卫生填埋场堆体沉降问题分析

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)

1 引言

目前，卫生填埋仍是我国城市生活垃圾主要的处理方式，而堆体沉降则成为填埋场运行管理必须面对的问题。由于沉降问题关系到填埋场的库容利用、功能保持与安全稳定，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［1～3］。本文着眼填埋垃圾的特性变化，对垃圾堆填、固结过程进行了区分具体现场条件的研究，并结合填埋实践，对堆体沉降影响因素及沉降对填埋场运行的影响进行了分析。

2 堆体沉降机理与计算

2.1 垃圾土特性动态分析

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［4］。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［5］，压缩性减弱［6］。

垃圾压缩性变化见图1，直线的斜率表示t0至tn期间对应时刻某填埋垃圾土的压缩指数Cc。随着降解过程的发展，压缩指数呈现降低趋势，但随着垃圾土矿化程度的提高，当tn达到填埋场稳定周期后，压缩指数将趋于稳定，体现“土”的特性。

图1 垃圾堆体压缩指数随已填埋时间变化

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，它取决于有机成份的降解进度，也决定了堆体沉降过程研究与结果计算的复杂性。

2.2 沉降机理与沉降量计算

国内外学者研究认为［1，2］，引起堆体沉降的主要原因是附加应力作用压缩、垃圾固体骨架重排以及垃圾中有机质降解引起的质量与固相体积损失。堆体沉降可划分为瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降。瞬时沉降为非饱和土的初始压缩，一般在填埋作业后即完成，主固结沉降主要反映附加应力、自重应力的压缩作用，一般历时3个月左右［3］，次固结沉降包括垃圾固体骨架的蠕变以及降解沉降，而降解过程漫长，可长达25年［7］，是堆体沉降区别于常规土的重要因素，亦是堆体沉降问题研究的重点。

区别一般岩土，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。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;ΔV、ΔH和Δe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，ΔH为t时刻垃圾土高度变化量，设土体横截面面积不变，可知垃圾土高度等比于垃圾土体积，则根据式(1)可得出堆体沉降量表达式:

观察式(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)压缩沉降量，这阐释了堆体沉降的本质:即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，沉降是压缩作用与降解作用叠加的结果。另外，α趋近0时，式(2)与常规土一致，即初期压缩只体现垃圾作为“土”的特性，随着垃圾降解率的提高，α增加，降解对沉降的贡献增加，垃圾压缩逐渐显示生化特性。

3 堆体沉降相关影响因素

长期来看，堆体沉降是由垃圾组分及有机质含量所决定的，定上覆压力下垃圾层最终的稳定厚度与填埋作业过程无关。但填埋场的设计使用寿命有限，尤其后进场垃圾的填埋时间较短，降解过程不充分，这导致堆体的实际沉降过程受到填埋运行维护等诸多因素的影响。

3.1 堆体加高时间间隔

填埋场分层、分单元作业，垃圾堆体堆高加层的周期决定了下卧堆体降解的程度，降解的程度又决定了下卧垃圾层的降解沉降量及其固结状态和压缩性。

由于垃圾的降解特性，以孔隙比为纵坐标无法直接描述沉降与时间、应力的关系。因此以时间和某垃圾层厚度为横纵坐标，根据固结状态转换节点与加层时机绘制图2，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A点状态，图2中AG曲线描绘了一种后续填埋路线:垃圾填埋至目标厚度H0后，短时间即进行堆高加层，而后经过较长时间间隔后再进行第二次堆高加层。尽管BD段压缩沉降可在相对短时间内完成，但堆体降解的过程周期较长，压缩过程中及其后降解沉降均在发展，因此，历时最长的DF段仍产生了显著的降解沉降。由于DF段降解沉降的充分发展，FG段再加层压缩作用实施前和完成后，垃圾层厚度均相对稳定。而极端情况下，如填埋场处理量远超设计能力，须频繁加层，连续进行ABCD循环，则DF段之类的降解沉降将在各垃圾层积累，对堆体稳定产生长期、显著的不利影响。对填埋场维护工作效果的长期保持而言，显然降解稳定后再组织更有利。

图2 垃圾层厚度随填埋运行变化

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，前者主要发生自重沉降和压缩沉降，后者为质量流失、骨架侵蚀塌缩引起的降解沉降;具体垃圾层压缩沉降量亦随着填埋时间的增长——即垃圾土压缩性的减弱、堆体高度的增大——即垃圾层所在深度自重应力的增加而下降，如:ΔH5＜ ΔH2+ ΔH3。

