行垂直防滲。
 圖2雙層復合防滲系統(tǒng)示意圖 |
 圖3封蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 |
2.3填埋場的沉降研究
沉降是垃圾填埋場穩(wěn)定化進程的宏觀表現(xiàn)和重要考察指標，因此，垃圾填埋場的沉降規(guī)律一直是填埋場研究中的重要課題。OπLeary等[5]指出一般填埋場場地沉降要持續(xù)25a以上，其總沉降量為垃圾初始填埋高度的25%～50%，其中50%以上發(fā)生在封場后的第一年。Bleker等[6]指出垃圾體沉降的機理為：(1)機械的原因：扭曲、彎曲、壓碎和重定向；(2)顆粒混合：細小顆粒進入較大的孔隙中；(3)物理化學的原因；(4)生物降解。Wall等 [7]將垃圾填埋場的沉降分成三部分：初始壓縮沉降；主壓縮沉降和次壓縮沉降。初始壓縮沉降是外荷載作用下直接產(chǎn)生的，類似土的彈性壓縮變形；主壓縮沉降是由于孔隙中水和氣體的排出引起的，是一個類似太沙基固結(jié)的過程；次壓縮沉降是由于垃圾體的蠕變和降解引起的，是垃圾填埋場沉降的主要部分。劉疆鷹等 [8]推導出計算次壓縮沉降的公式，利用此公式計算上海市老港垃圾填埋場的次壓縮沉降，并與實測沉降進行對比，發(fā)現(xiàn)計算值和實測值非常吻合。
2.4填埋場的穩(wěn)定性研究
垃圾填埋場和一般巖土體一樣也存在穩(wěn)定性問題，近年來，國內(nèi)外發(fā)生了不少垃圾填埋場因穩(wěn)定性不足而造成的破壞。 2002年6月14日，重慶沙坪壩區(qū)涼楓埡垃圾場也因暴雨而滑塌[1]，因此，垃圾填埋場的穩(wěn)定性問題應該得到設(shè)計人員的重視，采取必要的工程措施。垃圾填埋場的穩(wěn)定性可以從三個方面進行分析：襯墊系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)的穩(wěn)定性；垃圾體的穩(wěn)定性和地基的穩(wěn)定性。
國外學者把目光放在襯墊和封蓋系統(tǒng)內(nèi)部，他們通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗來分析研究GCL與相鄰HDPE膜的接觸面和GCL內(nèi)部膨潤土的抗剪強度。Stark等[9]用扭轉(zhuǎn)環(huán)剪切儀對采用三種不同工藝制成的HDPE膜與無紡土工織物之間的接觸面進行剪切試驗。Stark等[10]還通過扭轉(zhuǎn)環(huán)剪切儀來分析評價針織的GCL中膨潤土對GCL和 HDPE膜試樣剪切強度的影響。Danel等[11]在美國俄亥俄州辛辛那提對封蓋系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了14塊試驗場地，封蓋系統(tǒng)采用GCL和HDPE膜作為防滲系統(tǒng)，但是14塊場地的GCL和HDPE種類和接觸方法不相同。試驗結(jié)果為：9塊坡度為50%的場地中，有3塊發(fā)生失穩(wěn)破壞，有4塊出現(xiàn)較大的變形；而5塊坡度為33.3%的場地均處于穩(wěn)定狀態(tài)。國內(nèi)學者的研究重點放在了垃圾體本身的穩(wěn)定性分析上，提出采用摩爾2庫侖理論來分析垃圾體的穩(wěn)定性，并提出采用畢肖普條分法進行穩(wěn)定性驗算[1，3]。
2.5巖土工程監(jiān)測
