生活垃圾焚烧飞灰填埋场岩土工程设计建议

我国生活垃圾处理工艺主要有焚烧和卫生填埋两种，近些年焚烧处理量显著提高，导致飞灰的产生量剧增。经统计，2022 年我国生活垃圾焚烧飞灰的产生量高达 7.8×10 ⁶  t。生活垃圾焚烧飞灰因重金属（如铅、锌、镉、铬等）和二恶英等污染物含量高而被列为危险废物。现阶段，飞灰的处置方式主要包括安全填埋和资源化处置两大类，前者包括进入生活垃圾填埋场和危险废物填埋场（柔性和刚性）处置，后者主要有水泥窑协同处置、低温热分解、高温烧结、高温熔融等。

《国家危险废物名录（2025年版）》对飞灰进入生活垃圾填埋场填埋处置进行了豁免管理，即不需要生活垃圾填埋场运营单位获得危险废物经营许可资质，只需飞灰处理后满足 GB 16889—2024 生活垃圾填埋场污染控制标准的入场要求后，便可进入生活垃圾填埋场分区填埋，该处置方式由于建设和运营成本较低，是现阶段比较主流的处置方式。

国内外学者针对飞灰稳定化药剂进行了大量研究，如 Jiang 等、叶暾旻等、Quina 等、Zhang 等采用不同化学药剂对飞灰进行稳定化处理，经药剂处理后的飞灰重金属浸出液浓度显著降低，满足进入填埋场标准要求。以往工程实践中，填埋场飞灰堆填坡比一般参照生活垃圾的 1∶3 执行，未将库区的填埋库容最大程度发挥出来。近些年，针对飞灰土力学特性的研究逐渐增加：如李江山等和唐强等研究了飞灰经水泥固化后的抗压强度；罗小勇等、徐辉等、邱清文研究了有机和无机药剂、石灰、水泥等对飞灰粒径、重度、压缩特性、黏聚力、内摩擦角等物理和力学特性的影响。因此，随着飞灰土力学特性参数的逐渐丰富，现阶段有条件也非常有必要去研究适合于飞灰堆填的坡比设计值，并用于指导飞灰填埋作业。

综上，本研究对不同坡比条件下飞灰边坡和终场覆盖层的稳定性进行综合分析，并给出飞灰堆填坡比的优化设计值。同时，分析库区长宽比和库区面积对填埋库容的影响，最终给出飞灰库区设计的相关建议。

淮安市王元生活垃圾卫生填埋场位于淮安市西南方向，地处清江浦区盐河镇王元村，属于城市规划区范围之内，距市中心约 13 km。该填埋场属于典型的平原型填埋场，其平面布置如图1所示。飞灰填埋库区位于填埋场的北侧，以库区内边界为准，库区面积为 29802 m ² ，长×宽为 242.3 m×123.0 m（长宽比为1.97∶1.00）。飞灰填埋库区于2007年投入使用，飞灰日填埋量约为 150~200 t/d，现阶段已停止填埋，近期计划封场。进场飞灰仅采用螯合剂进行稳定化处理，掺入的螯合剂和飞灰质量比约为 1∶28。

飞灰库区原清库设计：地面标高为 9.5 m，从地面往下挖 2 层，每层高 6.0 m，开挖至 -3.5 m，开挖设计坡比（竖向∶横向）为 1∶2，在标高为 3.5 m 处设置 1 个宽度为 3.0 m 的平台。库底清基坡度为2%，标高为 -1.5~-3.5 m。飞灰库区原封场设计：地面以上飞灰堆高 2 层，每层高 5.0 m，堆高至 19.5 m，堆填设计坡比（竖向∶横向）为 1∶3，在标高为 14.5 m 处设置 1 个宽度为 3.0 m 的平台。顶部区域以 5% 的坡比堆高至标高 21.0 m。飞灰库区原设计库容约为 4.5×10 ⁵  m ³ 。

注：图片来自谷歌地图截图

图1 填埋场平面布置示意

笔者在之前的研究中测试了该填埋场飞灰的土力学特性，并与前人的研究结果进行了对比，研究结果显示：原状飞灰属于级配良好粉土，经螯合剂处理后，粒径增加，变为级配不良粉砂；如进一步采用石灰、水泥固化后，粒径也会进一步增加，变成级配不良粗砂，甚至砂砾。同时，将该填埋场飞灰力学指标与前人研究结果进行汇总，飞灰重度 γ 为 11.0~16.3 kN/m ³ ，内摩擦角 φ′ 为 32.5°~36.3°，黏聚力 c′ 为 8.0~19.5 kPa。本研究将基于飞灰的实际力学指标，对不同堆填坡比的飞灰边坡进行稳定性分析，最终给出飞灰堆填坡比的最优设计值，用于指导实际工程的填埋作业。