基于填埋场使用寿命无限长的假设，堆体发生的各种类型的沉降只是大小、快慢、早晚的关系，具体而言，压缩沉降量大于降解沉降量，压缩沉降过程显著快于降解沉降过程，其衰减也更迅速。实际条件下，图2中DE段理论上存在一点x，此点对应的时刻实施堆高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，降低频繁遭受车辆、机械碾压的临时道路与卸料平台的维护难度。但降解过程在将续发展，x点加层作业之中及其后，相对减少的压缩量将在后续运行中表现出来，因此，待降解过程进入相对缓慢的内源代谢阶段后再实施堆高，即DF段历时不宜低于1年［8］，可使下卧垃圾在加层后相对较短时间内稳定，有利于相关维护工作的切入与进度控制。

3.2 堆体排水、导气状况

堆体的排水与导气能力影响其固结沉降快慢。对于饱和土，固结程度取决于孔隙水压力消散程度;而垃圾堆体通常情况属非饱和土，其降解过程产生气体，非饱和土固结研究内容包括孔隙气压力和孔隙水压力随土体变形而变化及随时间消散的规律。如填埋场用粘土临时覆盖而加层时不予清除，渗滤液收集、导气系统又堵塞，则堆体渗透性的决定因素不再是垃圾孔隙比，而将取决于上述堵塞的程度，渗透系数相比于填埋垃圾可下降103量级［9］，堆体固结过程将大为减缓，其应力历史演化将中止，保持欠固结的非稳定状态。此时，如填埋场因结构改变或采取措施使导气、排水加速，局部压力迅速释放，不但会出现不均匀沉降，而且易在堆体内有关界面产生流体压力差，出现涌水、失稳等风险(参见图3中间层滞水)。排水厚度显著影响固结时间，垃圾层上、下均作为导气、排水面的立体结构较理想，可使排水厚度减半，故采用低垃圾层厚度、每层沉降稳定后在其表面构建连接导气井的盲沟的方法有利于快速沉降，盲沟、导气井的功能保持有赖于合理设计与及时维护，可以采取提高坡度、疏通、扶正等措施克服不均匀沉降的不利影响。

堆体内积水影响其沉降量和沉降计算深度。如填埋场浸润线高度较大，堆体重力将受到浮力抑制，而水位下降时堆体的自重沉降将继续发展，这既说明了堆体维持低水位的必要性，又表明采取强化降水位措施可能带来较大沉降，需引起相应重视。沉降计算方面，附加应力与堆体具体深度自重应力之比决定了加层压缩作用的影响深度，如堆体积水——包括加层附近滞水，则压缩层计算深度可能增加，即加层影响力与影响范围会提高，该结论限于隔水层以上，遇库底防渗层或粘土覆盖层则其上积水的浮力影响不计(如图3中自重应力分布)。

图3 典型填埋场运行与沉降过程关系

3.3 填埋作业与维护

3.3.1 进场垃圾压实操作

进场垃圾压实操作包括推土机摊铺作业及压实机往复碾压，属于低饱和状态下的剪切压缩，具有瞬时性。压实操作在增加目标层厚度垃圾收纳量的同时，可将该层预压至较低孔隙比(可短时期超固结)，有利于克服堆体顶层垃圾后续过大的沉降量。压实操作亦压缩了气体体积，促进气体排出，提高了垃圾的饱和度与渗透系数，利于其排水固结。压密后垃圾的降解速度可能因氧气条件变化而改变，结合填埋作业规范，此种影响不予考虑。根据研究［10］，较小的摊铺厚度、由低向高压实操作可取得更好的压实效果。

3.3.2 雨污分流与渗滤液回灌

雨污分流是填埋场重要的维护工作，可降低渗滤液产量，保障填埋场稳定。如雨污分流效果一般，填埋场排水良好情况下，降水致局部暂态饱和后，堆体表面将出现正的孔隙水压力，浸润峰向下扩展，而此种非饱和区的渗流力与重力方向一致，理论上可加速堆体沉降。此外，适宜的饱和度有利于缩短固结时间［11］，有利于微生物主导的降解过程和堆体快速稳定化进程。同理，排水良好情况下，渗滤液回灌对于垃圾降解与堆体沉降都是有利的［12］，但应关注因回灌设施长期设在填埋场固定区域可能引起的不均匀沉降与非垂直渗流对堆体形变的影响。而在填埋场渗滤液收集系统堵塞情况下，堆体入渗水——包括回灌渗滤液不但将提高库底浸润线高度，降低填埋堆体抗剪强度，还将因其积存抑制堆体自重沉降，所以，排水不良的填埋场，雨污分流工作尤其重要，回灌工作亦应谨慎。

