岩土工程技术在现代卫生填埋场设计中的应用

城市垃圾处理常用填埋法、堆肥法和焚烧法。我国垃圾混合收集，成分复杂，N、P、K含量低（<5％），可利用价值不大，而且，从处理成本上看，填埋法最低，约为堆肥法的1/3，焚烧法的1/10。因此，在很长一段时间内，卫生填埋将成为我国城市垃圾处理的发展方向。
目前我国城市垃圾年产量已达1.2亿t左右，而且正以每年8％左右的速度增长。近10年来，一些大、中型城市相继修建了城市垃圾卫生填埋场，如北京阿苏卫卫生填埋场、杭州天子岭卫生填埋场、上海老港卫生填埋场、广州李坑卫生填埋场、苏州七子山卫生填埋场、深圳下坪卫生填埋场等，但仍有一半以上的垃圾未经任何处理。严峻的现实促使许多城市扩建或兴建新的卫生填埋场[2-7]。
1岩土工程技术在现代卫生填埋场设计中的应用
1.1填埋场的选址
（1）天然弱透水层的存在及其适宜性（厚度，埋深，水平向连续性，透水性，吸附能力）；（2）填埋地域及周围地下水情况和渗透性，可能要求提供地下水运动模型；（3）天然或人工边坡的稳定性；（4）地基土的承载力和变形特性；（5）场地土可作为防渗层使用的粘土密封层材料和作为排水层滤料材料的可能性评价；（6）断层，可能的塌陷、失稳、地震和其他灾害的风险。
与普通构筑物不同，为了防止渗沥液造成二次污染，选址对场地的隔水条件及地基土的不均匀沉降有相当高的要求。如果天然隔水条件良好，可节约大量的人工防渗处理费用；地基不均匀沉降可造成衬垫层的拉裂，使渗沥液外泄造成二次污染。
1.2填埋场设计中的岩土工程问题
（1）废弃物堆积体的稳定性。包括外部稳定与内部稳定两方面问题。
外部稳定问题包括堆积体周围所有临时与永久性边坡在运转阶段及以后潜在失稳区段的废弃物强度与变形性能。不同的低抗剪强度衬垫层之间，也可能发生层间剪切失稳，而这与衬垫层体系的材料类型和组成有关。
内部稳定问题指在场地内堆放废弃物的准则，以避免垃圾堆积体内部失稳。
（2）废弃物堆积体的变形。填埋场设计时，必须注意使废弃物堆积体的竖直和侧向变形不会导致堆积体衬垫层系统和其他组成构件的损害，还应事先预估垃圾的差异沉降和伸展变形。
（3）密封层（衬垫层与封闭层）的设计问题。进行填埋场设计时，应对废弃物堆积体的密封系统（即底部衬垫层和封顶层）进行长期有效性与稳定性分析。包括密封层的截污容量，密封层的变形评估，密封料对冲刷与潜蚀的抵抗力，密封层的抗剪强度分析等。
（4）动力问题。卫生填埋场与其他构筑物一样，也会受到动力荷载，如地震荷载和交通荷载的作用。因此在设计卫生填埋场时必须考虑动力问题，特别在地震活动区域。
地震对填埋场的直接危害在于破坏密封层、气液体的排放和处理系统、填埋场场区的排水系统。此外，地震可造成饱和砂土地基的地震液化、饱和软土地基的震陷、地震荷载下的边坡失稳等。这些均危及填埋场的安全，可能造成严重的二次污染事故。
（5）污染物迁移的计算分析。废弃物填埋场通常都修建于最高地下水位以上，虽然有密封措施，但仍会有少量渗沥液从填埋场底部渗出。因此，实际设计时，应考虑到污染物在土壤和地下水介质中的迁移特性。
1.3相关工程性质指标
1.3.1垃圾土的工程性质指标
垃圾土工程性质指标的测试与选取中，应强调垃圾土中的生物化学作用对土体工程性质指标的影响，这是垃圾土与一般土体不同的地方。垃圾土中的有机物降解随着渗沥液排出，土中有机物的比例不断降低，无机物含量增加，相应垃圾土的强度、模量等均有一定程度增长。因此，不但要考虑垃圾土在自重固结作用下土性参数的变化，更要考虑生化作用对垃圾土工程性质的影响。
由于我国垃圾分选性差，成分复杂，所以在垃圾土性质的测定中，强调利用长期监测资料进行反分析与室内外试验相结合的方法。这就要求在垃圾填埋场中埋设一定数量的分层沉降管、测斜管等监测仪器，定期进行采集数据，并结合室内外试验，像垃圾土成分分析试验、三轴试验、原位大型剪切试验等，进行综合分析。只有这样，才能准确获取不同阶段垃圾土的工程性质指标。
1.3.2密封层的工程性质指标
对用做密封层材料的粘土，应进行有关土分类的试验，特殊情况下，需要进行定量矿物分析。此外，应确定粘土压实度及相应的渗透系数。为了稳定性计算要求，要测定压缩与膨胀性能和抗剪强度。为评估渗沥液对密封粘土长期性能的影响，特别是对最细颗粒中粘土矿物的影响，可对密封料或其中最细粒组进行试验，查明土的物理指标变化。可通过室内实验测定离子交换量，通过X射线衍射分析测定粘土矿物含量的半定量描述；通过现场试验，测定压实度、适宜含水量和密度、渗透系数等。