施工過程和垃圾堆填過程的監(jiān)測可以對施工和堆填進行指導，避免出現(xiàn)不良后果。而且垃圾填埋場的監(jiān)測可以為研究人員和設(shè)計人員提供所需的參數(shù)。垃圾填埋場的監(jiān)測包括垃圾體的含水量，襯墊或封蓋系統(tǒng)的不均勻沉降，垃圾填埋場的水平向傾斜和豎向傾斜、沉降等幾個方面的監(jiān)測。S.T.S.Yuen等[12]提到了含水量監(jiān)測的4種方法：電磁學的方法；電或熱傳導方法；表面張力法和中子散射法。他們著重分析了中子散射法的優(yōu)缺點以及試驗室和現(xiàn)場應用，結(jié)果證明這種方式是監(jiān)測垃圾填埋場含水量的最理想方法。Daniel等[11]在進行試驗場地封蓋系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗時提到了對封蓋系統(tǒng)進行不均勻沉降監(jiān)測來檢驗其穩(wěn)定性，在試驗場地封蓋系統(tǒng)的兩側(cè)分別埋設(shè)5個沉降監(jiān)測裝置來監(jiān)測其不均勻沉降。
3存在的問題與建議
3.1垃圾體的物理力學性質(zhì)
生活垃圾的構(gòu)成極不均勻，其物理力學性質(zhì)變化范圍也很大，這就導致了垃圾體物理力學指標的量測存在著很大的問題，具體包括：
(1) 不同地方的垃圾體成分相差很大，處理方法和工藝也有較大的差別，把其它地方的指標直接用于當?shù)靥盥駡龅脑O(shè)計和施工欠合理，因此最好的方法是對當?shù)氐睦w進行室內(nèi)或現(xiàn)場試驗測定這些指標。但是由于資金和技術(shù)的限制，也可以把垃圾體成分相似地區(qū)的垃圾體物理力學性質(zhì)指標作為設(shè)計的參考。
(2)垃圾體成分極不均勻，各成分的物理力學性質(zhì)離散性較大，小直徑、小尺寸的試驗結(jié)果難以反映垃圾體的宏觀性質(zhì)，試樣也難以制作成型，對結(jié)果的其它影響因素較多，因此采用單一的試驗方法難以合理反映垃圾體的實際物理力學性質(zhì)，可以采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法。
(3)垃圾體的物理力學性質(zhì)隨時間而變，這是因為其中有機物不斷降解和垃圾體的壓縮造成的，因此不能用某一時刻的指標固定地作為設(shè)計的參考，最好采用動態(tài)的設(shè)計方法。
3.2襯墊系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)的有效性
現(xiàn)代的生活垃圾衛(wèi)生填埋場要求采用雙層復合襯墊防滲系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在國外已經(jīng)得到了廣泛的應用，國內(nèi)外學者也做了大量的研究，但是仍然存在下列幾方面的問題：
(1)在地下水位很高的地區(qū)使用時，由于地下水的浮托作用，水平防滲襯墊很難施工，即使鋪設(shè)完成也極易受到破壞。這個問題可以通過采用垂直與水平防滲相結(jié)合的技術(shù)來解決。另一個途徑是在填埋區(qū)四周設(shè)置降水井點，控制地下水水頭。
(2)HDPE 膜安裝和保護的問題。HDPE膜是防滲系統(tǒng)中最重要的部分，如果受到損壞，會對垃圾填埋場的防滲造成重大的影響，所以在安裝和使用過程中必須特別注意。首先，HDPE膜的上下都要有墊層，不能直接與堅硬材料接觸；其次，盡量避免埋設(shè)垂直穿孔的管道或其它構(gòu)筑物，如果必須埋設(shè)，接口處必須進行嚴格的處理，防止?jié)B漏發(fā)生；最后，HDPE的焊接一定要保證質(zhì)量，嚴格按照安裝操作規(guī)范進行。
(3)HDPE膜抵抗不均勻沉降的能力問題。由于垃圾體的不均勻性，垃圾填埋場會存在較大的不均勻沉降，這會對HDPE膜施加一個側(cè)向拉力導致其發(fā)生拉伸變形。HDPE膜都有較強的延伸能力。但是如果局部不均勻沉降過大，就會導致HDPE膜的破壞，所以在垃圾填埋過程中要對底面沉降進行監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)較大的不均勻沉降應及時采取處理措施。
(4)襯墊和封蓋系統(tǒng)都存在著內(nèi)部不同土工合成材料之間和土工合成材料內(nèi)部的抗剪強度的問題。其中不同材料之間接觸面是抗剪強度薄弱環(huán)節(jié)，特別是光滑的HDPE土工膜與 GCL的接觸面抗剪強度非常低。如果實際剪切力超過它們本身的抗剪強度，不同材料之間就會發(fā)生剪切破壞，導致填埋場襯墊或封蓋系統(tǒng)的破壞。