3.3.3 单独分区填埋

鉴于生活垃圾组分的复杂，为避免不均匀沉降，理想的填埋场进场物料应破碎混匀。但受相关标准规范［13］，填埋场收纳的脱水污泥、飞灰固化砌块等特殊物质有单独分区处置要求，根据应力扩散与集中原理，并考虑存在的容重差异，这将不利于填埋场克服不均匀沉降问题。为重点保护填埋场库底防渗结构及下方基础，应针对具体物质采取有区别的分区填埋方案，可能发生应力扩散的污泥类软弱物质可在相对接近库底的深度处置，但应注意其对渗滤液收集系统的堵塞影响与不均匀沉降，砌块类可能产生应力集中的强硬物质应远离填埋场库底和边坡堆填。

3.4 横向扩容与填埋工艺

因堆体处于不同的沉降阶段，填埋场的横向扩容(包括新填埋区启用)将会在新旧堆体交界部位产生显著的不均匀沉降，制定填埋计划时应予考虑，通过监测、生产记录准确计算、预估旧堆体的沉降量与固结状态，进而根据新旧堆体未来沉降速度差异以及具体工作任务的计划合理预设待摊铺垃圾层厚度。受微生物种类及其代谢类型差异的影响，填埋工艺的选择亦会影响堆体沉降，如准好氧型填埋场的降解、稳定化速度较快，但其内部微生物种群分布在空间上有所差异，厌氧型填埋场降解沉降相对缓慢，但不易出现因微生物类型分布不均而产生的不均匀沉降。

3.5 气候类型因素

气候类型除在水分方面显著影响堆体降解过程外，温度条件亦对降解沉降产生显著影响。我国幅员辽阔，气候类型多样，除了垃圾组分存在的显著差异，气候类型也是影响填埋场沉降的关键因素，总体而言，我国南方高温、多湿的环境有利于垃圾的快速降解与稳定，雨污分流、恶臭控制以及填埋气利用工作的难度则相应提高。

4 沉降对填埋场运行影响及对策

填埋运行管理中，堆体沉降及其相关影响不可避免，须给予足够重视和科学认识，利用其积极作用，限制其负面影响。控制堆高过程下卧堆体沉降、保障加层前下卧降解时间并加速降解进程是沉降管理的重点。

4.1 对填埋场库容利用的影响

如忽略沉降，将垃圾堆填完成时所占空间视作已消耗库容，则填埋场单位库容的收纳量将较实际情况显著降低。因垃圾沉降随时间发展，填埋场库容具有了空间和时间两方面属性。理论上，填埋场垃圾进场速率应无限小，填埋场使用寿命应无限长，以完成先后进场垃圾的降解过程，更多体现已填垃圾“土”的特性，实现库容利用最大化;理想情况下，填埋场设计日处理量应保证完成某层垃圾摊铺压实至在其上方加层填埋期间，该层垃圾可实现大部分的沉降量。而实际工作中，垃圾进场量往往超过设计处理能力，填埋作业面转换频繁，同一投影位置重叠堆高加层间隔较短，降解沉降逐层积累，不但缩短填埋场的设计寿命，降低其实际垃圾收纳量，沉降的不利影响亦将加剧。

4.2 对堆体安全的影响

正常情况下，沉降对于堆体安全有其积极作用。堆体边坡是关系填埋场稳定的重点部位，于边坡进行放坡处理是保障填埋场安全的重要措施。通常填埋场边坡坡度控制在1∶3以内，且垃圾层间留有马道，边坡稳定性安全系数一般可保障在安全范围。加层作业时，下卧垃圾层边坡附近的附加应力系数较小，甚至可以忽略，故尽管荷载面积较大，堆体边坡处的附加应力影响显著低于堆体内侧，压缩沉降量亦低于堆体内侧。因此，堆体将垂直其等高线产生向其内侧逐渐加大的不均匀沉降，边坡坡度将进一步减小，并有利于强化垃圾土的加筋作用。此外，边坡长期处于相对高的孔隙比状态，堆体固结沉降时，有利于填埋气、孔隙水的水平非侧限排泄(图4)，从而加快固结沉降，但应关注相关渗流冲刷影响并在边坡临时覆盖材料下布设表面导排设施对外渗污水进行截流。