根据以上飞灰力学指标，为保守计算，飞灰重度、内摩擦角、黏聚力分别取值为 16.3 kN/m ³ 、32.5°、8.0 kPa。飞灰库区地基土层从上至下分别是素填土、黏土①、粉土、黏土②、粉质黏土、黏土③、黏土粉砂、粉细砂，各地基土层的重度、内摩擦角、黏聚力详见文献。飞灰边坡稳定评估采用 Morgenstern & Price 法，并使用国际主流岩土工程软件 GeoStudio 的 Slope/w 模块实现飞灰边坡稳定性分析。

具体分析工况设置如表1 所示。工况 1 为王元垃圾填埋场的实际情况，为便于分析，将飞灰填埋库区面积调整为 30000 m ² ，库区长宽比调整为 2∶1，飞灰堆填设计坡比（竖向 V∶横向 H）为 1∶3，其对应的终场覆盖层坡比（竖向V∶横向H）也为 1∶3。使用 Slope/w 模块分析工况 1 对应的飞灰边坡安全系数。使用 Autodesk 公司的三维制图软件 Civil3D 建立飞灰库区清库和封场三维模型，并计算飞灰库区的填埋库容。计算对应坡比的终场覆盖层安全系数。同理分析计算工况 2 和 3，从而确定飞灰边坡的最优堆高设计坡比。

当确定了飞灰边坡堆高最优设计坡比为 1∶2 后，通过计算工况 3、4、5 的地面以上飞灰可堆层数以及填埋库容，可分析得到库区不同长宽比对地面以上飞灰可堆层数以及库容的影响。同理，对工况 3~11 进行比较，可进一步分析库区面积和库区长宽比两个因素对地面以上飞灰可堆层数以及库容的影响。

表 1  具体分析工况设置

分析得到工况 1 对应的飞灰边坡安全系数如图2 所示。由图2 可知，当飞灰堆填坡比为 1∶3 时，飞灰库区地面以上可堆 2 层，堆高为 5 m/层。计算得到该飞灰边坡的安全系数为 3.016，大于安全系数警戒值 1.3，说明飞灰边坡是安全的。

图2  工况  1  飞灰边坡稳定性分析

同理计算分析得到工况 2 和工况 3 对应的库区地面以上飞灰可堆层数分别为 5 层和 3 层，对应的安全系数分别为 1.356 和 2.175，均大于警戒值 1.3；计算得到工况 1、2、3 的飞灰填埋库容分别为 4.505×10 ⁵ 、6.874×10 ⁵ 、5.256×10 ⁵  m ³ （表2）。通过工况 1~3 的比较可知，当飞灰堆填坡比从 1∶3 分别增加至 1∶2 和 1∶1 时，库容分别增加了 16.7% 和 52.6%。安全系数虽然从 3.016 降低至 2.175 和 1.356，但仍均高于警戒值 1.3，说明飞灰边坡是安全的。

表 2  工况 1~3  对应的飞灰边坡安全系数及填埋库容

同类型填埋场地面以下库区飞灰堆填自然形成的边坡如图3所示。飞灰通过吨袋进入填埋场后进行破袋和压实，从而确保飞灰可堆得更密实，并提高飞灰强度。经目测，现场飞灰边坡坡度可达到 50° 左右，这也佐证了飞灰边坡稳定性分析的合理性。说明基于飞灰自身力学特性，飞灰边坡坡比是可以从 1∶3 优化至 1∶2，甚至 1∶1。

注：邱清文于 2017 年 7 月在上海老港综合填埋场一期工程飞灰填埋库区拍摄。 

图3 填埋场飞灰边坡

飞灰边坡的堆高设计除了考虑自身边坡稳定性以外，还需考虑填埋场关闭后终场覆盖层的稳定性。现阶段并无针对飞灰填埋场的封场结构，故一般采用生活垃圾填埋场的封场结构，主要有传统土工复合材料覆盖层和新型毛细阻滞型覆盖层（适用于干旱和半干旱地区），如图4 所示。

图4 终场覆盖层结构形式

飞灰填埋场封场采用传统土工复合材料覆盖层时，其工程实践中普遍采用的结构形式从下至上分别为垃圾层（飞灰）、排气层（土工排水网或碎石层）、防渗层（HDPE 土工膜或黏土层）、排水层（土工排水网或碎石层）、绿化土层，由于飞灰不产气，因此取消排气层，但垃圾层和 HDPE 土工膜之间需设置 1 层土工布，用于保护土工膜。

当采用新型毛细阻滞型覆盖层时，碎石层除了作为排气层外，还会与上部细粒土层之间形成一种毛细阻滞作用，可使得细粒土层在降雨时储存大量水分，天气晴朗时，再通过蒸发蒸腾作用将细粒土层中的水分释放到大气环境中，从而减少雨水进入垃圾形成渗滤液。因此在飞灰填埋场，其封场结构形式从下至上仍分别是垃圾层（飞灰）、碎石层、土工布、细粒土层、绿化土层。

工程实践中，这两种覆盖层结构的土工复合材料一般会采用锚固沟进行锚固，因此覆盖层的潜在滑移面大多分别出现在绿化土层和土工排水网之间，以及细粒土层和土工布之间。由于覆盖层的长度远大于其厚度，因此覆盖层的稳定安全系数可直接采用式（1）进行计算。

