城市生活垃圾填埋场沉降监测与分析

第32卷第12期岩土力学Vol.32No.122011年12月RockandSoilMechanicsDec.2011收稿日期：2010-05-18基金项目：国家自然科学基金项目（No.50878194，51010008，51009121）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（No.2010XZZX001，2010KYJD006）；苏州市科技支撑计划项目（No.520324）。第一作者简介：徐晓兵，男，1982年生，博士研究生，主要从事环境岩土工程方面的研究。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2011)12－3721－07城市生活垃圾填埋场沉降监测与分析徐晓兵1,2，詹良通1，陈云敏1，魏海云1,3，林伟岸1（1.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，杭州310058；2.天华建筑设计有限公司，上海200233；3.浙江省水利河口研究院，杭州310020）摘要：2006年9月起于上海老港填埋场开展了示范工程沉降监测项目。该生活垃圾填埋场占地面积约为200m×125m，共填埋了约15×104t来自上海城区的生活垃圾，最大填埋厚度约为9m。通过填埋期间埋设的水平沉降管，监测到该填埋场不同埋深处的沉降值。介绍了沉降监测系统的工作原理，分析了2006年底至2008年底为期两年的沉降数据。填埋场底部沉降管监测数据表明，场底地基沉降较小，两年的平均沉降为3.6～5.7cm；中部沉降管监测数据表明，该沉降管下方生活垃圾在上方垃圾填埋后产生了较大的压缩，从上方垃圾开始填埋至填埋完毕3个月内的压缩应变约为0.197～0.242；顶部沉降管和中部沉降管监测数据表明，该填埋场垃圾主压缩完成时间约为3个月；由于填埋垃圾有机物含量较高，其修正次压缩指数较大，约为0.066～0.070。关键词：城市生活垃圾；沉降；主压缩；次压缩中图分类号：TU196.2文献标识码：AFieldmonitoringandanalysisofmunicipalsolidwastelandfillsettlementXUXiao-bing1,2,ZHANLiang-tong1,CHENYun-min1,WEIHai-yun1,3,LINWei-an1(1.KeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,MinistryofEducation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.TianhuaArchitecturePlanningEngineeringLimited,Shanghai200233,China;3.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China)Abstract:Settlementmonitoringofafield-scalemunicipalsolidwastelandfillsiteinShanghaiLaogangLandfillwasconductedsinceSeptember2006.Thelandfillsitecoveredanareaof200m×125mandacceptedabout150000tonesofmunicipalsolidwastefromShanghai.Maximumheightofthewastesisabout9m.Settlementsatdifferentdepthsofthelandfillsiteduringfillingandafterclosureweremonitoredthroughhorizontalinclinometers.Theworkingprincipleofthehorizontalinclinometerwasintroduced.Twoyears’monitoringdatashowedthatbottomhorizontalinclinometerssettledfrom-3.6cmto-5.7cm.Wastesunderthemiddlehorizontalinclinometersexperiencedlargecompressionduetothedepositionofoverlyingwastes.Thecompressionstrainfromthebeginningoftheoverlyingwastes’depositiontothreemonthsaftertheendofthedepositionwasabout0.197-0.242.Monitoringdatafromthetopandmiddlehorizontalinclinometersindicatedthatthetimeneededfortheprimarycompressionofwastesinthetestsitewasabout3months.ModifiedsecondarycompressionindexC’αwasabout0.066-0.070,andwasrelativelylargecomparedtopublisheddatawhichmightduetothelargeamountoforganicmatterinthelandfilledwastes.Keywords:municipalsolidwaste;settlement;primarycompression;secondarycompression1引言由于城市生活垃圾组分复杂、高度非均质且具有高压缩性和生化降解特性，使得城市生活垃圾填埋场的沉降机制十分复杂，主要包括力学压缩、错动、生化降解及它们之间的相互作用[1－3]。