Отчет по практике: Просадка полигона

Рис.1. Изменение высоты полигона в результате деформации свалочного грунта

t1 - время заполнения одного слоя отходов; t2 - общее время заполнения полигона; t 2 - t3 - технический этап рекультивация.

Выделяют три этапа оседания:

- начальное сжатие, наблюдаемое визуально и зависящее от типа уплотнения, применяемого к отходам.

- первичное сжатие, происходящее после заполнения полигона в течение короткого периода от двух месяцев до двух лет в результате отжатия воды и выделения газа.

- вторичное сжатие, происходящее 10-12 лет в результате биологического разложения.

Основываясь на анализе литературных данных, фазы оседания полигона можно расположить по этапам жизненного цикла в соответствии с таблице 1.

Таблица 1. Механизм оседания на различных этапах жизненного цикла полигона

С точки зрения освоения и использования территорий свалок наиболее опасны процессы связанные с разложением ТКО и образованием биогаза, то есть процессы вторичного сжатия и неравномерная осадка, которая может при этом возникнуть [5].

3. Прогнозирование оседания поверхности полигона ТКО

Прогноз оседания является одной из наиболее важных процедур при проектировании конечной формы полигона, верхнего покрытия, обеспечения устойчивости откосов, систем сбора биогаза и фильтрата, выборе направления рекультивации. Он позволяет выработать предупреждающие технические мероприятия для надежной работы систем дегазации и сбора фильтрата. В процессе хозяйственного освоения территорий оценка величины оседания позволяет применить меры конструктивного характера, предупреждающие влияние неравномерных осадок на эксплуатацию зданий и сооружений.

Скорость оседания поверхности зависит преимущественно от скорости разложения отходов, а значит, от факторов, влияющих на процесс разложения (температура, влажность, плотность укладки отходов, состав питательной среды для микробов, степень сопротивления отходов воздействию микробов и т.д.).

Скорость и величину общего оседания полигона захоронения ТКО трудно прогнозировать, так как они в значительной мере зависят от конкретных параметров полигона и свойств формирующихся при разложении ТКО новообразований.

Осадку полигона нужно рассматривать как некую функцию времени, t; начальной плотности отходов P; мощности полигона M; высоты складирования отходов h; количества образующегося фильтрата Vф, метанового потенциала отходов L0 :

S=f ( t; M; h; P; Vф; L0) (1)

Влияние каждого из этих факторов на различных этапах жизненного цикла неоднозначно. Если представить процесс оседания полигона как сумму оседаний, связанных с процессами уплотнения отходов при укладке Sуп; образования - отжатия фильтрата Sф; осадки, обусловленной процессами образования, сбора и отвода биогаза Sб:

S= Sуп+ Sф,+ Sб (2)

то используя известные методы, можно прогнозировать оседание на каждом из этапов жизненного цикла, учитывая временной фактор и мощность полигона. Модели прогноза оседания поверхности свалочных тел основаны на теории фильтрационной консолидации (с включением вторичного компрессионного периода) и теории наследственной ползучести. Наблюдаемая в лабораторных условиях деформация образцов ТБО соответствовала расчетным данным, полученным на основе уравнения фильтрационной консолидации Terzaghi в виде:

H/H = CR log((Po+P)/Po) + CL1 log(t2/t1) + CL2 log(t3/t2) (3),

где H - начальная толщина слоя отходов; H - осадка; H/H - вертикальная деформация; CR - компрессионное отношение; Po - начальное среднее вертикальное давление; P - среднее приращение вертикального давления; CL1 - индекс промежуточного сжатия; t1 - время окончания начального сжатия, дни; t2 - время окончания промежуточного среднего сжатия, дни; CL2 - индекс вторичного сжатия; t3 - период времени, необходимый для прогнозирования осадки, дни.

Модель прогноза оседания, учитывает уплотнение грунтов при наличии в порах воздуха, когда развитие деформаций во времени обусловлено ползучестью скелета грунта:

St = Ht =H m(t/tr) n (4) ,

Где St -оседание в расчетный момент; H - начальная высота отходов; - сжимающее усилие; m - относительная сжимаемость; n - скорость уплотнения; t - время накопления деформации; tr - время приложения нагрузки.

Некоторые авторы считают, что осадка отходов подобна просадке торфа с большой начальной консолидацией и последующим вторичным сжатием (ползучестью). Предлагается учитывать фильтрационную консолидацию и ползучесть скелета свалочного грунта, аналогично расчетам деформаций торфа:

S(t)=Ho[a+b( 1-e ^-(/b)t )] (5),

где S - оседание, м; Ho - первоначальная высота отходов, м; - давление сжатия, кПа; a - первичная сжимаемость, 1/кПа; b - вторичный параметр сжимаемости, 1/кПа; /b - скорость вторичного сжатия, 1/день; t - время, прошедшее с момента приложения нагрузки, дни.

Исследования, проведенные в полевых условиях, позволили получить также эмпирическое уравнение зависимости осадки St от времени t:

St = 5,7784 log(t) - 19,175 (6),

Однако применимость этой модели к другим полигонам, отличным по морфологическому составу, мощности, природно-климатическим условиям, вызывает большие сомнения.

Таким образом, в мировой практике прогнозирование оседаний поверхности полигонов ТКО построено на теории фильтрационной консолидации и наследственной позучести. Эти модели наиболее достоверны на начальных стадиях жизненного цикла полигона, когда доминируют процессы механического сжатия и фильтрационного уплотнения. В пострекультивационный период прогноз должен отражать биохимические процессы в теле свалки.

Масса биогаза, генерируемого одной тонной отходов, составляет примерно 150-250 кг. Это значит, что около 1/3 - 1/4 начальной массы исчезает из полигона в атмосферу, и вызывает эффект оседания территории. Результаты наблюдений за реальными полигонами, подтверждают эту гипотезу: 1987 году зафиксировали максимальную осадку 35%, 26%, а так же 25%.

