城市固体废弃物填埋场的岩土工程问题

第23卷第5期岩土力学Vol.23No.52002年10月RockandSoilMechanicsOct.2002收稿日期：2001-09-03作者简介：刘毓氚，男，1971年出生，博士,主要从事软基处理、危房加固纠偏及环境岩土工程研究工作。文章编号：1000－7598－(2002)05－0618－04城市固体废弃物填埋场的岩土工程问题刘毓氚1,2李琳3贺怀建1（1.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北武汉430071；2.福州大学土木建筑工程学院,福建福州350002；3.湖北建工房地产股份有限公司,湖北武汉430071）摘要：论述了国内外城市卫生填埋场相关的岩土工程问题及其研究现状，包括卫生填埋场填埋体物理力学性质、卫生填埋场的防渗系统和边坡稳定等一系列岩土工程问题，在此基础上初步探讨了我国城市卫生填埋场相关岩土工程问题的发展前景。关键词：环境；岩土工程；城市；卫生填埋场中图分类号：TU753.8文献标识码：AInvestigationongeotechnicalproblemsofmunicipalsolidwastelandfillLIUYu-chuan1,2,LILin3,HEHuai-jian1（1.InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China;2.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;3.HubeiArchitectureEstateCorporationLtd,Wuhan430071,China)Abstract：Thegeotechnicalproblemsofmunicipalsolidwaste(MSW)landfillarediscussed.Atfirst,thecompendiumofMSWlandfillinChinaisdescribed.Secondly,thepresentsituationofresearchinthisdomain,includinggeotechnicalpropertiesofMSWlandfillmaterials，landfillliningsystemandlandfillslopestabilityarediscussedemphatically.Finally,theresearchprospectsofthegeotechnicalproblemsofMSWlandfillinChinaarealsobriefed.Keywords:environment;geotechnicalengineering；city；municipalsolidwastelandfill1前言随着城市建设的发展、居民生活水平的提高，城市生活垃圾产生量与日俱增。这些垃圾不仅污染环境、破坏城市景观，而且传播疾病、威胁人类的生命安全，成为社会公害之一。因此，城市生活垃圾问题是我国和世界各大城市面临的重大环境问题。据统计，自1979年以来，我国城市垃圾平均以每年8.98%的速度增长，少数城市如北京的增长率达15%～20%。1998年清运量已达1.15×109t，预计到2000年达(1.2～1.4)×109t。我国城市垃圾在产量迅速增加的同时，垃圾构成及其理化性质也相应地发生了很大的变化。我国城市生活垃圾构成拥有以下变化趋势：（1）有机物增加；（2）可燃物增多；（3）可回收利用物增多；（4）可利用价值增大。表1显示1990年、1995年和1998年北京城市生活垃圾成分比例。从表1可以发现，我国城市垃圾中的灰土等无机成分下降，纸类、食品、金属、塑料、玻璃和织物等相对经济价值较高可直接回收成分明显上升。垃圾成分的这种变化趋势有利于生活垃圾的资源化。1.1城市生活垃圾污染现状我国传统的垃圾消纳倾倒方式不仅浪费了资源，也造成了严重的环境污染。