城市垃圾填埋场有机物降解沉降模型的研究

第25卷第2期岩土力学Vol.25No.22004年2月RockandSoilMechanicsFeb.2004收稿日期：2002-11-08基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.59678020）和山东省教育厅资助项目（No.J00L54）。作者简介：张振营，男，1963年生，青岛建筑工程学院土木系教授，硕士生导师，浙江大学博士生，主要从事环境土工及桩基础方面的研究工作。文章编号：1000－7598－(2004)02―0238―04城市垃圾填埋场有机物降解沉降模型的研究张振营1.2，陈云敏1（1.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州，310027；2.青岛建筑工程学院土木系，山东青岛，266033）摘要：研究城市垃圾填埋场的有机物降解沉降是非常重要的，有机物的降解沉降是填埋场的主要沉降，并且降解沉降将持续很长一段时间，较大的沉降能够导致防渗系统的渗漏并损坏覆盖系统。由于垃圾的非均匀性，其土工特性随地域及时间而改变，所以，计算垃圾填埋场的降解沉降是比较困难的。在试验及理论推导的基础上，提出了一种有机物的降解沉降模型，该模型参数较少，利用该模型预测了天子岭垃圾填埋场的库容及有机物的降解沉降。关键词：垃圾填埋场；有机物降解；沉降模型中图分类号：TU441文献标识码：ADegradationsettlementmodeloforganicsubstanceofmunicipalsolidwastelandfillZHANGZhen-ying1，2,CHENYun-min1（1.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,china；2.DepartmentofCivilEngineering,QingdaoInstituteofArchitectureandEngineering,Qingdao266033,China）Abstract:Studyonsettlementoforganicsubstancedegradationisveryimportantformunicipalsolidwaste（MSW）landfills.Thelong-termsettlementofMSWlandfillresultingfromdecompositionwillusuallyrepresentthemajorproportionoftotalsettlement,anditislikelytocontinueformanyyears.AlargesettlementmayleadtobreakageofthegeomembraneanddamageofthecoversysteminamodernMSWlandfill.Itisaverycomplextasktocalculatethesettlementbecausethewastematerialexhibitsheterogeneousengineeringpropertiesthatvaryoverlocationsandtimewithalandfill.NowanewdegradationsettlementmodeloforganicsubstanceofMSWlandfillispresentedbasedonthetestingdata.Themodelhaslessparameter.ThedegradationsettlementofTianzilingMSWlandfillispredictedbyapplyingthemodel.Keywords:MSWlandfill;degradationoforganicsubstance;settlementmodel1前言垃圾填埋是处理城市垃圾最经济和最有效的方法之一，垃圾填埋场的沉降是环境土工中最关心的课题[1]。填埋过程中及封场使用后的十几年乃至几十年，填埋场均会发生沉降，填埋过程中较大的沉降可以增加库容，提高填埋场的利用效率，但封场后较大的沉降却会损坏填埋设施（如填埋场的覆盖系统、排水系统、防渗系统及气体收集系统等）或影响其正常使用，其结果是导致对周围环境的污染，影响人们的身体健康。填埋场的沉降主要由初始压缩、有机物的降解沉降、蠕变、物理化学作用及固结等部分组成，其中，垃圾中有机物的降解沉降占主导地位，因此，研究垃圾中有机物的降解规律及降解沉降就显得特别重要。本文在试验的基础上，研究了有机物的降解规律[2]，提出了有机物的降解沉降量计算模型和有机物降解沉降量随时间的关系表达式；研究了填埋场的库容，结合具体工程实例，预测了填埋场封场后不同时间的有机物降解沉降，为进一步深入地研究垃圾填埋场的总体沉降奠定了基础。2有机物的降解沉降模型2.1基本假定基本假定有：(1)垃圾土中的无机物颗粒及水不可压缩，填埋场垃圾土的降解沉降是由于气体的第2期张振营等：城市垃圾填埋场有机物降解沉降模型的研究压缩和有机物降解产生的渗滤水及气体的逸出而发生的压缩；(2)有机物降解后产生的气体、渗滤水能够顺利排出，因此，有机物的降解量即为降解沉降量；(3)垃圾土的干密度在有机物的降解过程中保持不变；(4)有机物的降解仅产生竖向沉降，不产生侧向挤出。2.2有机物的降解沉降模型垃圾土中的有机物含量可用下式表示：0s0mmmA（1）式中A为某一时刻t(或某深度z)垃圾中有机物的含量(%)；0m为某一时刻t(或某深度z)垃圾中有机物的干质量(kg)；sm为某一时刻t(或某深度z)垃圾中无机物的干质量(kg)。