Юбилейная конференция, посвященная 50-летию РОМГГиФ

Москва, 15-16 марта 2007 г.

Геотехнические задачи обеспечения экологической безопасности полигонов бытовых и промышленных отходов

Щербина Е.В., Московский государственный строительный университет

 

Полигоны размещения отходов производства и потребления образуют специфические геотехнические системы, представляющие реальную экологическую угрозу, особенностью которых служит образование новых геохимических комплексов техногенных грунтов. С позиций устойчивости геотехнических систем в докладе  сформулированы основные геотехнические задачи, решение которых необходимо для обеспечения экологической безопасности территорий размещения полигонов твердых бытовых и промышленных отходов.

Развитие научно-технического прогресса, рост общественной производительности труда и городов приводят к увеличению образования твердых бытовых и промышленных отходов, которые, как правило, вывозятся на полигоны и свалки. Рассматривая экологическую безопасность как состояние защищенности  жизненно важных интересов человека от угроз, создаваемых техногенными объектами, следует, что проектирование, строительство, эксплуатация и рекультивация полигонов размещения отходов должны осуществляться с соблюдением специальных требований, обеспечивающих безопасность функционирования образующейся природно-техногенной (геотехнической)  системы ПТС «Полигон» [1].

Безопасность ПТС «Полигон» мы рассматриваем как такое состояние геотехнической системы, при котором риск ее существования не превышает допустимых пределов воздействий, способных нарушить устойчивость системы и единство структурных и функциональных связей.  Устойчивость геотехнической системы – это ее способность сохранять или восстанавливать равновесие связей и параметров состава, структуры, состояния и свойств составляющих ее природных компонент, а также обеспечивать стабильное функционирование технических систем инженерной защиты, которые она вмещает, при воздействиях различных природных и техногенных факторов.

Анализ жизненного цикла ПТС «Полигон», позволяет оценить вероятность развития неблагоприятных в экологическом отношении процессов и определить тенденции их развития. В этом случае количественную оценку экологической безопасности ПТС «Полигон» представляется возможным получить не только через прямые экологические ущербы, но и через суммарные предотвращенные экологические ущербы с учетом внедрения высокотехнологичных методов инженерной защиты, позволяющей снизить суммарную антропогенную нагрузку до приемлемых значений.

Для иллюстрации масштабов этих систем в табл. 1 приведены ориентировочные площадь карт складирования отходов в зависимости от вместимости полигона и значения дополнительной нагрузки на основание в зависимости от высоты складирования отходов. В расчетах принято среднее значение удельного веса техногенных грунтов возрастом более 15 лет. Таким образом, можно отметить, что эти грунтовые сооружения значительны по масштабам, а их влияние на напряженно-деформированное состояние основания может быть сравнимо, например, с воздействием грунтовых плотин.

Ориентировочная площадь участков складирования ТБО в зависимости от вместимости полигона и высоты складирования отходов.

Таблица 1

Высота складирования, м  

12
 

20
 

25
 

35
 

45
 

60
Вместимость 

полигона,

тонн:
 

Ориентировочная площадь участка складирования ТБО, га
260 000 6.5 5.0
500 000 12.5 8.5 7.0
2 500 000 31.0 21.0 16.0 12.5
3 650 000 91.0 61.0 46.0 34.0 26.0
4 850 000 121.0 81.0 61.0 45.0 35.0 30.0
Нагрузка на основание, кПа 187.2 312.0 390.0 546.0 702.0 936.0

 

Анализ жизненного цикла геотехнической системы «Полигон» и условий работы элементов инженерной защиты позволил установить нагрузки и воздействия на защитные экраны основания и поверхности карт складирования отходов (табл. 2), которые должны быть учтены в расчетах и проектировании.

Особенностью геотехнической системы «Полигон» является то, что при выводе полигона из эксплуатации на этой территории образуется новый геохимический комплекс, который продолжает свое развитие. Биохимические и технологические процессы формировани       С позиций геоэкологического проектирования, выбор средств инженерной защиты начинается на стадии обоснования инвестиций и разработки раздела оценки воздействия на окружающую среду. При этом подходе для обеспечения экологической безопасности территорий размещения полигонов, проектирование элементов инженерной защиты должно базироваться на системе двухуровневых барьеров [2]. Каждый из барьеров этой системы выполняет заданные функции и работает на определенной фазе жизненного цикла геотехнической системы «Полигон». В совокупности они обеспечивают защиту биотопа от негативного воздействия полигона.

я техногенных грунтов определяют физико-механические свойства  всего природно-техногенного массива и отдельных формирующих его разностей. При неорганизованном складировании отходов «в выемку», природно-техногенные массивы обладают высокой неоднородностью и характеризуются хаотичным или линзовидным  строением. В частности оно характерно для объектов старых свалок г. Москвы на участках третьего транспортного кольца [3]. Такие типы строения не благоприятны для строительного освоения территорий.