①垃圾的露天堆放，使大量氨、硫化物等有害气体的释放，严重污染了大气；②垃圾堆放腐败过程中将产生病原微生物、重金属和有机污染物三位一体的污染源，雨水淋入和生物水解产生的渗滤液必然会造成地表水和地下水的严重污染；③垃圾场往往是蚊、蝇、蟑螂和老鼠的孽生地，垃圾中有许多致病微生物，它们都严重危害着广大市民的身体健康；④侵占大量土地。据初步调查，1998年全国668座城市中已有2/3被垃圾环带包围。全国垃圾堆存占地累计第5期刘毓氚等：城市固体废物填埋场的岩土工程问题表1北京市城市垃圾成分构成表Table1MSWComponentinBeijing（%）时间食品灰土纸类塑料玻璃金属织物草木砖瓦199024.8953.224.565.083.100.091.824.134.11199535.9610.9216.1810.3510.202.963.568.371.50199836.125.6417.8911.3510.703.344.119.121.115万平方公里；⑤垃圾爆炸事故不断发生。随着城市垃圾中有机物质含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆存，只采用简单覆盖易造成产生甲烷气体的厌氧环境，易燃易爆。据调查统计，全国至少有20座城市出现过垃圾爆炸伤亡事故。目前，我国城市垃圾处置的最主要方式是填埋，约占全部处置总量的70%以上；其次是高温堆肥，约占20%以上；焚烧量甚微。1.2卫生填埋场岩土工程问题概述正规的城市卫生填埋场，主要由组合衬垫系统、渗滤液收集和排放系统、气体收集系统和最终覆盖系统组成[1]，其典型剖面如图1所示。图1城市卫生填埋场示意图[1]Fig.1OutlineofMSWLandfill从外形上看，一般可将城市卫生填埋场的形式分成5类（见图2）[1]：（1）面上堆填填埋过程只有很小的开挖或不开挖通常适用于比较平坦且地下水埋藏较浅的地区（图2a）；（2）地上和地下堆填填埋场由同时开挖的大的单元双向布置组成，一旦两个相近单元填起来了，它们之间的面积也可被填起来。通常用于比较平坦但地下水埋藏较深的地区（图2b）；（3）谷地堆填堆填的地区位于天然坡度之间，它可能包括少许地下开挖（图2c）；（4）挖沟堆填与地上和地下堆填相类似，但其填埋单元是狭窄和平行的，通常仅用于比较图2城市卫生填埋场类型[1]Fig.2TypesofMSWLandfill小的废物沟（图2d）；（5）坡地堆填利用坡地和挡土墙拦蓄固体废弃物，通常适用于山坡地区（图2e）。城市卫生填埋场工程设计和施工顺序大致包括：合理选址、组合衬垫系统材料选择、渗滤液估算、渗滤液收集排放系统设计、气体收集系统设计、边坡稳定分析、挡土墙抗倾覆分析、最终覆盖系统设计以及施工质量控制等。与城市卫生填埋场相关的岩土工程课题应包括：①研究填埋体的物理力学性质；②填埋场边坡稳定分析；③填埋场渗滤液运移规律；④新型防渗材料研制等等。这些课题619岩土力学2002年的研究有利于确定城市卫生填埋场合理的设计原则和施工程序，确保渗滤液有效控制和填埋物的长期稳定。2填埋场岩土工程问题研究现状由于填埋场填埋材料是由固体废弃物、中间覆盖土层和土工合成材料等多种物质组成的，这些物质通常为多孔的、非饱和和不连续性的，各种物质材料之间变形不相容，同时填埋材料试样制备较为困难，因而填埋场填埋材料的物理力学性质的确定不是一件很容易的事情。国外学者从上个世纪70年代就开始这方面的探索，采用了室内试验、现场试验和反分析等研究手段开展确定填埋材料物理力学性质的研究。美国Maine州中心填埋物在现场采用16ft2的混凝土剪切盒对填埋材料进行大直径直剪试验[2]，结果显示填埋材料c=0～23MPa，=24°～41°。kavazangians〔3〕等根据垃圾填埋物载荷试验结果，反算了美国典型填埋体的抗剪强度指标。Eid[4]以1996年发生在俄亥俄州美国最大的一次城市填埋物边坡失稳为例，采用现场试验、室内试验及失稳边坡反分析等手段，研究了填埋材料剪切强度，其典型的-曲线如图3所示。