Изменение массы отходов в результате процессов образования биогаза следующим образом:

V(t) = VS(t) + Vv(t) = Vi Cm(t)( _ok - u(t)) + Dm(t) _ok (7),

где VS(t) - объемное изменение внутри частицы в зависимости от времени; Vv(t) - объемное изменение внешней части частицы, зависящее от времени; Dm(t) - коэффициент, зависящий от времени; ок - увеличение сдвига; ок - нормальное напряжение; Dm(t) и Сm(t) - коэффициенты, определяемые экспериментально на образцах отходов с различными уровнями разложения (на разных фазах); Сm(t) -коэффициент, рассчитанный по изотропным испытаниям на сжатие;

Недостатком этого подхода является необходимость лабораторных определений входящих в уравнение реологических констант, значения которых не могут быть распространены на другие граничные условия.

Для приблизительной оценки величины оседания на стадии метаногенеза более целесообразно использовать уравнение скорости генерации биогаза.

Предполагая, что объем полигона:

V H * S (8)

где S- площадь полигона, H- высота складирования отходов, выразим оседание ?H через изменение объема за счет образования биогаза:

?Н = (9)

Оседание полигона пропорционально объему биогаза

Q = 2M_t L₀ * (1 - e ^-k)

образующегося, как показано выше, со скоростью

2 L₀ M_t * к - e ^-?k)

где L0 - общий метановый потенциал отходов нм3 /т, Мt - масса захороненных отходов с учетом влажности, т, k - постоянная разложения, год-1 , ?ф - промежуток времени с начала метаногенеза до расчетного момента, годы.

Время, когда const dQ/dt const, соответствует времени освоения полигона, так как осадка в этот период стабилизируется.

Абсолютная осадка полигона в расчетный год, вызванная процессом биоразложения составляет :

? H = 2MkL₀e^kt / S см/год (12)

Общая осадка полигона с учетом процесса биоразложения за время ф составит:

S0=Sуп+Sф+?H (13)

где S уп и Sф - осадки, связанные с процессами уплотнения и выделения фильтрата, то есть фильтрационной консолидации и ползучести.

Для старых свалок и закрытых полигонов ТКО, когда процесс консолидации завершится, достаточно определить осадку, связанную с процессом разложения ТКО на стадии метаногенеза по формуле (12).

Решение задачи совместного учета фильтрационной консолидации и ползучести скелета грунта при прогнозе осадок оснований подробно разработано в механике грунтов в трудах К. Терцаги (1925), Н.М. Герсеванова (1931-1948), В.А. Флорина (1937-1961), Цытовича Н.А.(1941) Далматова Б.И. и др. В приближенных расчетах осадка слоя грунта St мощностью h от действия сплошной нагрузки p с учетом первичной и вторичной консолидации определяется выражением [6]. Осадка для любого момента времени t для случая равномерного распределения уплотняющих давлений определяется по формуле:

St = hm_wp[1- (e^-N + e^-9N) ], (14)

где mw - коэффициент относительной сжимаемости,

N = ( р² c_y / 4h²) t -постоянный множитель.

Общая осадка полигона для любого этапа жизненного цикла полигона составит:

St = hm_wp[1- (e^-N + e^-9N) + 2MkL₀e^kt / S ( 15)

Для определения расчетных параметров сжимаемости грунтов разработаны различные методы полевых и лабораторных испытаний, которые носят нормативный характер и должны использоваться при определении реологических характеристик свалочных новообразований.

Следует различать абсолютную величину осадки и разность осадок отдельных участков полигона. Равномерная осадка поверхности полигона как инженерного сооружения не представляет опасности, в то время как разность осадок, даже незначительная, может существенно повлиять на работу систем дегазации, сбора фильтрата, целостности экранов, состояния поверхности, стать причиной развития эрозии почвы, нарушения устойчивости откосов и наконец, повлиять на долговечность зданий и сооружений, возведенных на свалочных грунтах. Поэтому величина неравномерности оседания поверхности, вызванного процессами консолидации и биоразложения, не должна превышать некоторых предельно допустимых величин.

Нормирование величины неравномерности оседания целесообразно вести по предельно-допустимым осадкам, значения которых определяются в зависимости от конструкции полигона и формы отвала.

Для полигонов ТКО, оборудованных системами сбора и отвода фильтрата, дегазации, при определении предельно-допустимых осадок необходимо исходить из условия нормальной эксплуатации сооружения, то есть предельно-допустимых деформаций систем коммуникаций.

При неравномерных осадках свалочных грунтов до 20 см для систем сбора и отвода фильтрата, горизонтальных систем дегазации можно применять железобетонные безнапорные, керамические и полиэтиленовые трубы; свыше 20 см - железобетонные напорные, керамические и полиэтиленовые трубы.

Стыковые соединения труб должны быть податливыми за счет применения эластичных заделок.

При возможной просадке от собственной массы грунта свыше 10 см условие, при котором сохраняется герметичность безнапорного трубопровода вследствие горизонтальных перемещений грунта, определяется выражением

lim k s ,

где lim - допустимая осевая компенсационная способность стыкового соединения труб, см, принимаемая равной половине глубины щели раструбных труб или длины муфты стыковых соединений;

k - необходимая из условия воздействия горизонтальных перемещений грунта, возникающих при просадках его от собственной массы, компенсационная способность стыкового соединения;

s - величина оставляемого при строительстве зазора между концами труб в стыке, принимаемая равной 1 см.

При отвальном или откосном захоронении необходимо проводить дополнительно расчет устойчивости откосов по СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления] из условия:

Кst ? [Kst] (16)