一般地02s02201s011;mmmAmmmA（2）由式（2）知0222s0111s1;1mAAmmAAm（3）则有0222011111mAAmAA（4）如图1所示，令垃圾土柱的横截面积为F，则2020210101;FhmFhm（5）式中01m，02m分别为1t，2t时刻垃圾中有机物的干质量（kg）；1h，2h分别为1t，2t时刻垃圾土柱的高度（m）；01，02分别为1t，2t时刻垃圾中有机物的干密度（t/m3）。则式（4）成为1012121202)1()1(FhAAAAFh（6）由于21hhs，式中，s为垃圾土柱的降解沉降量，则有102012121)1()1(1hAAAAs（7）又s0mmmm（8）图1垃圾土的四相图Fig.1ThesectionofMSW式中m为垃圾土的总质量（kg）；m为垃圾土中水的质量（kg）。而s0mmm；s00mmmA则有ms0mm（9）0s1mAAm（10）将式（9），（10）代入式（8）中000)11(1mAAmAAmm01mAm（11）式（11）两边同除垃圾土柱的体积，有VmAVm01；01A；10A同理22202111011;1AA（12）将式（12）代入式（7），有12211hAAAs（13）2.3模型参数的确定试验研究表明[2，3]，垃圾填埋场有机物的降解与填埋深度（填埋时间）成正比，当埋深z≤50m时，有以下关系式：bzaA（14）式中a，b为与填埋地域有关的参数。笔者对杭州天子岭垃圾填埋场的有机物含量进行了试验研究[2，3]。通过对试验结果的综合分析发现，当埋深z＞50m时，有以下关系式：239岩土力学2004年teAA0（15）式中0A为垃圾中有机物降解前的初始含量；t为垃圾的填埋时间；为降解参数。式（15）符合JamesC.S.Lu等人的研究规律[4]，但文献[4]取235.0，笔者的研究结果取5097.0。3垃圾填埋场的降解沉降3.1填埋场封场前有机物的降解沉降—预测库容将填埋场沿深度分为i层，则第i层的降解沉降量iS可用下式表示：iiiiihAAAS2211（16）式中iA1为第i层降解前的有机物含量（%）；iA2为第i层降解后的有机物含量（%）；ih为第i层的厚度（m）。封场前总的降解沉降量fS为iniiiiniihAAASS12211f1（17）库容增加形系数为HSf式中H为垃圾填埋场的高度（m）。填埋场的总库容H为HH)1(（18）3.2垃圾填埋场封场后有机物的降解沉降垃圾填埋场封场后有机物的降解沉降量hS为总的有机物沉降量S减去垃圾填埋场封场前有机物的降解沉降量fS，即：fhSSS（19）式中iniiiihAAAS12211（20）3.3垃圾填埋场封场后有机物的降解沉降与时间的关系封场后随着时间的增加，则有机物的降解沉降量增大，当时间很长，趋于无穷大时，有机物降解完毕，则有机物的降解沉降量稳定于总的有机物沉降量S。可以预测封场后某一时刻t有机物的降解沉降量tS为kteSSSt（21）当0t时，0tS；当t时，SSt。由式（21）知SeSkt)1(t；kteSS1t令kteU10（22）则SUSt0（23）式中0U为降解度；k为降解度系数，与填埋场的地域有关；S为封场后开始起算的填埋场的最终降解沉降量。4工程实例天子岭垃圾填埋场是我国按卫生填埋要求设计建成的第一座大型城市固体废弃物填埋场，于1989年9月开工，1991年4月投入使用，总库容为600×104m3，设计使用年限为13年，该填埋场建于山谷中。填埋时采用斜坡作业法，分层填筑，每层填完后，碾压0.4m厚的中间覆盖层，终场后，再碾压0.8m厚的最终覆盖层，填埋总高度约为120m。4.1库容增加量预测将填埋场按填埋高度分为12层，每层厚度为10m，利用式（17）并注意到当z≤50m时，采用式（14）；当z＞50m时，采用式（15）。杭州天子岭垃圾填埋场有机物的降解参数[2]为35a，27.0b，0.0975，填埋速度取每年10m。采用式（17）计算，填埋高度为120m时，有机物的降解沉降量为25.75m，即增加消纳的垃圾库容至少25.75m，如再考虑25.75m垃圾的降解，则库容还会增加。4.2垃圾填埋场封场后的沉降估计利用式（19），经计算封场t年后垃圾填埋场的有机物降解沉降量见表1。表1垃圾填埋场的有机物降解沉降量Table1DegradationsettlementoforganicsubstanceofMSWlandfill降解沉降量封场后时间/年0510152025303540Sh/m09.74714.61217.32018.87819.81620.37620.57820.693240第2期张振营等：城市垃圾填埋场有机物降解沉降模型的研究将表1的计算结果绘于直角坐标系中（图2），可以看出，随着时间的增加有机物的降解沉降量逐渐增大，当t时，有机物降解沉降稳定于21.248m。据式（21）～（23）可以反算降解度系数k。经过反算，降解度系数11.0k～12.0，从而，可得出天子岭垃圾填埋场有机物的降解沉降量随时间的关系表达式为SeSkt)1(t。（24）0510152025051015202530354045图2封场后有机物降解沉降量与时间的关系Fig.2Therelationshipbetweendegradationsettlementandtime5结语通过对垃圾填埋场有机物的降解规律及降解沉降量计算模型的研究，得出了以下有益的结论：（1）有机物含量的室内试验研究表明，当埋深z≤50m时，有机物的降解含量A与埋深z的关系呈直线关系，直线表达式为bzaA；当z＞50m时，有机物的降解含量A与填埋时间t的关系呈指数关系，指数表达式为teAA0，其中，降解参数0.0975。（2）垃圾填埋场有机物降解沉降量的表达式iiiiihAAAS2211，按此表达式，采用分层总和法，即可求出填埋场有机物降解沉降总量niiSS1。（3）垃圾填埋场考虑有机物降解的库容计算式HH)1(