Управление отходами. Полигонные технологии захоронения твердых бытов

Известны модели прогноза оседания поверхности рабочего тела полигона (в более ранних литературных источниках свалочного тела), которые основаны на теории фильтрационной консолидации с учетом вторичного компрессионного периода (Terzaghi, 1925) [25] и наследственной ползучести скелета грунта [28].

В результате проведенных С.В. Максимовой исследований деформации образцов ТБО в лабораторных условиях было установлено, что полученные характеристики соответствовали расчетным данным, основанным на уравнении фильтрационной консолидации Terzaghi в виде [25]

где H – начальная толщина слоя отходов; ∆ H – осадка; ∆ H/H – вертикальная деформация; CR – компрессионное отношение; P0 – 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, известная как Power Creep Law [27], учитывает уплотнение грунтов при наличии в порах воздуха, когда развитие деформаций во времени обусловлено ползучестью скелета грунта:

сжимающее усилие; m – относительная сжимаемость; n – скорость уплотнения; t – время накопления деформации; tr – время приложения нагрузки.

Известны допущения ряда авторов о том, что осадка отходов подобна просадке торфа с большой начальной консолидацией и последующим вторичным сжатием (ползучестью) [20, 25]. Предлагается учитывать фильтрационную консолидацию и ползучесть скелета свалочного грунта аналогично расчетам де-

тия, кПа; a – первичная сжимаемость, 1/кПа; b – вторичный параметр сжимаемости, 1/кПа; λ /b – скорость вторичного сжатия, 1/день; t – время, прошедшее с момента приложения нагрузки, дни.

Исследования, проведенные в полевых условиях [25], позволили получить также эмпирическое уравнение зависимости осадки St от времени t:

31

Однако применимость этой модели к другим полигонам, отличным по морфологическому составу захороненных отходов, мощности, природно-климати- ческим условиям, технологии эксплуатации не проверялась.

Рассмотренные модели (1.7–1.10) построены на основе теории фильтрационной консолидации и наследственной ползучести и учитывают в основном только процессы механического сжатия и фильтрационного уплотнения. Эти модели могут быть полезны при расчете осадки на начальной стадии эксплуатации полигона, когда доминируют эти процессы и не получили значительного развития процессы биохимической деградации неконсервативных компонентов отходов, которые являются определяющими в эффектах проседания поверхности в результате выноса газообразных и водорастворимых продуктов биодеградации отходов порядка 0,25–0,30 % от их начальной массы.

Известны данные Emberton and Parker, A.C. Cheney, F. De Poly, Rinaldi, ко-

торые зафиксировали максимальные осадки в результате биодеградации отходов от 25 до 35 % [20, 22]. Только масса биогаза, генерируемого одной тонной отходов, составляет примерно 150–250 кг. Потеря этой массы равна 0,25 % от первоначальной массы захороненных неконсервативных компонентов отходов, что вызывает соответствующее снижение объема отходов и связанные с этим осадочные явления. Очевидно, что нет линейной зависимости между снижением массы отходов и уменьшением их объема, но этот фактор становится доминирующим на стадиях жизненного цикла полигона, которые характеризуются небольшой активностью процессов биохимической деградации отходов.

В этом плане определенный интерес представляет модель Gabr [25], который предпринял попытку учесть изменение массы отходов в результате процессов образования биогаза:

где ∆VS(t) – объемное изменение внутри частицы в зависимости от времени; ∆VV(t) – объемное изменение внешней части частицы в зависимости от времени; Dm(t) – коэффициент, зависящий от времени; ∆τok – увеличение сдвига; ∆σok – нормальное напряжение; Cm(t) – коэффициент, рассчитанный по изотропным испытаниям на сжатие. Коэффициенты Dm(t) и Cm(t) определяются экспериментально на образцах отходов с различными уровнями разложения (на разных фазах). Для решения этого уравнения необходимы результаты лабораторных определений входящих в состав уравнения реологических констант, значения которых не могут быть распространены на другие граничные условия.

Решение задачи совместного учета фильтрационной консолидации и ползучести скелета грунта при прогнозе осадок оснований подробно разработано

32

в механике грунтов в трудах К. Терцаги (1925), Н.М. Герсеванова (1931–1948), В.А. Флорина (1937–1961), Н.А. Цитовича (1941), Б.И. Далматова и др. Однако их применение для расчета осадки полигонов захоронения ТБО затруднено изза необходимости получения большого количества эмпирически определяемых коэффициентов.

