垃圾填埋場沉降監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展
1 填埋場沉降的危害性及研究意義
1．1 對填埋場設(shè)計和建設(shè)的影響
固體廢棄物的沉降會直接影響到填埋場的有效容量。固體廢棄物屬于密度不均、孔隙度大的松散材料。在填埋過程中，隨著成分、每天覆蓋量、含水率以及壓實程度的不同，會產(chǎn)生不同程度的沉降變形。如果沒有充分考慮固體廢棄物的沉降變形，將會錯誤的估計填埋場的有效填埋容量及服務(wù)年限。再者，也可能會錯誤的給出防滲層、邊坡滲層等所要求的技術(shù)參數(shù)。這些都將會給業(yè)主和設(shè)計部門以不實的信息，造成國家或個人不必要的損失。
1．2 對填埋場安全運營的影響
固體廢棄物的沉降變形也直接威脅到填埋場的安全運營，主要包括對頂部蓋層、底部防滲層和邊坡穩(wěn)定等的影響。對頂部蓋層的影響主要是導(dǎo)致頂部防滲蓋層發(fā)生彎曲，致使頂部蓋層上形成洼坑積水，增加了防滲蓋層的拉伸和剪切作用，兩者超過一定限度的時候，就會破壞防滲蓋層。其將成為地表水進(jìn)入填埋場的通道，致使填埋場內(nèi)的淋濾液總量增加，水位抬升，加大其水頭和對周圍防滲結(jié)構(gòu)的滲透壓力。如果入滲量大時，可能會造成淋濾液向地表溢出，污染周圍的環(huán)境。
固體廢棄物不均勻沉降也可能破壞底部的防滲層。由于其上面的負(fù)載量大，堆體密度不均，形成不均勻沉降，造成防滲層不同程度的拉伸，其剪切作用將會破壞底部防滲層，對地下水造成污染。固體廢棄物的沉降還可能對邊坡防滲隔離層發(fā)生破壞，甚至可能引起填埋堤的失穩(wěn)，美國Columbia county landfill在1996年就曾發(fā)生過邊坡的穩(wěn)定破壞；填埋場內(nèi)的水平或豎直隔離層、排水設(shè)施和排氣管道等也都可能由于沉降或不均勻沉降發(fā)生戳斷或損壞。
隨著城市的發(fā)展，土地利用越來越緊張，填埋后的場地也可能會被用于建設(shè)用地，其沉降變形、穩(wěn)定性研究尤為重要。準(zhǔn)確方便的沉降監(jiān)測技術(shù)是研究填埋場沉降變形的重要前提，對于填埋場設(shè)計、建設(shè)和運營，甚至后期利用都至關(guān)重要。
2 固體廢棄物沉降監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀
固體廢棄物的沉降監(jiān)測主要包括監(jiān)測沉降變形的發(fā)展規(guī)律和獲取物理力學(xué)參數(shù)。其中，監(jiān)測沉降變形的發(fā)展規(guī)律可用于沉降模型的建立和驗證之前的計算結(jié)果。監(jiān)測固體廢棄物沉降變形的發(fā)展規(guī)律的技術(shù)分為室內(nèi)監(jiān)測技術(shù)和室外監(jiān)測技術(shù)。
2．1 固體廢棄物沉降監(jiān)測的室內(nèi)觀測技術(shù)
室內(nèi)觀測技術(shù)具有可以控制試驗條件和操作方便等優(yōu)點，是研究土體沉降變形必不可少的手段之對于固體廢棄物沉降研究，采用物理、化學(xué)和生物等多學(xué)科相結(jié)合，可以更深人的研究填埋場的沉降問題。當(dāng)前，國內(nèi)外填埋場的沉降研究都是建立在土力學(xué)基礎(chǔ)之上，再結(jié)合固體廢棄物固有的特性進(jìn)行改進(jìn)研究。
(1)測滲計(Lysimeter)研究。swati等利用5個測滲計評價不同新舊城市生活垃圾配比與其沉降之間的關(guān)系。觀測溶度計中垃圾堆體表面邊緣的沉降量。Kang 通過測滲計單獨考慮滲濾液回灌方式，研究生物降解與沉降之間的關(guān)系。趙由才等根據(jù)滲濾液的特性、垃圾成分和表面沉降量，比較不同容積測滲計中生物降解程度，得出實驗室內(nèi)小型的測滲計中生物降解沉降量更大。stessel等以測滲計表面沉降為檢測標(biāo)準(zhǔn)，在不同的注水、滲濾液回灌和通空氣的條件下，研究獲得最佳的生物降解環(huán)境。測滲計的容積可以隨意的調(diào)節(jié)，可以做室內(nèi)，也可以做成大型室外試驗設(shè)備，能夠有效的模擬填埋場的環(huán)境條件。室內(nèi)的測滲計由于容積較小，測滲計壁與垃圾堆體之間的黏著力，對沉降的監(jiān)測會造成較大的誤差。
