现代生活垃圾卫生填埋场的研究现状及存在的问题
1引言
我国现有城镇居民超过4亿，年产生活垃圾超过1.5亿t，目前最常用的处理方法为堆肥、焚烧和填埋。前两种方法在我国应用非常广泛，但是它们对环境的污染是非常严重的；我国也有很多城镇采用填埋方法处理生活垃圾，但是由于资金和技术手段的限制，绝大多数填埋场只是进行简单的填埋处理，不具备必要的环境保护设施，因此对环境仍然具有非常恶劣的影响。随着人类环保意识的增强，兴建生活垃圾卫生填埋场的呼声也越来越高。现代的生活垃圾卫生填埋场包括复合衬垫系统、渗滤液收集和处理系统、气体收集系统和封盖系统等几大组成部分，可以有效地隔绝垃圾体和周围环境，使之对环境的影响降到最低，图1为现代生活垃圾卫生填埋场简图。
从现代生活垃圾卫生填埋场设计施工的角度出发，针对垃圾填埋场可能遇到岩土工程问题的几个方面，包括垃圾体的物理力学性质、衬垫系统和封盖系统的设计与施工、填埋场的沉降、稳定性和监测，在总结了国内外学者研究现状的基础上，提出了需要注意或需要解决的岩土工程问题，为垃圾填埋场的设计和相关研究提供了参考。
 图1现代生活垃圾卫生填埋场简图[1] |
2国内外学者的研究现状
2.1垃圾体的物理力学性质
垃圾体的物理力学性质是分析垃圾体沉降和稳定性的前提和基础，因此关于这方面的研究显得非常重要。国外的研究工作开展较早，资料也较多；而国内对垃圾体性质的研究起步较晚，有关垃圾体物理力学性质指标的资料极其匮乏。
钱学德总结了国外对于垃圾体物理力学性质的研究成果，他所总结的各项指标见表1。浙江大学的陈云敏、张振营等在杭州天子岭生活垃圾填埋场进行了6个孔位的静力触探试验，并利用钻机钻取原状土样42桶进行室内试验，所得到的垃圾体的物理力学性质指标见表2。
表1发达国家垃圾体的物理力学性质指标[2] |
表2杭州天子岭生活垃圾填埋场的垃圾体的物理力学性质指标[3，4] |
2.2衬垫和封盖系统
位于垃圾填埋场底部和四周的衬垫系统是一种水力隔离措施，用来将生活垃圾和周围环境隔开以避免其污染周围的土地和地下水。为了达到这一目的衬垫系统必须具有渗透性低、与所填垃圾长期兼容、吸附力高和传输系数低的特点。填埋场的衬垫系统通常包括过滤层、排水层(包括渗滤液收集系统)、保护层和防渗层等。其中防渗层的功能就是通过铺设渗透性低的材料来防止渗滤液迁移到填埋场之外的环境中，同时也防止外部的地下水进入填埋场中。根据其铺设方向不同，可将场地防渗分为垂直防渗和水平防渗两种。
水平防渗系统是在填埋场底部铺设防渗衬垫，将渗滤液封闭于填埋场中进行有控的导出，防止渗滤液向周围渗透污染地下水，同时也有阻止地下水流入填埋场。现代的生活垃圾卫生填埋场最经常采用的是双层复合衬垫防渗系统，其结构如图2所示。双层复合衬垫系统防渗层采用的是复合防渗层，防渗层之上为渗滤液收集系统，下方为地下水收集系统；通过在两道防渗层之间设排水层。用于控制和收集从填埋场中渗出的渗滤液。双层复合衬垫系统综合了复合衬垫系统和双层衬垫系统的优点：抗损坏能力强、坚固性好、防渗效果突出。封盖系统(见图3)是现代生活垃圾卫生填埋场的重要组成部分，主要目的是防止或减小大气降水的入渗，从而减小垃圾渗滤液的产量和气体的产量，并且可以阻止气体污染空气，阻止风雨对垃圾体的侵蚀。
垂直防渗系统是在填埋场一边或四周设置垂直的防渗工程，经常应用于坡地型或山谷型填埋场的防渗系统，如杭州的天子岭填埋场和南昌的麦园填埋场均采用了帷幕注浆技术进行垂直防渗。
 图2双层复合防渗系统示意图 |
 图3封盖系统结构示意图 |
2.3填埋场的沉降研究