До настоящего времени отсутствует научно обоснованное нормирование величины предельно допустимых осадок, как это принято в смежных отраслях науки и техники (нефтедобыче, механике грунтов, строительстве зданий и сооружений и т.п.)

Очевидно, что эти значения должны быть дифференцированы в зависимости от типа полигона, мощности, характера захороненных отходов, инженерной инфраструктуры, возраста рабочего тела, этапа жизненного цикла полигона и направлений дальнейшего хозяйственного использования площади полигона после его рекультивации.

С.В. Максимовой [24] предпринята попытка разработать соответствующие рекомендации. Так, по ее рекомендациям нормирование величины неравномерности оседания целесообразно вести по предельно допустимым осадкам, значение которых определяется в зависимости от конструкции полигона и формы отвала.

Для полигонов ТБО, оборудованных системами сбора и отвода фильтрата, дегазации, водонепроницаемым экраном в основании и окончательном покрытии, при определении предельно допустимых осадок необходимо исходить из условия обеспечения нахождения их абсолютных величин в диапазоне, гарантирующем нормальную эксплуатацию наиболее уязвимых из указанных элементов инфраструктуры рабочего тела.

При неравномерных осадках рабочего тела полигона до 20 см для систем сбора и отвода фильтрата, горизонтальных систем дегазации можно применять железобетонные безнапорные, керамические и полиэтиленовые трубы.

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

При возможной осадке рабочего тела свыше 10 см условие, при котором сохраняется герметичность безнапорного трубопровода вследствие горизонтальных перемещений грунта, определяется выражением

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, см;

33

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

Рабочее тело полигонов ТБО, не оборудованных инженерными сетями, закрытых 20 и более лет назад независимо от их геометрической формы, можно рассматривать как техногенный грунт, к которому предъявляются требования как к грунтовому основанию в соответствии со СНиП 11-102–97 «Инженерно-эколо- гические изыскания для строительства» или их более современными редакциями.

При освоении рекультивированной территории под строительство зданий и сооружений предельные значения совместной деформации основания и сооружения устанавливаются исходя из необходимости соблюдения технологических или архитектурных требований к деформации сооружения и требований к прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций, включая общую устойчивость сооружений (СНиП 2.02.01–83 или их более современные редакции).

1.2.4. Методы управления неравномерными осадочными явлениями рабочего тела полигонов захоронения ТБО

На различных этапах жизненного цикла полигонов захоронения ТБО применяются разные методы предупреждения проявления неравномерных осадочных явлений в зависимости от конкретных местных условий и специфических особенностей формирования рабочего тела.

Так, для предупреждения неравномерной осадки рабочего тела на этапе его формирования и в период активного приема отходов на захоронение целесообразно проводить работы по предварительной обработке принимаемых отходов путем механобиологической обработки или механобиологической, механохимической

имеханофизической стабилизации. Это позволяет исключить или снизить до приемлемых объемов попадание в рабочее тело неконсервативных компонентов, что приводит к минимизации образования в рабочем теле газообразных и водорастворимых продуктов биохимического разложения и, следовательно, к снижению потерь массы захораниваемых отходов за счет эмиссии за пределы рабочего тела и, соответственно, неравномерного уменьшения объема захораниваемых отходов.

При невозможности исключения захоронения (как это принято директивно

вбольшинстве развитых стран) биоразлагаемых компонентов отходов в качестве эффективного мероприятия для предотвращения неравномерного оседания рабочего тела можно использовать аэробную стабилизацию смешанного потока отходов, принимаемых на захоронение. Такая аэробная стабилизация может проводиться как в пассивном виде (аэрация в тонком слое разровненных отходов), так

иактивнопутемпродувкивоздухом.

Эффективным мероприятием является измельчение отходов до размеров, необходимых для эффективного протекания процессов биохимической, химической и физической стабилизации. Это позволяет повысить степень и глубину

34

биодеградации неконсервативных элементов отходов, способствует более компактной их укладке в рабочем теле, что приводит к увеличению плотности отходов, повышает их однородность и в результате приводит к уменьшению вероятности возникновения и численных значений неоднородных осадочных явлений.

На стадиях завершения активного метаногенеза на начальных этапах рекультивации полигонов высокоэффективным является промывка рабочего тела водой и продувка его воздухом, что не только подавляет процессы образования биогаза и исключает возможность взрывов и возгораний, но и способствует за счет смены анаэробных условий на аэробные более полной и быстрой переработке остатков неконсервативных компонентов, вымыванию водорастворимых соединений и в результате более плотной укладке.

