2626

На правах рукописи

Щербина Екатерина Валентиновна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯБЕЗОПАСНОСТЬПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВНАОСНОВЕОПТИМИЗАЦИИКОНСТРУКЦИЙЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2001 год

Диссертация выполнена в Московском государственном строительном университете

Защита диссертации состоится «7» июня 2001 г. в 14 часов. На заседании диссертационного совета Д 053.11.12 в Московском государственном строительном университете по адресу: Ярославское шоссе, д. 26, в зале Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Человек является составляющей и наиболее развитой частью природы. Он получает от окружающей среды пищу и жизненное пространство. С каждым годом население нашей планеты увеличивается, происходит дальнейшее развитие технологий, что приводит к росту ответственности человека за состояние окружающей природной среды. Одним из ключевых моментов стратегии экологической безопасности Российской Федерации сегодня является предотвращение загрязнения природной среды отходами производства и потребления. Во многих случаях возрастающее количество твердых бытовых отходов (ТБО) представляет угрозу экологической безопасности городов и мегаполисов, устойчивости сложившихся природно-технических систем. Например, в Москве на постоянных конференциях, проводимых под эгидой Правительства Москвы, посвященных устойчивому развитию мегаполисов, проблема управления отходами ставится на второе место после борьбы с преступностью. Такое положение заставляет нас искать и использовать новые решения, направленные на управление процессом утилизации ТБО и снижение их вредного воздействия на окружающую природную среду.

Проблеме управления ТБО посвящены труды многих отечественных и зарубежных ученых: Р.Ф. Абдрахманова, Н.Ф. Абрамова, Д.Алексиева, Н.И.Архипова, В.А.Безбородова, И. Гартунга, В.И. Горбачева, Л.П. Грибановой, В.Ф. Денисова, Ф. Деффрегера, Х.Н. Зайнулина, ВТ. Корнеева, А.Б. Лившица, А.С Матросова, А.Н. Мирного, А. Ольтшнера, А.Ф. Порядина, АД. Потапова, E.И. Пупырева, В.В. Разнощика, Н.А. Савичева, В.Н. Сариева, В.И. Теличенко и других авторов. Из анализа этих работ следует, что наиболее распространенным методом обращения с твердыми бытовыми отходами в нашей стране остается их захоронение на полигонах. Прогноз развития ситуации показывает, что в силу сложившихся экономических и технических условий данная тенденция будет сохраняться ближайшие 10-15 лет. В связи с

этим повышение экологической безопасности полигонов ТБО приобретает приоритетное значение в системе управления отходами.

Полигон твердых бытовых отходов предназначен для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения ТБО, предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду, загрязнения атмосферы, почвы, фунтов, поверхностных и подземных вод. Полигон ТБО представляет комплекс природоохранных сооружений, среди которых основными служат карты для захоронения отходов. Защитные экраны поверхности и основания карт полигона, как строительные конструкции полигона, обеспечивают основную природоохранную функцию, как в процессе эксплуатации полигона, так и после его закрытия. От конструкций защитных экранов существенным образом зависит степень загрязнения атмосферы, геосферы и гидросферы, т.е. конструкции защитных экранов во многом определяют состояние окружающей природной среды и экологическую безопасность полигона ТБО. Работа, посвященная исследованию и разработке оптимальных конструкций защитных экранов полигонов, актуальна, своевременна и имеет большое практическое значение.

Цель работы: Обеспечение экологической безопасности полигонов ТБО на основе моделирования и оптимизации конструкций защитных экранов основания и поверхности карт складирования ТБО.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ состояния рассматриваемой проблемы и сформулирована методологическая схема исследований.

2.Сформулированы и обоснованы основные экологические и технические требования к конструкциям защитных экранов полигонов ТБО и строительным материалам, из которых они изготавливаются.

3.Разработана модель и методика расчета устойчивости защитных экранов полигона как геокомпозиционной системы.

4.Разработана экспериментальная методика для определения прочностных параметров модели расчета устойчивости защитных экранов.

5.Разработана модель определения оптимальной конструкции защитных экранов полигонов ТБО, направленная на повышение их экологической безопасности.