Слоистый тип строения характерен для свалок и полигонов с планомерной укладкой отходов, чередующихся с промежуточной изоляцией инертными грунтами. Такой тип строения природно-техногенного массива имеет сходство с природными грунтовыми массивами и в большей степени позволяет прогнозировать и его физико-механические свойства.

Прочностные свойства техногенных грунтов полигонов ТБО необходимы для обоснования общей и местной устойчивости антропогенного массива, а после вывода полигона из эксплуатации для решения вопросов по строительному освоению этих территорий. При этом следует отметить, что исследования физико-механических свойств техногенных грунтов полигонов и свалок отходов весьма затруднены, из-за большего размера включений и неоднородности, что подтверждает широкий разброс экспериментальных значений (табл.3).

Нагрузки и воздействия на защитные экраны полигонов ТБО.

Таблица 2.

Фаза 

Жизненного цикла
 

Функциональное состояние, нагрузки и воздействия
Фаза Ia, устройство экрана

 

Защитный экран основания в строительный период 

Нагрузки: от строительных  и монтажных механизмов и машин, собственного веса элементов защитного экрана.

Воздействия: климатические.
Фаза Iб, начало эксплу-атации

 

Защитный экран основания в период эксплуатации 

Экран частично или полностью находится открытым.

Нагрузки: от механизмов и машин, используемых для укладки и уплотнения отходов; собственный вес отходов.

Воздействия: климатические, химические, биологические, физические.
Фаза II 

Эксплу-атация

полигона

 

 

 

 
Защитный экран основания в период эксплуатации, полная функциональная нагрузка на все элементы защитного экрана. 

Защитный экран основания полностью закрыт отходами.

Нагрузки: от собственного веса отходов и промежуточных изоляционных слоев, механизмов и машин, используемых для укладки и уплотнения отходов, возведения защитного экрана поверхности полигона.

Воздействия: фильтрат с максимальным содержанием ядовитых веществ, температура.
Фаза IIIа 

Начало рекуль-

тивации

 

 

 

 

Защитный экран поверхности в период строительства  

Нагрузки: собственный вес конструктивных элементов, строительных механизмов и машин, инфильтрации поверхностного стока.

Защитный экран основания в процессе эксплуатации.

Защитный экран поверхности полигона снижает количество фильтрата, приходящегося на защитный экран основания полигона.

Нагрузки – от собственного веса отходов, деформаций уплотнения отходов, собственного веса защитного экрана поверхности и веса инфильтрационного поверхностного стока.

Полная функциональная нагрузка на все элементы защитных экранов основания и поверхности.
Фаза IIIб, 

Завершение рекуль-

тивации

 

 
Защитный экран основания в процессе эксплуатации 

Защитный экран поверхности в процессе эксплуатации

Нагрузки: собственный вес конструкции, полезная нагрузка, зависящая от направления рекультивации.

Воздействия: климатические, на откосах гидравлические от поверхностного стока, возможность развития эрозионных процессов.
Фаза IV, 

 

 

 

 
Защитные экраны после закрытия полигона 

Постепенное достижение предела функциональной способности экранов, связанное с исчерпанием срока службы материалов, сначала – защитного экрана основания, затем — поверхности.

Увеличение нагрузки на минеральные элементы экрана основания и природный геологический барьер.

Анализ исследований прочностных свойств выполненных по методикам сдвиговые испытания, моделирования в центрифуге и методами математического моделирования показал, что прочностные и деформационные характеристики техногенных образований также зависят от возраста отложений. При этом в сдвиговых испытаниях даже при значительных перемещениях каретки (20%) может не происходить разрушение проб, что объясняется наличием в техногенных грунтах армирующих элементов (остатки текстильных волокон, пластических масс и др.).

Данные лабораторных и полевых испытаний техногенных грунтов полигонов и свалок

Таблица 3.

Параметры Краткое описание опыта и материала. Примечание
?о С, кПа ?, кН/м2
38 7,0 Домашний мусор; Gay, 1989  [4]
17,5 

 

15,0
7,5 

 

1,0
10,0 

 

10,0
Бытовые и промышленные отходы с добавлением осадка сточных вод. 

 
Salomo, 1985 [5]
15,0-17,0 10,0 По результатам обратных расчетов и наблюдениям за реальным полигоном (Роттедепони) Spiellmann, 1980 [6]
30,0-40,0 0 8,0-12,0 Оценка на основе наблюдений за существующими полигонами Cassina, 1979 [7]
 

42,0

 

26,5
 

7,0

 

28,0
 

9,0-12,0

 

8,0-11,0

 
Испытания в сдвиговом приборе смеси 

ТБО и осадка сточных вод (возраст — 9 месяцев)

«Молодые» отложения, насыщенные фильтратом
Gay, 1981 [8]
 

18,0
 

21,0
 

13,0
Трехосные испытания свалочных грунтов, возраст 7,5 лет и по результатам обратных расчетов устойчивости реального откоса. Schmidt, 1988 [9]
19,0-24,0 16,0-32,0 Рекомендуемые расчетные показатели по данным лабораторных испытаний. Landva, 