(5) 封蓋系統(tǒng)存在的一個問題就是表面坡度的問題。封蓋表面必須有一個坡度，這樣封蓋中排水層才能夠及時快速地排出大氣降水，但是考慮到封蓋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這個坡度也不能過大，否則就會發(fā)生剪切滑動破壞。Danel等通過試驗得出，對于采用GCL作為封蓋材料，坡度為33.3%比較穩(wěn)定，而坡度為50%時容易發(fā)生破壞；錢學德等指出封蓋表面的坡度在任何地方均應>4%，但也不宜超過25%。
3.3填埋場的沉降問題
(1)垃圾體的沉降和地基的沉降沒有分開考慮。上面所提到的學者對沉降的研究都是指得總的沉降，其中他們的側(cè)重點都在垃圾體的沉降部分。這種處理問題的方法適用于填埋場建于堅硬地基上的情況，對于建于軟土地基上的填埋場，地基的沉降量不能忽略。進行地基沉降變形的研究，不僅為填埋場設(shè)計提供依據(jù)，而且為填埋場的運營提供參考。地基沉降部分只要能夠獲得較準確的地質(zhì)資料和垃圾體的物理力學性質(zhì)指標，就可以通過常用的沉降計算方法進行計算，但是上部垃圾體荷載的可變性是需要研究的不確定因素。在垃圾填埋過程中進行監(jiān)測，有利于該問題的研究。
(2)由于垃圾體的沉降和有機物降解速率有很大關(guān)系，而有機物降解的速率是一個受很多因素影響的量，同時垃圾體是非飽和的，其壓縮過程也不能簡單的看作固結(jié)過程，因此垃圾體的沉降量是無法用數(shù)學公式進行計算的。解決這一問題，可以采用沉降預測的方法，就是通過監(jiān)測到的某一時間段的沉降量來推測最終的沉降量。常用的沉降預測方法有指數(shù)曲線法、對數(shù)曲線法、雙曲線法、Asaoka法、灰色預測法和變權(quán)重組合預測法等，究竟哪一種方法最符合垃圾填埋場沉降的規(guī)律和特點，這是一個需要解決的問題。
(3)生活垃圾衛(wèi)生填埋場的防滲要求底部設(shè)置2%的坡度以便于垃圾滲濾液的排出。隨著垃圾的堆填，地基發(fā)生沉降變形，尤其是垃圾體的形狀一般為山丘形，所以地基發(fā)生的沉降也不均勻，呈斗狀。這種情況下如何保證底面2%的坡度是一個重要的問題，而這一問題還沒有引起國內(nèi)外學者的關(guān)注。
(4)軟土地區(qū)大沉降造成的問題。在軟土地區(qū)修建的垃圾填埋場一般具有很大的沉降，如上海老港垃圾填埋場沉降量達到2m以上，在如此大的沉降下，如何保持襯墊和封蓋系統(tǒng)的正常使用是一個值得關(guān)注的問題。還有一個問題就是如何減小軟土地區(qū)的大沉降量?一般有兩種方法解決這個問題：第一個就是采用加入塑料排水板通過加速沉降來減小封頂后的沉降量，而且塑料排水板也可以增加地基的強度，有效的減小沉降量，但是使用塑料排水板也遇到另外一個問題，那就是萬一填埋場的襯墊系統(tǒng)發(fā)生破壞，那么塑料排水板反而可以為滲濾液提供排出通道，使之更加迅速地對地下水造成污染；另外一種減小大沉降量的方法就是減小垃圾體的堆高，但是這樣就會影響垃圾填埋場的處理能力。
3.4填埋場的穩(wěn)定性問題
(1)垃圾體穩(wěn)定性的計算模型選取的問題。是否能夠使用摩爾-庫侖理論進行穩(wěn)定性分析一直是國內(nèi)外學者爭論的焦點，能不能采用畢肖普條分法進行計算也有待進一步的驗證。
(2) 穩(wěn)定性研究方面的一個重要問題就是剪切試驗儀器的問題。國內(nèi)迄今為止沒有進行襯墊或封蓋系統(tǒng)剪切強度研究的重要原因就是國內(nèi)不具備能夠進行相關(guān)剪切試驗的儀器。襯墊和封蓋系統(tǒng)的剪切強度試驗中，剪切破壞面不是認為指定的，而是在試驗過程中自動出現(xiàn)在試樣的最軟弱部位；另外這種剪切試驗要有比較大的變形才能夠正確的量測剪切破壞面的殘余強度，一般要求為500～700mm左右。而室內(nèi)試驗中常用的直剪儀因為人為規(guī)定了剪切面和無法進行大變形試驗故不能用于此方面研究。所以要想從理論上進行突破，首先要研制和生產(chǎn)出能夠進行剪切試驗的儀器設(shè)備。