6.Определены оптимальные конструкции защитных экранов полигонов ТБО.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

- впервые защитные экраны основания и поверхности рассмотрены как

геокомпозиционные системы, определяющие экологическую безопасность

полигона ТБО;

-сформулированы основные требования к строительным материалам, которые применяются в конструкциях защитных экранов полигонов ТБО для обеспечения их функциональной надежности природоохранных целей;

-разработана модель оптимизации конструкций защитных экранов, основанная на эколого-экономических оценках и выполнен анализ различных решений защитных экранов поверхности и основания полигонов ТБО;

-в работе впервые разработана и обоснована методика расчета устойчивости конструкций защитных экранов, основанная на условии прочности Кулона и представлении конструкций защитных экранов как геокомпозиционной системы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

-модель определения оптимальной конструкции защитных экранов полигона ТБО, основанная на эколого-экономических оценках, направленная на обеспечение экологической безопасности полигона ТБО;

-основные требования, предъявляемые к строительным материалам и защитным экранам полигона ТБО;

-методика экспериментальных исследований для определения прочностных характеристик контактной поверхности в геокомпозиционной системе защитных экранов;

- метод расчета устойчивости защитных экранов по плоским поверхностям скольжения;

- оптимальные конструктивные решения защитных экранов основания и

поверхности полигонов ТБО с применением синтетической гидроизоляции.

Практическая значимость работы состоит в том, что автором разработаны:

конструкции защитных экранов основания и поверхности полигонов ТБО, отвечающие требованиям обеспечения их экологической безопасности;

экспериментально обоснованная модель расчета устойчивости защитных экранов;

методика экспериментального определения прочностных параметров расчетной модели, которая может быть использована в реальном проектировании при обосновании и назначении угла заложения бортов котлована карт складирования ТБО и угла заложения откосов поверхности полигона на стадии его рекультивации.

Апробация работы

Основные положения работы были доложены на Второй Научнопрактической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство-формирование среды жизнедеятельности"., научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ и на Второй Всероссийской Научно-практической конференции в городе Уфе «Отходы 2000». Результаты работы были использованы при разработке территориально строительных норм Московской области.

Структура и объем работы

Диссергация состоит из введения, заключения, четырех глав и

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формируются цели и задачи диссертационной работы. Показан научный и практический вклад автора в решение этой проблемы, перечислены основные положения, выносимыеназащиту.

Глава 1. Анализ состояния управления твердыми бытовыми отходами.

Впервой главе рассматривается состояние проблемы управления отходами сложившееся в Российской Федерации и в мировой практике.

Вданной главе соискателем на основе анализа работ отечественных и зарубежных авторов, технической и нормативной литературы установлено, что управление твердыми бытовыми отходами одна из главных проблем, имеющая экологическое, экономическое и социальное значение, актуальная для всех стран мира не зависимо от уровня их экономического развития и политической ориентации.

Систему комплексного управления отходами можно представить в виде иерархической последовательности, которая включает в себя следующие уровни:

первый - сокращение твердых бытовых отходов; второй - переработку отходов (химическая, термическая, биологическая обработка, компостирование);

третий - ликвидация отходов (сжигание и захоронение на полигонах). Выполненный анализ ситуации, сложившейся в Российской Федерации и

вмире показал, что захоронение отходов на полигонах все еще остается основным способом обращения и обезвреживания ТБО. В европейских странах

всреднем на полигоны вывозится более 60 % твердых бытовых отходов. Только в 23 странах Европы имеется более 47 тысяч полигонов. В Российской Федерации ежегодно образуется 80 млрд. тонн твердых бытовых отходов ежегодно, из которых перерабатывается только незначительная часть. Например, в Московском регионе из общего количества твердых бытовых отходов (8,5 млн. тонн ежегодно) на полигоны вывозиться 90%. Большая часть

существующих полигонов находиться в неудовлетворительном состоянии и оказывает негативное влияние на окружающую среду.

При этом показано, что важную роль в повышении экологической безопасности полигонов ТБО играют защитных экранов основания и поверхности полигона, препятствующие эмиссии фильтрата, биогаза и пыли в окружающую природную среду, поэтому к их конструкциям должны предъявляться повышенные требования.

