香港前堆填区的善后发展

堆填区是香港处置都市固体废物的主要方法之一。香港现时有 13 个封闭式堆填区，并于 1999 年启动修复计划，将封闭式堆填区改造成休闲区. 这些封闭的垃圾填埋场下面的城市固体废物将缓慢而逐渐地生物降解，释放有毒气体和渗滤液。由于香港只完成了少量的后用发展，本文介绍了规划和设计香港两个前垃圾填埋场——牛池湾（NCW）和佐敦谷（JV）垃圾填埋场的考虑，特别是一个MSW 解决方案的讨论。各种预测城市固体废物长期沉降的模型已经可用。本文回顾了这些模型在预测 MSW 沉降方面的适用性。但是，由于预测的沉降可能存在很大误差，因此需要针对特定地点进行校准和验证。因此，本文介绍了这些前垃圾填埋场过去 30 年的沉降监测数据，并建议修改 Bjarngard 和 Edgers 的方法，以估计这种长期沉降以及由于后期开发而产生的额外附加费的影响。基于这些数据的回归，压缩指数 修正后的方法中不同沉降阶段的C _ce和C _α已经过标定和验证。

1 . 介绍

堆填区是香港处置都市固体废物的主要方法之一。许多环境问题，包括气味和宝贵土地的损失仍然无法解决。因此，公众对进一步扩建现有垃圾填埋场表示强烈反对。另一方面，香港现时有 13 个封闭式堆填区（总面积约 300 公顷）（图 1），自 1999 年起启动修复计划，将封闭式堆填区改造成绿地，以供市民使用。子孙后代的使用。这些前垃圾填埋场的规划和开发不当可能导致山体滑坡或不可接受的沉降，释放有毒气体和渗滤液。

在香港，一旦垃圾填埋场关闭，环境保护署 (EPD) 会监测地面沉降、渗滤液和垃圾填埋气排放，这段持续 20 至 30 年的时期称为“善后”期。在善后后期阶段，环保署会考虑与正在进行的善后工作相适应的“善后发展”。由于 MSW 的持续分解导致差异沉降，在此阶段可以避免过度负载或大型建筑结构。然而，封闭式垃圾填埋场的后用开发需要仔细规划和设计，以考虑废物的特性以及健康和安全问题。本文讨论牛池湾 (NCW) 和佐敦谷 (JV) 堆填区的长期沉降，并将分析沉降调查数据以校准和验证 _理论模型中各个阶段的压缩指数Cce和_Cα . 此类校准和验证的目的是为预测香港城市固体废物的沉降提供经验数据，以供未来类似的后期使用开发。

在 13 个已关闭的堆填区中，建筑署 (ArchSD) 负责将 NCW 和 JV 堆填区修复至已于 2010 年年中向公众开放的休闲区。NCW堆填区的填埋作业于1976年开始，并于1977年停止。该地点是位于香港东九龙彩云屋村以北的山谷式堆填区。场地面积约为 8 公顷，由两个独立的处置区组成，这些区已被倾倒以形成一系列平台。该场地现已开发为射箭场、儿童游乐场、草坪和篮球场。图 2为 NCW 填埋场修复后的鸟瞰图。

合营垃圾填埋场的填埋作业于 1986 年开始，并于 1990 年停止。该地点位于香港东九龙新清水湾道。场地面积约 6.4 公顷，现已恢复为模型赛车场，设有单层观众席、厕所、温室和教育中心。图 3为 JV 填埋场修复后的鸟瞰图。

土木工程处（行政总裁）、环保署以及新西W 和合资堆填区后续发展的承办商进行了持续的地面沉降监测。NCW 和合资娱乐项目已完成，这两个设施自 2010 年以来已向公众开放。公园开放一年后，尽管沉降率有所下降，但仍在监测地面和建筑沉降。为 NCW 和 JV 场地绘制了沉降与时间关系图，以研究沉降趋势，以校准和验证垃圾填埋场沉降预测方法，以用于未来封闭垃圾填埋场的后续开发。