填埋场的沉降将持续时间相当长，最终沉降可达初始填埋高度的25%～50%[4]。填埋场运行期间的沉降将增加填埋场的库容，填埋期间沉降的准确预测将有助于预测填埋场的容积量、填埋作业规划、填埋场衬垫和管道系统的设计及扩建方案的设计[5]。填埋场封场后的较大沉降（特别是不均匀沉降）容易导致填埋场埋设的管道系统（如气体导排系统等）和衬垫系统遭到破坏或失效。因此，沉降问题是影响垃圾填埋场设计、施工和运营的关键问题之一。除了通过室内试验研究垃圾体的压缩特性，还岩土力学2011年可以通过现场沉降监测来分析研究垃圾体的压缩特性。目前，国外在现场试验研究方面较深入。EI-Fadel[6]在某填埋场示范单元表面埋设了沉降监测点，研究发现渗滤液回灌增大了沉降速率；Marques[7]和Blight[8]在老填埋场表面埋设了沉降监测点，通过在老填埋场上方新填垃圾过程中的监测点沉降数据，分别分析了复合压缩模型的参数取值和新老垃圾体的压缩系数a（孔隙率e-应力p压缩曲线的斜率，d/daep）；Yuen[9]和Hunte等[5]在垃圾填埋场的不同埋深处埋设了沉降仪，分析了垃圾填埋过程中不同埋深处的沉降。反映我国垃圾组分特点的沉降监测数据较少。Liu等[10]利用上海老港填埋场某示范单元（4m厚的1995年垃圾）的表面沉降监测数据分析了其压缩模型的参数取值。填埋场表面的沉降数据反映了填埋场整体在封场后的沉降，由于填埋时间较早的垃圾体早已在封场前开始了生化降解，该沉降数据不能反映不同埋深处（不同填埋龄期）垃圾的压缩特性[11]。对于填埋场不同埋深处某监测点沉降数据而言，其数据往往得不到与相同埋深处其他点数据的对比分析。本文介绍了于2006年起在上海老港填埋场开展的示范工程监测项目和所采用的沉降监测系统的工作原理。该沉降监测系统具有可重复使用、跨度大（全断面分析）及精度高的优点，通过2006年底至2008年底为期两年的沉降数据，分析了示范填埋场不同埋深处全断面的沉降。本文工作将有助于进一步了解我国城市生活垃圾填埋场的沉降规律，并为针对我国填埋场生活垃圾的压缩模型研究提供现场数据基础。2工程概况及沉降监测方案生活垃圾填埋场示范工程位于上海老港填埋场的西北角。如图1所示，该示范填埋场长约为200m，宽约为125m；填埋场东侧底部建有隔堤，将填埋场分成1#和2#两个区域；在1#区域（图1中虚线位置）设置了间隔30m的两个沉降监测剖面（2#区域拟用于渗滤液回灌型填埋场的现场试验研究）。该示范工程还在1#区域开展了土压力和孔压的监测，但本文主要介绍沉降监测方案，并对沉降监测结果进行初步分析。如图2所示，该填埋场生活垃圾最大填埋厚度约为9m（包括中间覆盖层和封场覆盖层），共填埋了来自上海城区约15×104t生活垃圾，垃圾压实后的初始重度约为9kN/m3，生活垃圾组分如表1所示。填埋场底部防渗层为1.5mm厚的HDPE土工膜（平均高程约为4m），渗滤液导排层为50cm厚的砂砾石层；中间覆盖层为30cm厚的黏土层（平均高程约为8m），封场覆盖层为65cm厚的黏土层（平均高程约为13m）。图1示范填埋场平面示意图Fig.1Planviewoflandfillsite图2示范填埋场剖面示意图Fig.2Sectionviewoflandfillsite表1上海城市生活垃圾组分[12](单位:%)Table1CompositionofmunicipalsolidwastesfromShanghai[12](unit:%)有机物塑料、织物、木头玻璃、金属其他65302.52.5每个沉降监测剖面在3个不同高程处（平均高程约为4、9、12m）埋设了内径为53mm的HDPE管（后称沉降管），该沉降管为沉降仪探头（水压力计）测试时的行走轨道。沉降管埋设时，首先由挖掘机械沿南北向在作业面上开挖出深约60cm的槽，随后将沉降管放置在槽中，并进行垃圾回填并压实。沉降监测系统的工作原理如图3所示，沉降管内预先装有刻度绳，用于将沉降仪探头从管道一头拉向另一头。在沉降管两侧（或单侧）的出口处标定一基准点，每次测试时，将沉降仪探头拉至待测点，与探头相连的水管固定在基准点。利用频率读数仪测出待测点与基准点之间的水位差，从而可计算出待测点与基准点的高程差。每隔一段时间测量高程差的变化，得到在此间隔时间内待测点的沉降。3722第12期徐晓兵等：城市生活垃圾填埋场沉降监测与分析沉降仪的精度为7mm。该沉降监测系统具有可重复使用、跨度大（全断面分析）及精度高的优点。示范填埋场施工日程如表2所示，其中垃圾填埋厚度为各时刻已填埋垃圾的总厚度（从填埋场初始填埋时刻算起）。图3沉降仪工作原理Fig.3Workingprincipleofthehorizontalinclinometer表2示范填埋场施工过程Table2Progressoflandfillsiteconstructionandfilling时间/(年-月-日)垃圾填埋厚度/m施工情况2006-09-010底部衬垫系统和底部沉降管埋设，垃圾开始填埋2007-01-083中间覆盖层施工2007-02-075中部沉降管埋设2007-02-166中间覆盖层施工2007-03-019填埋场封场2007-04-059顶部沉降管埋设注：垃圾填埋厚度包括中间覆盖层、封顶覆盖层等。3底部沉降管底部沉降管埋设于2006年9月1日，第1次监测为2006年11月7日，此时底部沉降管上方已填埋了约1m厚的垃圾。第1次监测后，该沉降管上方又填埋了约7m厚的垃圾，示范填埋场于2007年3月1日封场，最近一次的监测为2008年11月22日。图4、5分别为填埋场东侧、西侧剖面底部沉降管监测结果。底部沉降管监测结果表明，沉降管高程实测结果与填埋场设计施工的底部高程较吻合（见图4(a)和图5(a)）。从填埋场南侧起，填埋场底部20～110m范围内有2.2%左右的坡度，高程差约为2m；0～20m和110～120m处放坡坡度约为3%；高程监测结果误差为1cm。由高程监测结果可分析得到沉降管的沉降，底部沉降管数据反映的是场底软土地基的沉降。图4(b)和图5(b)表明，底部沉降管在两年内的沉降较小，