(2)自制沉降試驗研究。劉榮等通過自制的沉降試驗裝置，基于傳統(tǒng)力學(xué)壓力試驗方法研究了MSW的壓縮特性。施建勇等考慮到生物降解特性，增加了滲濾液及反應(yīng)氣功能，研究MSW 變形。謝強(qiáng)采用土體蠕變試驗中的分別加載方式，通過在不同應(yīng)力大小的條件下，測定蠕變壓縮試驗儀中垃圾的溫度、滲濾液浸出量和縱向變形等，研究MSW的蠕變變形特性。孔憲京等利用壓縮一降解儀研究垃圾土中有機(jī)物降解引起的體積縮減量與時間的關(guān)系，就是模擬填埋場中不同降解條件及不同荷載條件下MSW的變形及生物降解過程，獲得MSW變形規(guī)律及生物降解規(guī)律。
當(dāng)前對垃圾廢棄物室內(nèi)沉降試驗都是在土力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)獲得的。有些只是測量在一定的應(yīng)力條件下的沉降量或是體積壓縮量，而不考慮其中的生物降解u卅。再者，有些只能單純的模擬填埋場的溫度、滲濾液回灌等影響因素，其與真正的填埋場的自然狀態(tài)差距太遠(yuǎn)；試驗裝置的設(shè)計和試驗條件的選擇，都沒有統(tǒng)一的規(guī)范。這樣就導(dǎo)致試驗結(jié)果沒有可比性。因此，試驗裝置的設(shè)計及試驗條件的規(guī)范都有待進(jìn)一步的完善和提高。
2．2 固體廢棄物沉降監(jiān)測的室外觀測技術(shù)
填埋場現(xiàn)場觀測是一項工程量大和時間長的工作。例如，生活垃圾填埋場堆體的沉降要持續(xù)二、三十年，甚至更長的時間才能夠穩(wěn)定下來。填埋場沉降觀測最基本的任務(wù)之一就是收集和分析現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)，為以后建立沉降數(shù)學(xué)模型奠定基礎(chǔ)，這也是填埋場建設(shè)和安全運營的重要手段之一。國外對于填埋場的研究開展的較早，現(xiàn)在常用的方法主要有沉降板、沉降計和振弦式沉降剖面儀等。
(1)沉降板。Al—Yaqout等采用沉降板監(jiān)測 Al—Qurain填埋場的沉降。其沉降板的底板是0.3m×0.3m，20mm厚的平面，測桿是直徑為25.4mm的電鍍金屬桿。但其埋設(shè)深度不深，只在l 5—20cm左右進(jìn)行沉降監(jiān)測。MerZ等也采用該方法對spadra填埋場進(jìn)行了1．5a的觀測。沉降板是目前在土體沉降和路基沉降觀測最常用的手段。其優(yōu)點是造價低廉，操作簡便，易于測試。但是弱點也很明顯，主要是影響填土壓實施工，壓實機(jī)械經(jīng)過時必須繞道而行，極為不方便，機(jī)械經(jīng)常撞壞沉降桿，且形成壓實死角，降低壓實質(zhì)量，且損壞后的補(bǔ)救非常困難。再者，沉降板只能觀測一個點的沉降，如果在一個面上埋設(shè)多個沉降板對施工的影響就更加嚴(yán)重了，而且其損壞后補(bǔ)救非常困難。
(2)沉降計。Gourc和VuⅢemin等通過在填埋場中埋設(shè)沉降計對法國Montreuil sur Barse和Torcy兩個填埋場沉降進(jìn)行了監(jiān)測，取得良好的觀測效果。Yaq等在利用沉降板的同時也采用了磁性沉降計對Al—Qurain填埋場進(jìn)行沉降監(jiān)測。沉降計使用范圍很廣，包括測量路堤、大壩和其他土體工程的局部沉降，以及建筑物地基、橋墩和其他結(jié)構(gòu)的沉降或隆起。它是一種原理簡單、使用方便、分辨率高的有效工具。但是各種原理的沉降計埋設(shè)的要求較高。以水管式沉降計為例，3根管的埋設(shè)要求就很高，如果埋設(shè)不平順，容易形成氣泡阻塞水管，使測試無法進(jìn)行。
(3)振弦式沉降剖面儀。stu1gis等利用振弦式沉降剖面儀監(jiān)測填埋場的沉降，取得了一定的效果。振弦式沉降剖面儀適用于監(jiān)測堆體、堤壩、道路等工程中淺層地基土的豎直沉降變形，其沉降曲線可直觀地反應(yīng)加載后的變形情況。具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、操作簡單等優(yōu)點，但設(shè)備安裝較復(fù)雜。
除了上述幾種方法外，國外也曾經(jīng)采用回升探測器(最初用于監(jiān)測軟黏土的沉降)和傾斜器來監(jiān)測不同深度處的沉降。