(3)襯墊和封蓋系統(tǒng)穩(wěn)定性中，剪切破壞面究竟發(fā)生在哪個部位仍然是研究的重點。國外學者對此進行了大量的試驗研究，試驗中采用了各種不同的土工合成材料和模擬了各種不同的接觸方式，試驗結(jié)果也表明絕大多數(shù)情況下破壞面出現(xiàn)在GCL和HDPE膜的接觸面，但有時也出現(xiàn)在GCL的內(nèi)部。但是破壞面的位置受到多種因素的影響，包括土工材料的生產(chǎn)廠家、土工材料的組成方式、GCL中膨潤土的水化程度、試驗中施加的正應力等，所以要想準確地確定剪切破壞面是一個非常困難的問題。
(4)針對襯墊或封蓋系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性問題的研究還處于定性研究的水平，室內(nèi)試驗或現(xiàn)場模擬試驗得出的剪切指標只能作為設(shè)計計算的參考，而且目前還沒有比較合理的計算襯墊和封蓋系統(tǒng)穩(wěn)定安全系數(shù)的方法，這也為今后的研究工作提出了一個新的任務。
3.5巖土工程監(jiān)測
(1) 保證監(jiān)測設(shè)備在垃圾填埋期間和封場以后的正常使用問題。監(jiān)測對于垃圾填埋場是否出現(xiàn)危害具有舉足輕重的作用，所以必須保證其能夠正常使用。比如沉降監(jiān)測，一般要在底部埋設(shè)沉降監(jiān)測儀，通過導線及其它裝置與填埋場外面的某個固定標高點相連，但是由于垃圾填埋場的填高很大，沉降一般也很大，因此必須通過埋設(shè)過程中必要的措施來保證監(jiān)測儀和附帶設(shè)備在大沉降變形下的正常使用。
(2)對監(jiān)測結(jié)果進行合理的分析，對可能出現(xiàn)的危害性結(jié)果進行及時準確的報警，這就需要監(jiān)測人員具備豐富的經(jīng)驗和較高的理論水平，只有這樣才能夠避免亂報警現(xiàn)象和垃圾填埋場災害的發(fā)生。
(3)應加強填埋場地基的沉降和孔壓監(jiān)測，以了解地基的不均勻沉降狀態(tài)和地基的承載力，判斷地基的沉降趨勢和整體穩(wěn)定性。通過這方面的監(jiān)測結(jié)果也可以進行堆填方案的調(diào)整，保證垃圾填埋場底部2%的傾斜度，保證垃圾填埋場的正常使用。
4結(jié)束語
現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場是一個集垃圾填埋、環(huán)境保護和后期開發(fā)功能于一身的系統(tǒng)，設(shè)計、施工和運營過程中必然會碰到巖土工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域的一系列問題，國內(nèi)外學者針對這些問題進行了大量的研究工作，但仍然有很多問題沒有受到他們的關(guān)注，如垃圾體的物理力學性質(zhì)、襯墊和封蓋材料的物理力學特性、不同材料之間的抗剪強度特性、襯墊與封蓋系統(tǒng)的設(shè)計和施工質(zhì)量監(jiān)控、垃圾填埋場的沉降和穩(wěn)定性分析以及填埋場的監(jiān)測問題。
目前我國正在規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)中的生活垃圾衛(wèi)生填埋場，將或多或少地遇到本文中提出的問題，研究工作者應該借此契機，展開對上述巖土工程問題的研究工作，為日后的生活垃圾衛(wèi)生填埋場的設(shè)計施工積累經(jīng)驗。
參考文獻
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