图中表明有效应力摩擦角大致为35°左右，凝聚力c′处于0～50kPa范围内，平均值为25kPa。国内方面，虽然起步较晚但起点较高，以陈云敏为代表的一批学者相继开展了填埋材料物理力学性质确定的研究。文献[5]结合国内外相关研究成果，分析了填埋材料有机物的降解规律和孔隙比的变化特点，给出了填埋材料压缩性的数学描述，并提出了控制填埋材料压缩性的合理建议。图3填埋体剪切强度汇总[4]Fig.3SummaryofShearStrengthofMSW文献[6]结合某城市固体垃圾填埋场在填埋过程中曾经发生滑坡的工程实例，进行了填埋场填埋材料现场静力触探和室内试验，研究了填埋材料的组成成分、物理性质指标和不固结、不排水抗剪强度指标。综合分析现场试验和室内试验的成果，给出了该填埋场填埋材料的物理力学指标（见表2）。表2填埋材料物理力学指标Table2theGeotechnicalPropertiesofMSWLandfillMaterials埋深Z/mC/kPa/()天然重度/kN·m-3孔隙率n/(%)干密度/kN·m-3Z≤4.56.017103.657.04.5Z≤1411.517103.257.6Z1415.517.5102.58.5填埋场边坡失稳现象在国内外时有发生，边坡失稳常引起填埋场渗滤液泄漏，污染周围环境，给国民经济造成难以换回的损失,已经引起了岩土工程界的高度关注。1991年Mitchell等人[6]曾就美国加州KettlemamHill填埋场边坡滑动进行检验，发现用传统2-D分析安全系数约为1.2～1.25，但采用3-D分析则安全系数为1.08，若考虑填埋体湿度，则安全系数降至1.01。从整体而言，现场安全系数应在0.85～1.25之间，环境改变很容易引起填埋场边坡失稳。在此基础上,进一步对填埋场的稳定进行了土工分析，提出了填埋场设计施工的指导建议。国内方面，陈云敏[7]等人结合某卫生填埋场工程，计算分析了填埋场的边坡稳定性，讨论了填埋场中渗滤液（含水、废气和有机废液）的饱和度、边坡角度和浸润线埋深对填埋场边坡稳定的影响。城市卫生填埋场另一项研究内容是如何防止卫生填埋场渗滤液污染周围环境（特别是地下水），填埋场核心工程设施，如最终覆盖系统、衬垫系统的设计均以此为主要目的。其最终覆盖系统主要功能是阻止降雨、地表径流进入填埋场，减小渗滤液的产生；衬垫系统主要目的是拦截和收集已产生的渗滤液，防止其污染地下水。为此，城市卫生填埋场衬垫系统对于减小渗滤液扩散的有效性问题得到了广泛的关注。现代卫生填埋场通常采用复合衬垫，如压实粘土衬垫和土工膜合成，或土工合成材料粘土衬垫等等。Kim[8]为了解渗滤液在压实粘土衬垫中的运移规律，做了一系列小尺度柱状实验和大尺度箱形实验，发现渗滤液中不稳定混合物浓度对压实粘土渗透性影响不明显。刘建国等[9]在实验中建立了一个具有填埋场典型构造的单元隔离系620第5期刘毓氚等：城市固体废物填埋场的岩土工程问题统，通过模型试验，研究了不同最终覆盖系统、衬垫系统防渗配置下系统内的水分运移规律，为填埋场的优化设计提供了科学依据。黄婉荣等[10]试验研究了不同加砂量对压实粘土渗透系数、体积收缩率的影响，结果表明当粘土中加砂量为30%～40%时，压实粘土砂土混合材料击实可获得低渗透率和低收缩率等优点，较好解决了填埋场施工过程中压实粘土衬垫的干裂问题。在此基础上，建立了适用于填埋场衬垫系统防渗土的适宜加砂量范围，该成果对于国内填埋场工程粘土衬垫的设计具有一定指导意义和参考价值。综上所述，国内外学者针对城市卫生填埋场相关的岩土工程问题，如填埋场填埋体的物理力学性质、填埋场边坡稳定问题和填埋场防渗问题展开了多方面的研究，取得了一系列有益的研究成果，有的研究成果已经用于指导城市卫生填埋场设计和施工的工程实践中。3国内填埋场岩土工程问题发展前景初探国内对于城市卫生填埋场相关的岩土工程问题研究起步较晚，特别是不同城市卫生填埋场填埋体的物理力学性质指标和抗剪强度指标的试验资料