沉降对堆体安全的负面影响体现为堆体内流体对其平衡状态的破坏。填埋场排水、导气功能不良时，孔隙气压力与超静孔隙水压力消散缓慢，新填堆体的重力势能无法释放，而其一旦局部、短时释放易大量涌水以致诱发事故。尤其在渗滤液收集系统堵塞、局部粘土或污泥覆盖等情况下造成堆体下表面排水不良时，饱和垃圾层可出现呈现梯度的超孔隙水压力分布，结合堆体固结状态与附加应力ΔP，此分布有5种典型情况，如图4。可见，除表层垃圾所属c情况，其他情况均存在加层后向上排水面涌水的可能，而下卧垃圾层未固结或固结度较低的情况，其水力梯度大，向上排水能力更强，潜在危害更大。因此，d情况相对危险，b情况相对安全，可较快实现超孔隙水压力的消散。

图4 堆体加荷超孔隙水压力初始分布

如附加应力瞬时施加，或上排水面堵塞后突然破坏，堆体孔隙水积聚的压能将剧烈释放为渗流的动能，将产生显著的向上排水面的水头差及相应的水力梯度，如渗透长度l不小于加层厚度，而后者等于下卧垃圾层厚度h，并认为加层垃圾暂态饱和，则排水面以上的水力梯度 i≤(γsat－ γw)/γw(γsat与 γw分别为加层垃圾饱和重度和水的重度)，也就是说在以上假设前提下，可持续影响堆体表面的渗流力，其大小不超过加载垃圾饱和重度与水的重度之差，渗流力与浮力的合力因此不大于垃圾饱和重度，堆体理论上仍可稳定而不达到使垃圾颗粒漂浮的临界点。需要注意的是，填埋场单独填埋炉渣、污泥等细颗粒、高重度物料时，如存在边坡薄弱部位，出现无侧限的非垂直渗流途径，则渗流力无须克服全部的重力甚至可与之形成合力，可能出现流土、管涌、滑坡等危急情况(图3)。

另外，如堆体排水不畅，沉降将致浸润线相对堆顶高度的增加，不利于控制堆体失稳的风险［14］。所以，条件允许时应缓慢堆高加层、设中间导排系统并密切监测边坡位移。

4.3 对填埋场构筑物的影响

填埋场的构筑物包括垃圾坝、集水井、导气井、表面排水沟、监测井等刚性构筑物以及临时道路、卸料平台、填埋气管道、盲沟、回灌布水设施、覆盖层及封场结构等非刚性设施。上述设施均直接受到堆体沉降的影响，不均匀沉降产生的形变与土压力可使其功能丧失以致填埋场相关结构的损坏。为避免出现道路塌陷、井身倾斜、水流阻滞、覆盖开裂乃至防渗膜拉裂、坝体垮塌等不良后果，相关设计与运行管理应规避沉降负面影响，有关工作应尽量选择在堆体稳定后实施或进行预压处理，并充分利用填埋场大宗物料堆存、大型机械停放等客观条件。为克服边坡处不均匀沉降，必要时还可采取卸荷、反压、重整修坡等措施。

4.4 对填埋作业活动的影响

填埋场作业活动应提前计划，精确实施，提前对沉降问题进行预估并采取应对措施。填埋作业高度、摊铺路线、加层厚度应准确测量，严格控制，避免被动应对因沉降引起的堆体表面高程变化。垃圾车驾驶员、填埋场工作人员须掌握有关安全操作规定与知识，在指定路线、区域内从事相关活动，卸料指挥、摊铺压实作业人员应密切关注堆体形变，防止车辆、机械倾覆等危险发生。雨污分流、气体收集设施应根据沉降情况随时维护、调整坡度、保持功能，并对可能因沉降产生的隐患进行排查，重点包括填埋气管道的状况、堆体可能滑落的危险物体等。

5 结语

垃圾降解过程贯穿填埋场运行管理与封场维护全过程，是研究沉降问题的核心，填埋场运行维护工作亦对堆体沉降产生过程影响。理想状态下，填埋场应控制垃圾进场速率，大面积、低厚度摊铺垃圾，以最大程度利用库容，抑制沉降不利影响。实际工作中，填埋场垃圾处理量取决于其服务范围，而受恶臭控制、雨污分流及摊铺距离限制，作业区面积亦被严格控制，沉降问题须采取科学制定填埋计划、强化排水设施建设维护、限制垃圾层厚度、科学回灌等措施加以合理解决。

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