2 . 废物处理

定居是封闭垃圾填埋场恢复和开发的主要岩土工程方面。生活垃圾沉降会给后期开发带来问题，如建筑物严重变形和损坏，地面渠道或地面下垂，导致积水，地下排水管倒流，地面铺装和地面渠道开裂导致水渗入城市生活垃圾，和公用设施管线/地下排水管破裂。MSW沉降既不规则又过度。最大沉降主要取决于 MSW 的厚度。虽然总结算相对容易处理，但差异结算然而，这是另一个主要问题，因为它会导致建筑或硬路面变形或裂缝，导致无法使用。因此，对垃圾填埋场开发的 MSW 的总沉降和差异沉降进行正确估计非常重要。

2.1 . 垃圾处理机制

生活垃圾沉降机理复杂，沉降主要是生活垃圾的短期变形和长期生物降解。MSW 的典型沉降曲线如图 4所示。结算分为以下五个阶段：

(1)第一阶段（初始）：由高度可变形的废物部件压缩引起的即时机械压缩；
(2)第二阶段（初级）：由于废物的连续滑动或重新定向引起的机械沉降；
(3)第三阶段（次要）：由于废物的蠕变和有机材料的初始分解引起的机械变形；
(4)第四阶段（分解）：有机物质的分解；和
(5)第五阶段（残余）：机械沉降和有机分解的残余变形。

第一阶段和第二阶段的安置将在垃圾填埋作业结束后约 1 至 3 个月内完成，因此不是后续发展的主要关注点。第三至第五阶段的沉降涉及废物的机械压缩及其随时间变化的生物降解，是填埋场恢复的主要问题。在这些阶段中，第四阶段显示出大量的沉降，因为有机材料在废物的生物降解过程中转化为液体和气体形式。每个阶段的曲线往往与时间的对数呈线性关系。表 1总结了关于垃圾填埋场总沉降的文献，普遍的共识是大部分沉降将在 20 年左右完成，尽管会有一些剩余沉降将在较长时间内发生。根据Park and Park (2009)，估计 50 年的长期沉降约为 MSW 深度的 30%。

表 1。垃圾填埋场的沉降行为总结（ Sarsby，2000 年）。

来源	废物类型	MSW沉降深度（%）	时间段
Edgers and Noble (1992)	市政固体	25–50	20年
埃迪尔等人。(1990)	市政固体	5–30	大多数发生在 2 年内
弗兰齐斯 (1991)	家庭垃圾	最多 20 个	65% 发生在 3 年内，大多数发生在 15 年内
惠特里克 (1981)	家庭	总体 15–20	20年左右
杰斯伯格 (1994)	混合填埋场	约20	15-20 年
贵族等人。(1988)	家庭	20	20年
萨斯比 (1987)	家用和商用	6–9	5年

2.2 . 沉降估计（文献综述）

开发了许多沉降估计方法（例如Gibson 和 Lo，1961 年，Sowers，1973 年，Edil 等人，1990 年，Ling 等人，1998 年）。尽管Dunn (1995)和Bowders 等人，通常采用土壤力学模型来预测垃圾填埋场中受到废物质量和施加载荷的沉降。(2000)指出，此类土壤力学模型应辅以经验方程，即使有此类补充，预测也只能给出估计值，应谨慎和保守地对待此类模型。

2.2.1 . 播种方法

Sowers (1973)将沉降分为初级沉降（ΔHp ）和次生沉降（ΔHs ）_阶段_（图5），并使用回归方法估计适当的系数：(1) $Δ H = Δ H_{p} + Δ H_{s} = H C_{ce} \log_{10} \frac{P_{0} + Δ P}{P_{0}} + H_{t_{(1)}} C_{α} \log_{10} \frac{t_{(n + 1)}}{t_{(1)}}$ 其中H是废物的初始厚度；ΔH为沉降；t ₍₁₎为二次结算的开始时间； $H_{t_{(1)}}$ 是长期沉降开始时废物的厚度（即在 $t_{(1)}$ ); ΔP是施加压力的变化；C _ce = C _c /(1 + e ₀ )，其中e ₀为空隙率，C _c为压缩指数；C _α是长期压缩指数；P ₀为初始上覆压力；t ₍_n₊₁₎是感兴趣的时间。