沉降是垃圾填埋场稳定化进程的宏观表现和重要考察指标，因此，垃圾填埋场的沉降规律一直是填埋场研究中的重要课题。OπLeary等[5]指出一般填埋场场地沉降要持续25a以上，其总沉降量为垃圾初始填埋高度的25%～50%，其中50%以上发生在封场后的第一年。Bleker等[6]指出垃圾体沉降的机理为：(1)机械的原因：扭曲、弯曲、压碎和重定向；(2)颗粒混合：细小颗粒进入较大的孔隙中；(3)物理化学的原因；(4)生物降解。Wall等 [7]将垃圾填埋场的沉降分成三部分：初始压缩沉降；主压缩沉降和次压缩沉降。初始压缩沉降是外荷载作用下直接产生的，类似土的弹性压缩变形；主压缩沉降是由于孔隙中水和气体的排出引起的，是一个类似太沙基固结的过程；次压缩沉降是由于垃圾体的蠕变和降解引起的，是垃圾填埋场沉降的主要部分。刘疆鹰等 [8]推导出计算次压缩沉降的公式，利用此公式计算上海市老港垃圾填埋场的次压缩沉降，并与实测沉降进行对比，发现计算值和实测值非常吻合。
2.4填埋场的稳定性研究
垃圾填埋场和一般岩土体一样也存在稳定性问题，近年来，国内外发生了不少垃圾填埋场因稳定性不足而造成的破坏。 2002年6月14日，重庆沙坪坝区凉枫垭垃圾场也因暴雨而滑塌[1]，因此，垃圾填埋场的稳定性问题应该得到设计人员的重视，采取必要的工程措施。垃圾填埋场的稳定性可以从三个方面进行分析：衬垫系统和封盖系统的稳定性；垃圾体的稳定性和地基的稳定性。
国外学者把目光放在衬垫和封盖系统内部，他们通过室内试验和现场试验来分析研究GCL与相邻HDPE膜的接触面和GCL内部膨润土的抗剪强度。Stark等[9]用扭转环剪切仪对采用三种不同工艺制成的HDPE膜与无纺土工织物之间的接触面进行剪切试验。Stark等[10]还通过扭转环剪切仪来分析评价针织的GCL中膨润土对GCL和 HDPE膜试样剪切强度的影响。Danel等[11]在美国俄亥俄州辛辛那提对封盖系统的稳定性做了14块试验场地，封盖系统采用GCL和HDPE膜作为防渗系统，但是14块场地的GCL和HDPE种类和接触方法不相同。试验结果为：9块坡度为50%的场地中，有3块发生失稳破坏，有4块出现较大的变形；而5块坡度为33.3%的场地均处于稳定状态。国内学者的研究重点放在了垃圾体本身的稳定性分析上，提出采用摩尔2库仑理论来分析垃圾体的稳定性，并提出采用毕肖普条分法进行稳定性验算[1，3]。
2.5岩土工程监测
施工过程和垃圾堆填过程的监测可以对施工和堆填进行指导，避免出现不良后果。而且垃圾填埋场的监测可以为研究人员和设计人员提供所需的参数。垃圾填埋场的监测包括垃圾体的含水量，衬垫或封盖系统的不均匀沉降，垃圾填埋场的水平向倾斜和竖向倾斜、沉降等几个方面的监测。S.T.S.Yuen等[12]提到了含水量监测的4种方法：电磁学的方法；电或热传导方法；表面张力法和中子散射法。他们着重分析了中子散射法的优缺点以及试验室和现场应用，结果证明这种方式是监测垃圾填埋场含水量的最理想方法。Daniel等[11]在进行试验场地封盖系统的稳定性试验时提到了对封盖系统进行不均匀沉降监测来检验其稳定性，在试验场地封盖系统的两侧分别埋设5个沉降监测装置来监测其不均匀沉降。
3存在的问题与建议
3.1垃圾体的物理力学性质
生活垃圾的构成极不均匀，其物理力学性质变化范围也很大，这就导致了垃圾体物理力学指标的量测存在着很大的问题，具体包括：
(1) 不同地方的垃圾体成分相差很大，处理方法和工艺也有较大的差别，把其它地方的指标直接用于当地填埋场的设计和施工欠合理，因此最好的方法是对当地的垃圾体进行室内或现场试验测定这些指标。但是由于资金和技术的限制，也可以把垃圾体成分相似地区的垃圾体物理力学性质指标作为设计的参考。
(2)垃圾体成分极不均匀，各成分的物理力学性质离散性较大，小直径、小尺寸的试验结果难以反映垃圾体的宏观性质，试样也难以制作成型，对结果的其它影响因素较多，因此采用单一的试验方法难以合理反映垃圾体的实际物理力学性质，可以采用室内试验和现场试验相结合的方法。