式中：F _s  为覆盖层安全系数；c′ 为覆盖土层和土工材料间的黏聚力（kPa）；γ 为覆盖土层的重度（kN/m ³ ）；h 为覆盖土层的厚度（m）；θ 为覆盖层的坡度（°）；φ′ 为覆盖土层和土工材料间的内摩擦角（°）。

为计算覆盖层安全系数，γ 取值 19 kN/m ³ ；c′和φ′取覆盖土层和土工材料间的残余强度指标，分别为 8 kPa和 21°。计算得到不同覆盖层厚度和覆盖层坡比对应的安全系数如表3 所示。由表3 可知，覆盖层的安全系数随覆盖土层厚度的增加而降低，随覆盖层坡比的增加而降低。当覆盖土层厚度为 1.5 m、坡比为 1∶2 时，覆盖层安全系数为 1.40，高于安全系数警戒值 1.3；当覆盖层坡比增加为 1∶1、覆盖土层厚度 ≥1.0 m 时，安全系数小于 1.0，不满足要求。工程实践中，覆盖土层的厚度设为 1.0 m 左右，因此，从覆盖层的安全角度考虑，覆盖层的坡比建议不超过 1∶2。

表 3  不同工况下终场覆盖层的安全系数

综合考虑飞灰边坡和覆盖层的安全稳定性，以及最大程度提高飞灰库区的填埋库容，建议将飞灰边坡的坡比从现阶段常用的 1∶3 调整为 1∶2。

飞灰堆高坡比取值 1∶2、库区面积 30000 m ² ，计算库区长宽比分别为 1∶1、2∶1、3∶1 时对应的地面以上飞灰可堆层数和填埋库容如图5所示。由图5可知，当库区的长宽比从 1∶1 提高至 2∶1 和 3∶1 时，地面以上飞灰可堆层数从 5 层分别降低至 3 层和 2 层，填埋库容也从 5.890×10 ⁵  m ³ ，分别降低至 5.256×10 ⁵  m ³  和 4.586×10 ⁵  m ³ ，库容降幅分别为 10.8% 和 22.1%。因此，为了增加库区的填埋库容，库区的长宽比应尽可能地接近 1∶1。

图5  不同库区长宽比对应的地面以上可堆层数及库容

飞灰堆高坡比取值为 1∶2，计算库区面积分别为 20000、30000、40000 m ² ，以及库区长宽比分别为 1∶1、2∶1、3∶1 时对应的地面以上可堆层数如图6 所示。由图6 可知，当库区的长宽比 1∶1 提高至 2∶1 和 3∶1 时，40000 m ²  库区面积对应的地面以上可堆层数从 6 层分别降低至 4 层和 3 层，降幅分别为 33.3% 和 50.0%；30000 m ²  库区面积数值则从 5 层分别降低至 3 层和 2 层，降幅分别为 40.0% 和 60.0%；20000 m ²  库区面积数值则从 4 层分别降低至 2 层和 1 层，降幅分别为 50.0% 和 75.0%。由此可知，库区长宽比对地面以上可堆层数的影响是随库区面积的减少而增加。

图6  不同库区面积和长宽比对应的地面以上飞灰可堆层数

飞灰堆高坡比取值为 1∶2，计算库区面积分别为 20000、30000、40000 m ² ，以及库区长宽比分别为 1∶1、2∶1、3∶1时对应的飞灰填埋库容如图7 所示。由图7 可知，当库区的长宽比从 1∶1 提高至 2∶1 和 3∶1 时，40000m ²  库区面积对应填埋库容从 8.731×10 ⁵  m ³  分别降低至 7.925×10 ⁵  m ³  和 7.123×10 ⁵  m ³ ，降幅分别为 9.2% 和 18.4%；30000 m ²  库区面积对应填埋库容从 5.890×10 ⁵  m ³  分别降低至 5.256×10 ⁵  m ³  和 4.580×10 ⁵  m ³ ，降幅分别为 10.8% 和 22.2%；20000  m ²  库区面积对应填埋库容从3.377×10 ⁵  m ³ 分别降低至2.913×10 ⁵  m ³  和 2.372×10 ⁵  m ³ ，降幅分别为 13.7% 和29.8%。由此可知，库区长宽比对飞灰填埋库容的影响也是随库区面积的减少而增加。

 

图7 不同库区面积和长宽比对应的填埋库容

将图7中每种工况的填埋库容均与长宽比 3∶1 的库容进行比值，得到如图8所示结果。由图8可知，当库区面积为 40000 m ²  时，长宽比 1∶1 和 2∶1 的库容分别是 3∶1 的 1.23 倍和 1.10 倍。当库区面积为 30000 m ²  和 20000 m ²  时，长宽比 1∶1 和 2∶1 的库容分别是 3∶1 的 1.28 倍和 1.12 倍，以及 1.42 倍和 1.16 倍。由此可更直观地表明，随着库区面积的减小，库区长宽比对库容的影响逐渐明显。

图8  不同库区面积和长宽比对应的库容比值