郭楷文 張坤勇,2 艾英缽,2 李 威 周 江

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210024；2.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué))，南京 210024；3.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，南京 210029；4.中鐵四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司，合肥 230023)

城市垃圾指城市區(qū)域內(nèi)固體廢棄物的混合體，因城市垃圾的含水率較高，堆填后其中的液體會形成滲瀝液(包含水、廢氣和有機(jī)廢液)。隨著我國快速城市化，城市生活垃圾產(chǎn)出量急劇增加，填埋法是當(dāng)前處理生活垃圾的主要方法[1]。近年來，我國生活垃圾的處置方式從填埋向焚燒轉(zhuǎn)變，但是由于垃圾焚燒設(shè)施處于建設(shè)階段，大部分生活垃圾仍須進(jìn)行填埋處理[2]。垃圾填埋達(dá)到一定高度后，會覆上一定厚度的黏土作為覆蓋層而后繼續(xù)填埋垃圾。由于中間覆蓋層的存在，滲瀝液會以滯水的形式存在于垃圾體內(nèi)，滲瀝液產(chǎn)生的壓力最大為垃圾的層高。部分填埋場采用防滲膜作為中間覆蓋，當(dāng)防滲膜破裂，各層垃圾間的滲瀝液可能相互連通，形成整體滲流，滲瀝液產(chǎn)生的壓力比有覆蓋層間隔時大很多。滲瀝液的存在形式不同，對垃圾堆體穩(wěn)定性影響也不同，容易引發(fā)邊坡失穩(wěn)問題[3-4]，危害周圍環(huán)境[5]。

Koerner等調(diào)查了10個失穩(wěn)填埋場，發(fā)現(xiàn)滲瀝液液面升高是填埋場邊坡失穩(wěn)的主要原因[6]。陳云敏等通過計算發(fā)現(xiàn)填埋體中滲瀝液飽和度越大、滲瀝液液面越高，填埋體安全系數(shù)就越小[7]。馮世進(jìn)利用有限元法分析了填埋體坡度、高度及滲瀝液液面高程變化對填埋體安全系數(shù)的影響[8]。葉建忠等將填埋場所涉及的穩(wěn)定問題分為五類并進(jìn)行了分析[9]。沈磊在前人工作的基礎(chǔ)上總結(jié)了三種滲瀝液液面形成條件，并就滯液液面高程對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了詳盡分析[10]。邱貞波等研究了不同垃圾堆填高度和不同滲瀝液液面條件下垃圾壩的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)垃圾堆體液面高程對垃圾壩的穩(wěn)定性影響較大[11]。黃志亮等建立了擴(kuò)容后填埋場堆體邊坡的計算模型，分析評價了三種不同工況邊坡抗滑穩(wěn)定性的影響[12]。楊逾等對液面高程、垃圾土的摩擦角、垃圾土的黏聚力進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明液面高程變化對安全系數(shù)的敏感度相對較大[13]。

長期服役填埋場垃圾堆填量不斷累積，滲瀝液存在形式可能發(fā)生變化，填埋體高度、坡度及滲瀝液液面高程不斷發(fā)生改變。僅就單一因素對垃圾堆體進(jìn)行穩(wěn)定性分析是不夠的，分析多因素與垃圾堆體穩(wěn)定性的關(guān)系，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)評估垃圾堆體穩(wěn)定性，計算合理的堆填高度與堆填位置對實(shí)際工程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

某填埋場于1994年建成并投入使用，設(shè)計總庫容約462萬m3。經(jīng)過十幾年的垃圾堆填和城區(qū)的不斷擴(kuò)大，一期工程已不能滿足需要，于2007、2014年兩次在原工程頂部進(jìn)行擴(kuò)建，設(shè)計總庫容達(dá)到900萬m3，如圖 1所示。