(3)垃圾体的物理力学性质随时间而变，这是因为其中有机物不断降解和垃圾体的压缩造成的，因此不能用某一时刻的指标固定地作为设计的参考，最好采用动态的设计方法。
3.2衬垫系统和封盖系统的有效性
现代的生活垃圾卫生填埋场要求采用双层复合衬垫防渗系统和封盖系统，这些系统在国外已经得到了广泛的应用，国内外学者也做了大量的研究，但是仍然存在下列几方面的问题：
(1)在地下水位很高的地区使用时，由于地下水的浮托作用，水平防渗衬垫很难施工，即使铺设完成也极易受到破坏。这个问题可以通过采用垂直与水平防渗相结合的技术来解决。另一个途径是在填埋区四周设置降水井点，控制地下水水头。
(2)HDPE 膜安装和保护的问题。HDPE膜是防渗系统中最重要的部分，如果受到损坏，会对垃圾填埋场的防渗造成重大的影响，所以在安装和使用过程中必须特别注意。首先，HDPE膜的上下都要有垫层，不能直接与坚硬材料接触；其次，尽量避免埋设垂直穿孔的管道或其它构筑物，如果必须埋设，接口处必须进行严格的处理，防止渗漏发生；最后，HDPE的焊接一定要保证质量，严格按照安装操作规范进行。
(3)HDPE膜抵抗不均匀沉降的能力问题。由于垃圾体的不均匀性，垃圾填埋场会存在较大的不均匀沉降，这会对HDPE膜施加一个侧向拉力导致其发生拉伸变形。HDPE膜都有较强的延伸能力。但是如果局部不均匀沉降过大，就会导致HDPE膜的破坏，所以在垃圾填埋过程中要对底面沉降进行监测，如发现较大的不均匀沉降应及时采取处理措施。
(4)衬垫和封盖系统都存在着内部不同土工合成材料之间和土工合成材料内部的抗剪强度的问题。其中不同材料之间接触面是抗剪强度薄弱环节，特别是光滑的HDPE土工膜与 GCL的接触面抗剪强度非常低。如果实际剪切力超过它们本身的抗剪强度，不同材料之间就会发生剪切破坏，导致填埋场衬垫或封盖系统的破坏。
(5) 封盖系统存在的一个问题就是表面坡度的问题。封盖表面必须有一个坡度，这样封盖中排水层才能够及时快速地排出大气降水，但是考虑到封盖系统的稳定性，这个坡度也不能过大，否则就会发生剪切滑动破坏。Danel等通过试验得出，对于采用GCL作为封盖材料，坡度为33.3%比较稳定，而坡度为50%时容易发生破坏；钱学德等指出封盖表面的坡度在任何地方均应>4%，但也不宜超过25%。
3.3填埋场的沉降问题
(1)垃圾体的沉降和地基的沉降没有分开考虑。上面所提到的学者对沉降的研究都是指得总的沉降，其中他们的侧重点都在垃圾体的沉降部分。这种处理问题的方法适用于填埋场建于坚硬地基上的情况，对于建于软土地基上的填埋场，地基的沉降量不能忽略。进行地基沉降变形的研究，不仅为填埋场设计提供依据，而且为填埋场的运营提供参考。地基沉降部分只要能够获得较准确的地质资料和垃圾体的物理力学性质指标，就可以通过常用的沉降计算方法进行计算，但是上部垃圾体荷载的可变性是需要研究的不确定因素。在垃圾填埋过程中进行监测，有利于该问题的研究。
(2)由于垃圾体的沉降和有机物降解速率有很大关系，而有机物降解的速率是一个受很多因素影响的量，同时垃圾体是非饱和的，其压缩过程也不能简单的看作固结过程，因此垃圾体的沉降量是无法用数学公式进行计算的。解决这一问题，可以采用沉降预测的方法，就是通过监测到的某一时间段的沉降量来推测最终的沉降量。常用的沉降预测方法有指数曲线法、对数曲线法、双曲线法、Asaoka法、灰色预测法和变权重组合预测法等，究竟哪一种方法最符合垃圾填埋场沉降的规律和特点，这是一个需要解决的问题。
(3)生活垃圾卫生填埋场的防渗要求底部设置2%的坡度以便于垃圾渗滤液的排出。随着垃圾的堆填，地基发生沉降变形，尤其是垃圾体的形状一般为山丘形，所以地基发生的沉降也不均匀，呈斗状。这种情况下如何保证底面2%的坡度是一个重要的问题，而这一问题还没有引起国内外学者的关注。