Необходимо отметить, что промывка рабочего тела водой весьма эффективна и на более ранних этапах жизненного цикла полигонов. Она не только позволяет интенсифицировать процесс биохимической переработки неконсервативных компонентов отходов путем создания необходимой влажности во всей массе захороненных отходов, необходимой для эффективной работы микрофлоры, но и приводит к более плотной укладке отходов. Феномен повышения плотности насыпных материалов типа песка, гравия и других путем пролива водой часто используется в смежных областях техники и технологии.

1.2.5. Методы расчетов и оценки степени устойчивости рабочего тела полигонов

При проектировании и строительстве полигонов, а также выборе направления использования рабочих тел рекультивированных полигонов возникает необходимость выбора конкретных мероприятий по управлению прочностью и устойчивостью рабочего тела.

Обычно при решении этих задач в зависимости от конкретных целей и условий, а также наличия необходимой исходной информации применяются различные методы – от хорошо зарекомендовавших себя, разработанных еще в прошлом веке «ручных» расчетных методов, использующих ограниченный объем исходной информации с целью сокращения времени выполнения весьма трудоемких расчетов, до современных методов, основанных на применении специальных программных продуктов, позволяющих проводить достаточно сложные расчеты с применением большого объема исходной информации.

Так, к первой группе можно отнести методы круглоцилиндрических поверхностей, горизонтальных сил, метод проф. Г.М. Шахунянца и СоюздорНИИ, позволяющие оценить устойчивость массива рабочего тела.

Для оценки устойчивости откосов в случаях, когда нарушение устойчивости откоса может произойти в форме обрушения со срезом и вращением, следует использовать метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

35

Для оценки устойчивости откосов в случаях, когда нарушение устойчивости может произойти в форме скольжения или оползня-сдвига, рекомендуется использовать метод горизонтальных сил (метод Маслова – Берера) или метод проф. Г.М. Шахунянца, теоретически более строгий.

Для оценки устойчивости откоса в случаях, когда нарушение его устойчивости в форме скола при просадке, вызванного выдавливанием грунта, залегающего в основании откоса, можно использовать метод СоюздорНИИ, являющийся развитием методов проф. Н.П. Пузыревского, Н.Н. Маслова, Г.М. Шахунянца.

В качестве примера приведен процесс расчета угла откоса с использованием метода круглоцилиндрических поверхностей.

Пример расчета устойчивости массива отходов методом круглоцилиндрических поверхностей

Для оценки устойчивости массива отходов были проведены расчеты методом круглоцилиндрических поверхностей. Характеристики свалочного грунта приняты по исследованиям С.В. Максимовой [24] и представлены в табл. 1.3.

Проба грунта № 4 признана выпадающей, поскольку сцепление грунта более чем в 2 раза отличается от остальных трех проб. Для расчетов приняты минимальные характеристики. В соответствии с представленными в табл. 1.3 характеристиками были проведены расчеты устойчивости массива, результаты которых представлены в табл. 1.4. Схемы кривых скольжения приведены на рис. 1.6–1.8.

36

При коэффициенте заложения откоса 1:1,4 расчет по первой кривой скольжения показал, что Kуст = 0,95, т.е. откос неустойчив. Поэтому было принято решение принять коэффициент заложения откоса 1:1,5, при этом рассмотрены три кривые скольжения:

–1-й вариант: криваяскольжения проходит через подошву откоса и бровку;

–2-й вариант: кривая скольжения проходит через подошву откоса и точку, отстоящую от бровки на 15 м;

–3-й вариант: кривая скольжения проходит через подошву откоса и точку, отстоящую от бровки на 30 м (см. рис. 1.6).

Рис. 1.6. Схема расчетных кривых скольжения при заложении откоса 1:1,5

Расчет по второй кривой скольжения показал, что Kуст = 0,96, т.е. массив отходов неустойчив, с учетом этого расчеты были продолжены для условия заложения откосов 1:1,6. При этом были рассмотрены две кривые скольжения:

–1-й вариант: криваяскольжения проходит через подошву откоса и бровку;

–2-й вариант: кривая скольжения проходит через подошву откоса и точку, отстоящую от бровки на 10 м (см. рис. 1.7).

Расчет по второй кривой скольжения показал, что коэффициент Kуст = 0,98, т.е. массив отходов неустойчив. В результате было принято решение продолжить расчет с углом заложения 1:1,7.

При расчете были рассмотрены три кривых скольжения:

–1-й вариант: кривая скольжения проходит через подошву откоса и бровку;

–2-й вариант: кривая скольжения проходит через подошву откоса и точку, отстоящую от бровки на 10 м;

–3-й вариант: кривая скольжения проходит через подошву откоса и точку, отстоящую от бровки на 20 м (см. рис. 1.8).