Clark,

Weisner,

Burwash (1984) [10]
12,0 10,0 17,0 Расчетные значения, по результатам обратных пересчетов и наблюдений за реальным откосом. Строительный мусор и ТБО, возраст более 20 лет Е.В.Щербина 

С.Н.Щукин  [3]
12.5 124,0 16.0 Лабораторные испытания 

(отходы 180 месяцев)
А.М.Гальперин [11]
20,0 23.0 13.9 Лабораторные испытания свалочных грунтов г. Перми, возраст более 20 лет. С.В.Максимова  [12]

Значительный интерес представляют исследования, проведенные на центральном полигоне г. Ганновера, площадью 140 га, высотой 60 м, вместимостью – около 600 000 тонн, фильтрат – около 100 м3/d , биогаз – около 2500 м3/ га [13]. Были пробурены скважины и проведены лабораторные испытания образцов (общая стоимость работ составила около 850 тысяч евро). Обобщенный состав отходов: отходы жилого сектора – 40.1 %, грунты – 5.0%, строительные отходы – 5.7%, промышленные отходы – 33.2%, прочие – 16.0%

В результате исследований установлено, что плотность «старых» отложений изменяется в пределах от 11 до 22 кН/м3. «Молодых» отложений от 4 до 9 кН/м3. Средние значения для «старых» отложений составляют 16 кН/м3. Практически на всем полигоне уровень фильтрата находится приблизительно на 17 м выше планировочной отметки. Аналогичные данные отмечаются в исследованиях и на других полигонах. Коэффициент фильтрации свалочных грунтов изменяется от 10-3 до 10-5 м/с для «молодых» техногенных грунтов,  и от 10-6 до 10-8 м/с для «старых», слежавшихся. Температурные исследования показали, что наиболее высокие температуры до 750 С зафиксированы в центральной части старого свалочного массива на глубине около 40 м. В толще «молодых» отложений температура достигает 30 – 40 0С. В верхних слоях отходов температуры не превышают 20 – 40 0С.

Широкий разброс значений физико-механических характеристик техногенных грунтов полигонов и свалок отходов показывает, что они существенно отличаются от природных грунтов и обладают новыми не свойственными природным грунтам особенностями. К ним, прежде всего, относятся: высокая неоднородность; содержание органической составляющей, претерпевающей количественные и качественные изменения во времени; образование биогаза; агрессивность к строительным материалам; токсичность к окружающей среде. Поэтому очевидна необходимость разработки специальных методов испытаний и дополнительных обоснований при использовании традиционных методов  механики грунтов для прогноза осадок поверхности техногенных грунтов, расчета устойчивости техногенного грунтового массива, защитных экранов поверхности и основания карт размещения отходов, технологических систем сбора и очистки фильтрата, сбора и утилизации биогаза. Принимая во внимание ответственность сооружений, экологическая безопасность территорий размещения полигонов бытовых и промышленных отходов может быть обеспечена при условии реализации геотехнического подхода в проектировании инженерной защиты и техногенного массива свалочных грунтов. Для этого необходимо решение следующих геотехнических задач.

  1. Определение состава и проведение комплекса инженерных изысканий для обоснования пригодности площадки для размещения полигона бытовых или промышленных отходов. При рекультивации выполнение анализа геотехнической и экологической обстановки сложившейся в местах захоронения отходов. Для этого необходима разработка рекомендаций, определяющих состав и объем инженерных изысканий, необходимых для принятия обоснованных решений по вопросам размещения, строительства и рекультивации этих объектов, учитывающих региональные особенности.
  2. Разработка методов и методик определения физико-механических характеристик техногенных грунтов и прогнозов их изменения во времени для каждой фазы жизненного цикла геотехнической системы «Полигон».
  3. Разработка рекомендаций (технических регламентов) по определению инженерных мероприятий и конструктивных решений, наиболее целесообразных с позиций надежности и безопасности их работы в данных региональных условиях.
  4. Разработка инженерно-технической документации, обеспечивающей расчет и проектирование конструкций и систем инженерной защиты.
  5. Определение геотехнического регламента управления качеством принимаемых решений и производства работ по строительству и эксплуатации систем инженерной защиты.
  1. Разработка рекомендаций по выбору конструктивных элементов и материалов защитных экранов основания и поверхности карт размещения отходов, обеспечивающих их функциональную способность на всех этапах жизненного цикла геотехнической системы «Полигон».

 

Библиографический список

  1. Щербина Е.В. Методология оценки жизненного цикла при проектировании полигонов твердых бытовых отходов. / Строит. мат., оборуд., технологии ХХI века, №11 (82), 2005. – с. 69-71.
  2. Щербина Е.В. Обеспечение экологической безопасности полигонов ТБО на основе концепции двухуровневых барьеров. / Промышленное и гражданское строительство, № 1, 2006. – с.80-81.

 

 

Поделись:
  • Добавить ВКонтакте заметку об этой странице
  • Facebook
  • Twitter
  • В закладки Google
  • Яндекс.Закладки