Анализ законодательного обеспечения управления отходами в Российской Федерации показал, что управление твердыми бытовыми отходами - составная часть общей системы государственного управления. Решение проблемы управления ТБО требует наличия организационно-управленческих, просветительско-образовательных, экономических, технических, информационныхинормативноправовыхметодов управления.

Для совершенствования организации управления необходимо предусматривать более широкое использование рыночных инструментов регулирования: корректирующих налогов, финансово-материальной ответственности за ущерб окружающей среде. Необходимо стимулировать население и производителей для сбора, сортировки и подготовки отходов с целью их последующей рециркуляции. Для этого следует увеличить цены на минерально-сырьевые ресурсы, путем включения в них затрат на воспроизводство природных ресурсов и охрану окружающей среды.

Глава 2. Теоретические исследования конструкций защитных экранов полигонов твердых бытовых отходов.

Полигон для захоронения твердых бытовых отходов - комплекс природоохранных сооружений, предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения ТБО, предотвращения попадания вредных веществ в окружающую среду, загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и фунтовых вод, препятствующие распространению грызунов, насекомых и болезнетворных организмов. Защитные экраны полигона ТБО - одни из основных природоохранных элементов конструкций и систем, входящих в

общий комплекс природоохранных мероприятий полигона ТБО. Срок службы защитных экранов определяется как периодом эксплуатации полигона (заполнение полигона до проектных отметок или проектной вместимости полигона), что составляет 15-30 лет, так и пассивным периодом, когда полигон закрыт и не принимает отходы - 50 и более лет.

Установлено, что защитные экраны полигонов должны отвечать четырем главнымтребованиям.

требование к гидроизоляционным свойствам защитных экранов; требования к механической прочности конструктивных элементов;

требование устойчивости применяемых материалов к химическим, биологическим и температурным воздействиям; требования к производству работ по устройству защитных экранов.

Первое требование является основным требованием к конструктивным элементам защитных экранов поверхности и основания полигона. Защитные экраны полигона ТБО должны обеспечивать надежную гидроизоляцию тела полигона от окружающей среды.

Второе требование - механическая прочность материалов и их устойчивость к механическим повреждениям, возможным при строительстве и эксплуатации, а также повреждению грызунами.

При этом используемые материалы в конструкциях защитных экранов должны обладать достаточной химической и биологической устойчивостью к воздействию химически и биологически активных элементов, содержащехся в биогазе и фильтрате.

Материалы конструктивных элементов защитных экранов должны обладать достаточной устойчивостью к механическим повреждениям, возможным при строительстве и эксплуатации, а также повреждению грызунами.

На основе изучения и анализа требований, предъявляемых к материалам по долговечности, химической, биологической и термической устойчивости в диссертации обоснован вывод, что конструкции защитных экранов должны

10

воспринимать передающиеся на них нагрузки и воздействия, и все элементы должны отвечать общим требованиям расчета конструкций сооружений по предельным состояниям. Определяющим расчетом для защитных экранов полигона, при отсутствии дополнительных требований, служит расчет по первому предельному состоянию. Расчет по первому предельному состоянию должен предусматривать следующие возможные случаи потери устойчивости

(рис. 1):

-потеря местной устойчивости;

-потеря общей устойчивости свалочного фунта;

-плоский сдвиг свалочного грунта;

-потеря несущей способности основания полигона, выпор грунтов основания.

I

1.потеря местной устойчивости. 2.потеря общей устойчивости свалочного грунта. 3.плоский сдвиг свалочного грунта. 4. потеря несущей способности основания полигона, выпор грунтов основания.5. деформации основания и поверхности

Рис. 1. Возможные случаи потери устойчивости (1-4) и деформации основания и поверхности (5) полигона.

Защитный экран основания полигона располагается на фунтовом основании под толщей ТБО, которая может достигать 70-ти метров. Таким образом, защитный экран основания полигона воспринимает нагрузку до 1000кПа. Принимая во внимание, что полигон заполняется не сразу, то эта нагрузка передается на экран неравномерно.

В диссертации принято, что передача нагрузок на защитный экран основания может быть представлена упрощенной схеме (рис. 2.), где 1,2,3,4,5,6