37

Рис. 1.7 Схема расчетных кривых скольжения при заложении откоса 1:1,6

Рис. 1.8. Схема расчетных кривых скольжения при заложении откоса 1:1,7

По результатам расчетов мы получили по всем кривым скольжения коэффициент устойчивости больше 1. Такой коэффициент обеспечивает предельную устойчивость откоса, следовательно, по условию обеспечения устойчивости возможно принять предложенное заложение угла (1:1,7).

1.2.6. Применение программных комплексов при расчете устойчивости рабочего тела полигонов

В настоящее время существует множество методик, позволяющих решать задачи устойчивости откосов, но все они основаны на «ручных» вычислениях, требующих значительных временных затрат и подготовленности специалистов.

38

Иные подходы основаны на применении универсальных многоцелевых расчетных комплексов, обладающих большими вычислительными возможностями и позволяющих решать практически весь спектр геотехнических задач. Такие комплексы преимущественно основаны на конечно-элементных моделях. Примером таких комплексов могут являться PLAXIS и ANSYS.

Также существуют узкоспециализированные программы, основанные на реализации конкретной расчетной методики. Примером таких программ могут служить: GeoStab, Geo 5, Откос.

PLAXIS представляет собой конечно-элементную программу, предназначенную для трехмерных расчетов напряжений, деформаций и прочности (устойчивости) сложных геотехнических объектов. Программа располагает широкими возможностями для решения различных задач, возникающих при проектировании геотехнических сооружений различного назначения. Она позволяет моделировать работу системы конструкционных элементов и их взаимодействие с грунтовой средой с учетом нелинейного, реологического и анизотропного поведения грунтов.

ANSYS – универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в области компьютерного инжинирин-

га (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных,

стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твердого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяют избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование – изготовление – испытания». Система работает на основе геометрического

ядра Parasolid.

GeoStab. Расчет выполняется по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Возможности программы:

–учет геологического строения грунтового массива;

–возможность задания неизвестных физико-механических характеристик грунтов по справочнику;

–определение коэффициента запаса устойчивости для заданного круга обрушения;

–поиск поверхности скольжения для поверхности с заданным центром;

–поиск минимального коэффициента запаса устойчивости;

–возможность учета ограждающей конструкции;

39

–возможность учета анкерных конструкций;

–вывод отчета с результатами расчетов;

–возможность импорта исходных данных из GeoWall. Программа имеет Сертификат соответствия Госстандарта России.

ОТКОС. Программа предназначена для определения коэффициента запаса устойчивости откосов и склонов. В качестве механизма потери устойчивости принимается механизм скольжения оползающего массива относительно неподвижной части откоса. Сопротивление сдвигу по поверхности скольжения рассчитывается для статических условий. Вдоль всей поверхности выдерживается критерий разрушения грунта, принимаемый в виде закона Кулона.

Реальное сдвигающее напряжение, определенное расчетным путем, сопоставляется с предельным сопротивлением сдвигу, и результат этого сравнения выражается в виде коэффициента запаса устойчивости K. Коэффициент запаса устойчивости склона (откоса) – это минимальный из коэффициентов запаса устойчивости по всем возможным поверхностям скольжения, которые удовлетворяют заданным ограничениям, заложенным в методе расчета.

Исходные данные включают:

–размеры оползневого участка склона;

–глубину закола (если активен маркер наличия закола);

–характеристики грунтов;

–положение и характеристики скважин;

–нагрузки, действующие на указанные участки склона.

По результатам расчета может быть сформирован отчет в формате RTF. Geo 5. Программа расчета устойчивости откосов в общем случае слоистого

земного полотна. Поверхность скольжения может иметь круглоцилиндрическую форму (метод Бишопа или Петтерсона) или полигональную (метод Сарма). Программа расчитывает устойчивость, например, выемок, насыпей и анкерованных подпорных конструкций.

Свойства программы:

–общий случай слоистой среды;

–встроенная база данных грунтов по ČSN 73101;

–возможность постепенного возведения откосa в рамках одной задачи (этапа проектирования);

–любое количество расчетов на одном этапе проектирования;

–воздействие воды моделируется уровнем грунтовой воды или изолиниями порового напряжения;

–возможность учета воды над территорией;

–любое количество анкеров;

–любое количество вертикальных и горизонтальных пригрузoк;

–простое моделирование твердых тел;

40