(4)软土地区大沉降造成的问题。在软土地区修建的垃圾填埋场一般具有很大的沉降，如上海老港垃圾填埋场沉降量达到2m以上，在如此大的沉降下，如何保持衬垫和封盖系统的正常使用是一个值得关注的问题。还有一个问题就是如何减小软土地区的大沉降量?一般有两种方法解决这个问题：第一个就是采用加入塑料排水板通过加速沉降来减小封顶后的沉降量，而且塑料排水板也可以增加地基的强度，有效的减小沉降量，但是使用塑料排水板也遇到另外一个问题，那就是万一填埋场的衬垫系统发生破坏，那么塑料排水板反而可以为渗滤液提供排出通道，使之更加迅速地对地下水造成污染；另外一种减小大沉降量的方法就是减小垃圾体的堆高，但是这样就会影响垃圾填埋场的处理能力。
3.4填埋场的稳定性问题
(1)垃圾体稳定性的计算模型选取的问题。是否能够使用摩尔-库仑理论进行稳定性分析一直是国内外学者争论的焦点，能不能采用毕肖普条分法进行计算也有待进一步的验证。
(2) 稳定性研究方面的一个重要问题就是剪切试验仪器的问题。国内迄今为止没有进行衬垫或封盖系统剪切强度研究的重要原因就是国内不具备能够进行相关剪切试验的仪器。衬垫和封盖系统的剪切强度试验中，剪切破坏面不是认为指定的，而是在试验过程中自动出现在试样的最软弱部位；另外这种剪切试验要有比较大的变形才能够正确的量测剪切破坏面的残余强度，一般要求为500～700mm左右。而室内试验中常用的直剪仪因为人为规定了剪切面和无法进行大变形试验故不能用于此方面研究。所以要想从理论上进行突破，首先要研制和生产出能够进行剪切试验的仪器设备。
(3)衬垫和封盖系统稳定性中，剪切破坏面究竟发生在哪个部位仍然是研究的重点。国外学者对此进行了大量的试验研究，试验中采用了各种不同的土工合成材料和模拟了各种不同的接触方式，试验结果也表明绝大多数情况下破坏面出现在GCL和HDPE膜的接触面，但有时也出现在GCL的内部。但是破坏面的位置受到多种因素的影响，包括土工材料的生产厂家、土工材料的组成方式、GCL中膨润土的水化程度、试验中施加的正应力等，所以要想准确地确定剪切破坏面是一个非常困难的问题。
(4)针对衬垫或封盖系统内部的稳定性问题的研究还处于定性研究的水平，室内试验或现场模拟试验得出的剪切指标只能作为设计计算的参考，而且目前还没有比较合理的计算衬垫和封盖系统稳定安全系数的方法，这也为今后的研究工作提出了一个新的任务。
3.5岩土工程监测
(1) 保证监测设备在垃圾填埋期间和封场以后的正常使用问题。监测对于垃圾填埋场是否出现危害具有举足轻重的作用，所以必须保证其能够正常使用。比如沉降监测，一般要在底部埋设沉降监测仪，通过导线及其它装置与填埋场外面的某个固定标高点相连，但是由于垃圾填埋场的填高很大，沉降一般也很大，因此必须通过埋设过程中必要的措施来保证监测仪和附带设备在大沉降变形下的正常使用。
(2)对监测结果进行合理的分析，对可能出现的危害性结果进行及时准确的报警，这就需要监测人员具备丰富的经验和较高的理论水平，只有这样才能够避免乱报警现象和垃圾填埋场灾害的发生。
(3)应加强填埋场地基的沉降和孔压监测，以了解地基的不均匀沉降状态和地基的承载力，判断地基的沉降趋势和整体稳定性。通过这方面的监测结果也可以进行堆填方案的调整，保证垃圾填埋场底部2%的倾斜度，保证垃圾填埋场的正常使用。
4结束语
现代生活垃圾卫生填埋场是一个集垃圾填埋、环境保护和后期开发功能于一身的系统，设计、施工和运营过程中必然会碰到岩土工程、环境工程等领域的一系列问题，国内外学者针对这些问题进行了大量的研究工作，但仍然有很多问题没有受到他们的关注，如垃圾体的物理力学性质、衬垫和封盖材料的物理力学特性、不同材料之间的抗剪强度特性、衬垫与封盖系统的设计和施工质量监控、垃圾填埋场的沉降和稳定性分析以及填埋场的监测问题。