对复合密封层，要评价粘土层与土工薄膜或土工布之间的剪切性能，需进行剪切试验，如大型直剪试验等。试验中的法向应力要能代表现场实际条件。
1.3.3土工布及土工薄膜的相关特性测试
填埋场施工中，土工布的用途为：保护土工薄膜和其他衬垫层、排放系统中的过滤作用、流体的排放、对土或废弃物的加固（加筋）作用。与这些用途相适应，需要对土工布进行相关特性的测试。对土工布需要进行长期化学相容性测试，以保证土工布的长期功能，尤其是防止阻塞与化学腐蚀抵抗力。
土工薄膜作为填埋场的组合衬垫层或封顶层系统的结构部件，主要作为流体阻隔层；这种功能必须满足长期的需要。对于底部衬垫，土工薄膜的长期化学稳定性是主要选用条件。其力学性能应该经得起铺设时和运转时的荷载。对于填埋场的倾斜表面，土工薄膜的摩擦性能极为重要，可选择纹理土工薄膜。封顶层系统的土工薄膜，应当经得起局部的差异沉降，此外可能会有填埋场气体凝聚在土工薄膜的底面，因此其力学强度和化学侵蚀抵抗力很重要。对土工薄膜需进行长期液体渗透性试验及气体渗透试验、拉伸试验、接头拉伸试验、施工损坏试验、高温稳定性试验、化学蜕变抵抗力试验等，获取相关的设计参数。
2我国卫生填埋场的设计现状
《生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17-2004）（6.0.6条）对填埋场选址作了严格规定。“填埋库区地基应是具有承载填埋体负荷的自然土层或经过地基处理的平稳层，不应因填埋垃圾的沉降而使基层失稳。填埋库区底部应有纵、横向坡度，纵、横向坡度均宜不小于2％。”在设计中，必须考虑场地地基土的稳定性与沉降及不均匀沉降，地基问题在选址时就应加以考虑。
在自然防渗和人工防渗处理中，规范（6.0.2条）规定：“天然粘土类衬里及改性粘土类衬里的渗透系数不应大于1.0×10-7cm/s，且场地及四壁衬里厚度不应小于2m。”当填埋场不具备粘土衬里或改良土衬里防渗要求时，宜采取自然和人工结合的防渗技术措施。规范第6.0-3条“在填埋库区底部及四壁铺设高密度聚乙烯（HDPE）土工膜作为防渗衬里时，膜厚度不应小于1.5mm，并应符合填埋场防渗材料性能和现行国家相关标准要求。”值得注意的是，现行规范（CJJ17-2004）较已废止的《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17-2001，J122-2001）在人工防渗系统结构上作了较大修改。
2001规范的衬里防渗结构中，土工膜缺乏适当的保护，膜下直接为细粒土及砂石导水层，导水层下即为地基。若土工膜被刺破或有孔洞，渗沥液在导水层中形成水平渗流，即可进入地基中形成二次污染。而现行2004规范作了较大改进，在高密度聚乙烯（HDPE）土工膜上下均要求铺设一定厚度的保护层，从而防止土工膜意外破坏引起的渗沥液泄漏。在填埋工艺中，规定垃圾压实度应大于600kg/m3，单元每层垃圾层厚宜为2～3m，最大不得超过6m。但对垃圾土需要达到的最低强度指标则未做限制。
渗沥液导流处理以及排气与防爆中，规定了排放系统采用的结构方法，未对其强度及沉降适应能力做出明确要求，亦未对排放系统的长期有效性做出要求。
应该指出的是，整个规范缺乏对卫生填埋场填埋过程及封场后废弃物的稳定性及变形验算的严格规定。仅对地基土的沉降做了规定，对废弃物自身的沉降问题未做考虑，而后者对填埋场的排液排气系统，密封系统以及填埋场的库容是非常重要的。仅含糊地规定了填埋体单元坡度不宜大于1:3，未明确填埋过程中废弃物堆场的外部及内部稳定性的验算。缺乏对复合衬垫（里）层与土体相互作用的考虑。对于填埋场的动力问题，规范未做任何规定。
笔者收集了我国一些卫生填埋场的设计资料。资料表明，现在的设计水平基本与规范的要求一致或低于规范要求。我国目前的设计主要考虑下面几个问题：卫生填埋场的选址如何符合规范的要求；填埋场的防渗如何达到渗透系数不应大于1.0×10-7cm/s的要求；如何在空间上布置石笼、盲沟等作为排水排气结构；填埋场区的防洪与排水措施，如截洪沟、溢洪道、排水沟等。缺乏对地基不均匀沉降问题，填埋场的内外稳定性分析问题及地震等动力荷载等所进行的分析，更无从谈起这些因素对填埋场密封及排水排气结构的影响问题。
3结语
由以上分析可见，岩土工程技术在卫生填埋场设计中占有主导地位。从填埋场选址到设计，涉及到岩土工程勘察、土工测试、变形稳定计算、地震动力分析等方面的内容。而从设计的现状来看，应进一步补充并加强对垃圾土的压实及强度要求、地基不均匀沉降及填埋场的内外稳定性分析验算，以及地震等动力荷载的影响分析等内容。
参考文献略