Sowers 模型（方程（1））由于其简单性和熟悉性，是用于垃圾填埋场沉降预测的最广泛使用的方法之一。然而，该方法的主要缺点是它不允许长期沉降收敛，如图 4中的 Grisolia 和 Napoleoni (1995)以及Park and Park (2009)所述。Sharma 和 De (2007)使用 Sowers 模型，总结了来自各种文献（表 2 ）的C _ce和C _α的值用于沉降估计。

表 2。Sowers 模型中的C _ce和C _α值（ Sharma 和 De，2007 年）。

参考	小学_ _{_}	次要C _α
播种者 (1973) (对于e ₀ = 3)	0.1–0.41	0.02–0.07
佐伊诺 (1974)	0.15–0.33	0.013–0.03
Converse Davis Dixon Associates (1975)	0.25–0.3	0.07
饶等人。(1977)	0.16–0.235	0.012–0.046
兰德瓦等人。(1984)	0.2–0.5	0.0005–0.029
沃尔和蔡司 (1995)	0.21–0.25	0.033–0.056
加布尔和瓦莱罗 (1995)	0.2–0.23	0.015–0.023

2.2.2 . Bjarngard 和 Edgers 的方法

然而，Sowers 的模型只包括一个单一的C _α值，假设在沉降的各个阶段都是恒定的，因此没有考虑不同阶段的垃圾填埋场沉降的不同机制。Oweis 和 Khera (1998)总结了文献中公布的不同类型废物的 C α 值，发现C _α值_确实会随着废物的年龄而变化。Bjarngard 和 Edgers (1990)修改了 Sowers 的模型，以考虑不同阶段的不同结算机制。他们的方法是对 Sowers 模型的改进，因为它包括不同的C _α不同结算阶段的价值。图 6显示了 Bjarngard 和 Edger 模型中的典型沉降曲线，他们的方程写成如下：(2) $Δ H = H C_{R} \log_{10} \frac{P_{0} + Δ P}{P_{0}} + H_{t_{(1)}} C_{α (1)} \log_{10} \frac{t_{(2)}}{t_{(1)}} + H_{t_{(2)}} C_{α (2)} \log_{10} \frac{t_{(n + 1)}}{t_{(2)}}$ 在哪里 $H_{t_{(2)}}$ 是分解沉降开始时废物的厚度（即t ₍₂₎时的厚度），C _R是压缩比， $C_{α (1)}$ 是 Stage III 压缩指数， $C_{α (2)}$ 为第四阶段压缩指数，t ₍₂₎为长期沉降开始时间。

Bjarngard 和 Edgers 方法的缺点是它需要校准许多参数（ $C_{α (1)}, C_{α (2)}$ , t ₍₁₎和t ₍₂₎ ) 以预测总沉降。同样，它不允许长期结算收敛，如图 4中的 Grisolia 和 Napoleoni (1995)以及Park and Park (2009)所述。

2.2.3 . 改进的 Bjarngard 和 Edgers 方法

Grisolia and Napoleoni (1995)和Park and Park (2009)注意到沉降在长期内会越来越少，即收敛的残余沉降。因此，本文建议修改 Bjarngard 和 Edgers 的方法来估计这种长期结算，如下所示：(3) $Δ H = H C_{R} \log_{10} \frac{P_{0} + Δ P}{P_{0}} + H_{t_{(1)}} C_{α (1)} \log_{10} \frac{t_{(2)}}{t_{(1)}} + H_{t_{(2)}} C_{α (2)} \log_{10} \frac{t_{(3)}}{t_{(2)}} + H_{t_{(3)}} C_{α (3)} \log_{10} \frac{t_{(n + 1)}}{t_{(3)}}$ 在哪里 $H_{t_{(3)}}$ 是残余沉降开始时废物的厚度， $C_{α (3)}$ 为第五阶段压缩指数，t ₍₃₎为残余沉降开始时间。

沉降曲线类似于Grisolia 和 Napoleoni (1995)以及Liu 等人的沉降曲线。（2006 年）（图 7）。回归方法将用于找出压缩指数C _α。

2.2.4 . 估算后用开发沉降的建议公式

在典型的后期使用开发中，将对 MSW 施加额外的负荷，因此会引起额外的沉降。在垃圾填埋场施加外部荷载（如建筑、回填土等）会导致额外的地面沉降，这将在 NCW 和合资企业的场地观察到的几个月到一两年内发生。这种现象由图 8中的沉降曲线说明。