相對于國外，國內(nèi)對填埋場現(xiàn)場沉降監(jiān)測技術(shù)的研究起步較晚，主要是利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行地表沉降觀測，劉疆鷹等利用水準(zhǔn)儀對上海老港填埋場進(jìn)行了歷時800d 的地表沉降測量。這種方法較為原始，且只能測得地表的沉降，無法監(jiān)測堆體內(nèi)部沉降變形。室外監(jiān)測結(jié)果與室內(nèi)試驗相比可得到真實沉降規(guī)律，不受尺寸大小影響，是研究填埋場沉降必不可少的手段。但是室外監(jiān)測耗時較長、費用高、數(shù)據(jù)離散性大，難以推廣到其他填埋場，且室外固體廢棄物的沉降監(jiān)測方法都是建立在土體監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上的，可以說是借用土體監(jiān)測的方法，但是不能像高空衛(wèi)星雷達(dá)技術(shù)，可以隨意點的、方便的監(jiān)測地面的沉降。由于雷達(dá)可以做到方便快捷的監(jiān)測沉降，因此采用更為便宜的雷達(dá)等物探儀器成為填埋場現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。
3 分析與討論
(1)室內(nèi)沉降監(jiān)測技術(shù)。室內(nèi)沉降監(jiān)測技術(shù)有優(yōu)點，但也有其缺點。就室內(nèi)試驗而言，固體廢棄物的成分復(fù)雜，在現(xiàn)場取樣是否具有代表性，對整個的試驗監(jiān)測是至關(guān)重要的。而且，室內(nèi)沉降監(jiān)測設(shè)備較小，其監(jiān)測技術(shù)無法應(yīng)用于填埋場的現(xiàn)場沉降研究。另外，各種試驗設(shè)備之間，在容積大小、影響因素的可控性等方面的差別較大，尤其監(jiān)測設(shè)備對沉降監(jiān)測的影響程度也是不同的。對于一個研究方向來說，相互之間缺少可比性。
(2)室外沉降監(jiān)測技術(shù)。室外沉降監(jiān)測技術(shù)能夠真實的反應(yīng)天然填埋場的沉降變形規(guī)律。由于各個填埋場的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的離散性大，不能全面指導(dǎo)其他填埋場的建設(shè)和運營。但是其對填埋場沉降的理論研究意義重大，可預(yù)測、預(yù)防填埋場沉降變形的發(fā)展趨勢。再者，填埋場沉降的實時監(jiān)測能很好的預(yù)防填埋場的破壞。
目前應(yīng)用到固體廢棄物填埋場的沉降監(jiān)測技術(shù)只適應(yīng)特定位置的沉降變形，在測量的時候必須在特定點埋設(shè)儀器，不能觀測隨意點的沉降變形。且這些技術(shù)方法的安裝和操作比較繁重，增加了施工和儀器的費用。當(dāng)前沉降觀測技術(shù)正朝著監(jiān)測方便、隨意點監(jiān)測的方向發(fā)展，其也將成為當(dāng)前研究的重點。
(3)沉降監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢分析。從實際使用情況分析，許多觀測設(shè)備可以改進(jìn)安裝方法來提高其精度。隨著沉降觀測研究的深入，新的觀測方法不斷的出現(xiàn)。研發(fā)新的方法的目的是為了提高精度，使觀測方便，成本降低。 Pierce等開發(fā)了一種時控反射技術(shù)，該技術(shù)的原理與雷達(dá)的工作原理類似。但是，目前該方法還僅限于室內(nèi)研究，還未應(yīng)用于實際填埋場的沉降監(jiān)測。地球物理勘探方法是以巖礦石等介質(zhì)的物理性質(zhì)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，利用物理學(xué)原理，通過觀測和研究地球物理場的空間與時間分布規(guī)律以實現(xiàn)基礎(chǔ)地質(zhì)研究、環(huán)境工程勘探和地質(zhì)找礦等目的的一門應(yīng)用科學(xué)。地球物理方法在工程測深方面的研究廣泛，以探地雷達(dá)為例，探地雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，從介質(zhì)表面發(fā)射高頻電磁波，利用反射回波信號來解譯出目標(biāo)體的幾何形態(tài)和地質(zhì)現(xiàn)象。其對地下管線、空洞、地下水、分界面等的深度探測應(yīng)用已較為普遍，能夠較好分辨目標(biāo)體的形狀和深度。地球物理勘探方法對填埋場監(jiān)測的突出特點，就是能夠隨時隨地進(jìn)行監(jiān)測，不用安裝監(jiān)測設(shè)備，不影響填埋場的建設(shè)和運營。如何使其勘探取得較好的效果，是現(xiàn)在工程技術(shù)人所關(guān)注的問題。因此，方便、快捷的地球物理方法在固體廢棄物填埋場沉降方面的應(yīng)用已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