目前我国正在规划设计和建设中的生活垃圾卫生填埋场，将或多或少地遇到本文中提出的问题，研究工作者应该借此契机，展开对上述岩土工程问题的研究工作，为日后的生活垃圾卫生填埋场的设计施工积累经验。
参考文献
1赵由才，龙燕，张华.生活垃圾卫生填埋技术.北京：化学工业出版社，2004.
2钱学德，郭志平.城市固体废弃物(MSW)的工程性质.岩土工程学报，1998.(5)：1～4.
3陈云敏，王立忠，胡亚元等.城市垃圾填埋场边坡稳定分析.土木工程学报，2000.(3)：92～97.
4张振营，吴世明，陈云敏.城市生活垃圾土性参数的室内试验研究.岩土工程学报，2000.(1)：35～39.
5 Oπ Leary P ， Tansel B. . Landfill closure and long2term care. Waste Age ，1986. (10) ：53～54 ，58 ，60 ，64.
6 David E. Blerker，Grahame Farquhar and Edward McBean.Landfill settlement and the impact on site capacity and refuse hydraulicconductivity.Waste Management &Research，1995.13：533～554.
7Dran K. Wall，and Chris Zeiss. Municipal landfill biodegradation and settlement . Journal of Environmental Engineering ，1995. (3) ：214～224.
8 刘疆鹰，徐迪民，赵由才等.城市垃圾填埋场的沉降研究.土壤与环境，2002. (2) ：111～115.
9Timothy D. Stark，Thomas A. Williamson. Hisham T.Eid. HDPE Geomembrane/Geotextile interface shear strength. Journal of Geotechnical Engineering ，1996. (3) ：197～203.
10 Timothy D. Stark Hisham T. Eid. Shear behavior of reinforced geosyntheticclay liners. Geosynthefic Int . ，1996. (6) ：771～786.
11 David E. Daniel ，Robert M. Koerner ，Rudolph Bonaparte. Slope stability of geosynthetic clay liner test plots. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ，1998. (7) ：628～637.
12 S. T. S. Yuen ， T. A. Mcmahon ， and J . R. Styles. Monitoring in situmoisture content of municipal solid waste landfills. Journal of Environmental Engineering ，2000. (12) ：1088～1095.
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