Sharma 和 De (2007)研究了外部载荷下的沉降，例如最终覆盖系统或结构的建造。该研究得出的结论是，由于垃圾填埋场中 MSW 的自重，外部负荷的强度要小得多。后期开发过程中的大多数结构都是在垃圾填埋场关闭很久之后建造的。因此，在引入外加载荷时，大部分自重沉降已经完成。由于这一时期的自重沉降量很小， Sharma 和 De（2007）认为不需要将自重和外加荷载计算结合起来，提出如下公式：(4) $Δ H_{EL} = H_{t_{1}} C_{α (EL)} \log_{10} \frac{t_{2}}{t_{1}}$ 在哪里 $Δ H_{EL}$ 是施加外部载荷后在时间t _{2的沉降，}t ₁是短期结算的时间，t ₂是施加外部载荷后的感兴趣时间， $H_{t_{1}}$ 是时间t ₁垃圾填埋的厚度，和 $C_{α (EL)}$ 是由外部载荷引起的长期压缩系数。

然而，上述方程的缺点之一是没有考虑引起附加沉降的外部荷载强度。在 NCW 和 JV 场地中，除了持续分解/残余沉降外，还观察到施工开始后地面沉降显着增加。由于这两个项目的外部负荷强度都在废物总重量的 10-20% 范围内，因此这种强度不容忽视；因此，Sharma 和 De 在上述等式中的建议不适用于确定两个场地施工后的附加沉降。另一方面，方程式。(5)Sowers 建议的短期沉降模型考虑了整个废物深度的外加压力变化，更适合于确定 NCW 和 JV 项目由于外部施加载荷引起的附加沉降：(5) $Δ H_{p} = H C_{ce} \log_{10} \frac{P_{0} + Δ P}{P_{0}}$

在实践中，垃圾填埋场后期开发设计中最有用的信息是开发开始后场地的预期总沉降。因此，在确定这一预期结算时，本文建议使用以下公式：(6) $Δ H = H C_{ce} \log_{10} \frac{P_{0} + Δ P}{P_{0}} + H C_{α (3)} \log_{10} \frac{t_{(n + 1)}}{t_{(n)}}$ 其中t _( n )是开发开始的时间。

等号右侧第一项代表外加荷载引起的附加沉降（如最终覆盖系统或后续开发的结构或填充物的建造），第二项代表开工后的长期沉降的后期开发。

3 . NCW 和合资项目的结算日期

在 1970 年代，CEO 在现场安装了多个沉降标记，以监测所有 13 个垃圾填埋场在填埋作业停止期间和之后的MSW沉降情况。严 (1989)总结了 1978 年至 1985 年 NCW 场地的监测数据，为二、三期沉降提供了宝贵的数据。1999 年，环保署在这些地方启动了初步修复计划，为它们的后续发展做好准备。该计划包括分别在 NCW 和 JV 场地安装 32 个和 9 个定居标记，然后每年对其进行监测。在后用发展的建造工程中，建筑署亦在建筑物和平台上安装额外的沉降标记，并每月进行监测。在维护期间，使用后承包商进行了持续监控。之后，土地测量员受聘于每季度进行地面沉降监测。到目前为止，仍在观察地面和建筑物沉降；但是结算率已经降低了。表 3显示了更新后的定居点。

表 3。NCW和JV场地不同阶段的结算记录。

地点	阶段	时期	最大沉降（mm）
空单元格	空单元格	空单元格	地面	建造
NCW（网站自 1977 年关闭）	关闭后	1978–1985 (7 年)	4400	不适用
	善后前	1985–1999 (14 年)	无记录	不适用
	善后	1999–2008（9 年）	396	不适用
	后期开发建设	2008–2010（2 年）	125	120
	缺陷责任期 (DLP)	2010–2011（1 年）	105	98
	DLP 之后	2011–2012（1 年）	41	48

合资企业（网站自 1990 年关闭）	关闭后	1990–1998 (8 年)	无记录	不适用
	善后	1998–2008（10 年）	833	不适用
	后期开发建设	2008–2010（2 年）	274	130
	DLP	2010–2011（1 年）	115	90
	DLP 之后	2011–2012（1 年）	56	55

