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.
- 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.
- Разработка методов и методик определения физико-механических характеристик техногенных грунтов и прогнозов их изменения во времени для каждой фазы жизненного цикла геотехнической системы «Полигон».
- Разработка рекомендаций (технических регламентов) по определению инженерных мероприятий и конструктивных решений, наиболее целесообразных с позиций надежности и безопасности их работы в данных региональных условиях.
- Разработка инженерно-технической документации, обеспечивающей расчет и проектирование конструкций и систем инженерной защиты.
- Определение геотехнического регламента управления качеством принимаемых решений и производства работ по строительству и эксплуатации систем инженерной защиты.
- 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
- 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.
- Щербина Е.В. Обеспечение экологической безопасности полигонов ТБО на основе концепции двухуровневых барьеров. / Промышленное и гражданское строительство, № 1, 2006. – с.80-81.