同时，环保署仍每年对其沉降标志进行测量，以监测封闭堆填区的沉降情况。因此，自 1999 年以来就有来自 EPD 标记的沉降数据；因此，这些数据有助于说明地面沉降的总体趋势。NCW 和 JV 填埋场地面沉降的总体趋势绘制在图 9、图 10、图 11中，使用从 CEO 和 EPD 获得的数据。对于 NCW 站点（图 9），表示 1976 年至 1985 年间的结算数据来自 CEO，而 2000 年至 2012 年间的数据来自环保署。图 10显示了 2000 年至 2012 年的快照。对于合资网站（图 11)，结算数据来自环保署。另一方面，施工期间记录的沉降数据可用于确定由外部荷载引起的压缩指数( C _{ce )。}

必须承认，从 CEO 和 EPD 获得的结算记录对于建立用于结算预测的参数Cα ₍₂₎和Cα _{(3)非常重要和必要。}后期开发建设过程中获得的记录只是整个沉降历史的快照，不足以预测未来的沉降。

4 . 后期开发建设后结算

4.1 . 初级和次级定居点（第二和第三阶段）

1978 年至 1985 年从 NCW 垃圾填埋场获得的监测数据（表 4 ），作为二期和三期沉降的数据。阶段压缩指数（蠕变率）仅根据垃圾的自重计算，没有考虑附加费影响。平均压缩指数（蠕变率）被发现为C _α(1) = 0.055。

表 4。NCW垃圾填埋场的沉降和压缩指数（蠕变率）（1978-1985）（Yim，1989）。

监测站	填充厚度（米）	期间（年）	ΔH / H ( %)	第三阶段压缩指数C _α(1)
B3	30	7.8	12.06	0.0714
B4A	34	7.3	7.31	0.0515
B5	25	4.7	9.71	0.0491
B7	41	7.3	7.10	0.0438
B9	41	7.3	10.72	0.0580

4.2 . 分解和残余沉降（阶段 IV 和 V）

自 1999 年以来从 NCW 垃圾填埋场的MSW获得的监测结果为 IV 期和 V 期沉降计算提供了数据。沉降曲线上的所有这些数据都绘制在图 12中。

在典型的沉降曲线（图 7）中，二次沉降后沉降速率将继续以Cα ₍₂₎和Cα ₍₃₎对时间的对数。由于周期太短，很难根据后用施工获得的数据找到准确的“后用”新Cα _{(3) 。}相反，C _α(3)可以从善后阶段获得的数据中获得，即在善后开发建设之前，如果善后开发在垃圾填埋场关闭后开始足够长的时间，则该时间要长得多，例如超过 20 年。因此，从 1998 年到 2011 年获得的 NCW 和 JV 站点的沉降数据分别与图 12和图 13中的时间对数作图。根据沉降分析，不同阶段的C _α可用回归法计算如下：(7) $C_{α} = \frac{Δ H}{H \log_{10} (t_{n + 1} / t_{1})}$

4.3 . 从项目中获得的平均压缩指数

对两个项目的结算数据进行了审查。由于只有 1978 年至 1985 年和 1999 年至 2010 年的数据，因此对这些时期的结算快照进行了详细调查。因此，通过最佳拟合回归方法可以找到阶段 III、IV 和 V 的压缩指数，如下所示：

C _α(1) = 第三阶段沉降期间的压缩指数

= 0.0438–0.0714（表 4中从 1978 年到 1985 年）

C _α(2) = 第四阶段沉降期间的压缩指数

= 0.045–0.07（图12、图13从2000年到2005年）

C _α(3) = 阶段 V 沉降期间的压缩指数

= 0.022–0.035（从 2006–2008 年的图 12，图 13）

5 . 后用开发建设后的附加沉降

5.1 . 都市固体废物的单位重量及附加费

为了估计由于外部施加的载荷引起的额外沉降，如方程式。(6) ，必须确定MSW的密度。Yim (1989)通过计算倾倒在新化武场的 MSW 的重量，估计垃圾的密度在 9.5 kN/m ³到 11.9 kN/m ³的范围内（表 5）。在场地关闭多年后，由于自压实，预计密度会增加。因此，在计算附加沉降时将使用平均密度。NCW 和 JV 垃圾填埋场的垃圾顶部的外部施加载荷最大为 43 kPa（2 m 厚的土壤加上 5 kPa 施加载荷）。

表 5。MSW的单位重量（Yim，1989 年）。

垃圾填埋场	时期	吨垃圾倾倒	密度 (kN/m ³ )
NCW （东谷）	26/1/1976–10/12/1977	232, 033	9.5
NCW （西谷）	26/1/1976–10/12/1977	441, 946	11.9

5.2 . C _ce的验证

从方程式。(6) 、压缩指数（C _ce）是一个未知因素。为了确定C _ce，MSW 以 1 m 的间隔分成层，并根据Lambe 和 Whitman (1979)的方法计算每层的附加应力 (Δ P ) 。还使用了施工期间记录的地面沉降数据。对于合资公司和新大陆地块，地盘平整工程分别于 2008 年初和 2009 年开始，并在项目开工时安装了地面沉降监测站。合资场地2008-2012年施工期地面沉降数据见图14。

施工后沉降包括两部分，即由于MSW 分解产生的长期沉降和外加荷载引起的附加沉降。这种现象可以通过合资垃圾填埋场ASM06（图14 ）的地面沉降数据来说明。2008年10月至2009年1月，地面急剧沉降150mm ，2009年4月以后沉降速度逐渐放缓。附加附加费沉降的发生时间可能比施工期长，即可能即刻发生，也可能紧随其后。蠕变效应）。

通过了解城市固体废物的深度、废弃物的密度、附加附加费和C _α、C _ce可以反算出各个地面沉降点的。表6给出了两个项目所有具有代表性的地面沉降数据及其平均值计算的C _ce结果，即平均C _ce = 0.0463 和0.0563。

表 6。由于外部施加的载荷，压缩指数C _ce的范围。

地点	车站	Δ H _p (2008–2012) 使用过去历史的C _α	现沉降（施工期）（mm）	即时结算（米）	_切_	平均 _切_
NCW (Cα ( ₃₎ = 0.035)	ASM01	0.033	0.226	0.193	0.041	0.046
	ASM02	0.033	0.269	0.236	0.057
	ASM03	0.028	0.260	0.232	0.052
	ASM04	0.028	0.191	0.164	0.044
	ASM05	0.024	0.187	0.163	0.038
	ASM06	0.021	0.215	0.194	0.056
	ASM07	0.037	0.197	0.161	0.036

JV ( Cα ₍₃₎ = 0.022)	ASM04	0.072	0.224	0.152	0.065	0.056
	ASM06	0.096	0.457	0.361	0.092
	ASM08	0.144	0.348	0.204	0.041
	ASM13	0.072	0.155	0.083	0.027

外加荷载作用下各监测站的压缩指数（C _{ce ）单值在 0.027~0.092 范围内，比}Sowers（1973）和文献中建议的值小数倍（表2 )。一个可能的原因是，当空隙率较高时，Sowers 图形出现在初始阶段和初级阶段（阶段 I 和 II）。在目前残留阶段（阶段 V）的情况下，多年来，在整个机械压缩和生物分解过程中，MSW 的空隙率显着下降，导致压缩指数较小。

6 . 结论

由于都市固体废物的异质性特征以及香港堆填区缺乏长期沉降记录，准确预测堆填区的长期沉降是一项挑战。通过回顾 NCW 和 JV 垃圾填埋场 30 年的沉降监测数据，有可能为香港 MSW 开发一个沉降模型，从而可以估计未来的沉降；方程。(6)可用于此目的。回归方法是一个很好的近似，应该用于根据之前的善后解决数据获得相关的压缩指标。从所讨论的项目现场获得的沉降数据，压缩指数（C _α（3）) 阶段 V 沉降可取 0.02 至 0.04 的范围来估计长期沉降。后用显影的外加载荷引起的压缩指数C _ce约为0.04-0.06。

然而，如果在填埋场关闭后过早开始后用开发，例如早于 15 年，则仍有一些活跃的分解（第四阶段）正在进行，沉降将很高。在这种情况下，应考虑压缩指数C _α(2) = 0.045–0.07 的 IV 期沉降和 V 期沉降。