圖1 填埋場平面 mFig.1 A bird’s view of a landfill

根據(jù)現(xiàn)場資料，選取典型斷面如圖2所示，典型斷面走勢較陡，附近存在隧道、污水池、水位管。

a—實(shí)景；b—典型斷面，1∶100。圖2 典型堆坡 mFig.2 Typical slopes

通過現(xiàn)場查勘確定最后一層黏土覆蓋層厚度為43 m，滲瀝液液面距地表12.7 m，垃圾體內(nèi)滲瀝液液面高程由定期對液面管內(nèi)的液面測量所得。勘察報告中對不同年代垃圾土進(jìn)行了分層分組試驗(yàn)，建議以各年份垃圾參數(shù)的平均值作為計算參數(shù)，密度為0.82 g/cm3，不排水剪切指標(biāo)為19.33 kPa、17.54°，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]結(jié)果也較為符合。新進(jìn)場未及時推平的垃圾荷載、用于填埋垃圾的行車道板荷載、機(jī)械荷載等是坡頂荷載的主要組成部分。新進(jìn)場垃圾堆填范圍近似一長方形，長、寬約為38，23 m。生活垃圾填埋場使用平面為8.0 m×1.5 m、每塊約3 t的鋼板路基箱鋪在垃圾上作為行車道板，提高垃圾承載力，以此解決車輛進(jìn)入填埋場的問題。實(shí)際用于堆放垃圾的范圍長、寬約為30，15 m，荷載分布如圖3所示，H代表新進(jìn)場垃圾堆填高度。

圖3 坡頂荷載分布 mFig.3 Loads on the top of slopes

2 穩(wěn)定性計算

極限平衡理論是經(jīng)典的邊坡穩(wěn)定性分析方法[15]，以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，將潛在滑移面內(nèi)的土體劃分為若干土條，通過土條的平衡條件建立靜力平衡方程，從而求解安全系數(shù)。若土坡沿某一滑面滑動，則在該滑面上的任一點(diǎn)的土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，如式(1)所示：

τf=c′+σ′tanφ′=c′+(σ-u)tanφ′

(1)

式中：τf為抗剪強(qiáng)度；c′為有效黏聚力；σ′、σ為滑面上的有效應(yīng)力和總應(yīng)力；φ′為有效摩擦角；u為孔隙水壓力。

極限平衡分析常用的方法有瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法等，這些方法不同之處主要在于對平衡條件、條間力以及條間力關(guān)系的假定不同。目前關(guān)于各方法之間的對比分析研究已經(jīng)相當(dāng)充分[16-19]，計算采用較嚴(yán)密的Morgenstern-Price法[20]，該方法考慮了土條間法向力和切向力，假定兩相鄰?fù)翖l法向條間力與切向條間力之間存在函數(shù)關(guān)系，該方法同時滿足整體力和力矩的平衡條件，考慮坡內(nèi)靜水和滲流對邊坡穩(wěn)定影響，適用于任意形狀的滑動面。

安全系數(shù)通常有兩種定義方法：一種是通過加大外力以達(dá)到極限平衡狀態(tài)，具有超載系數(shù)的性質(zhì)；另一種是通過降低材料的強(qiáng)度達(dá)到極限平衡狀態(tài)，具有強(qiáng)度儲備系數(shù)的性質(zhì)。Bishop定義了如下的安全系數(shù)具有強(qiáng)度儲備的性質(zhì)，即安全系數(shù)為整個滑動面上的抗剪強(qiáng)度與達(dá)到平衡所須的剪應(yīng)力之比：

(2)

式中：τf為滑面上的抗剪強(qiáng)度；τ為達(dá)到平衡所須的剪應(yīng)力。

采用在Geo-Studio商業(yè)軟件中的SLOPE/W模塊下選擇Morgenstern-Price法作為計算方法，條間力分布函數(shù)選擇半正弦函數(shù)。建立幾何模型后，定義垃圾土參數(shù)并設(shè)置水位條件和滑移面進(jìn)出口范圍，對垃圾填埋場典型斷面不同工況下的穩(wěn)定性展開計算，使用滑動面自動搜索功能搜尋最危險滑動面(邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小的滑動面)。根據(jù)CJJ 176—2012《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，該工程安全等級為一級，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.35。

2.1 填埋體現(xiàn)狀穩(wěn)定性評價

2.1.1計算工況

對典型斷面考慮不同工況下的穩(wěn)定性，各工況如表1所示。

表1 穩(wěn)定性計算工況Table 1 Working conditions for stability

工況1，不考慮滲瀝液的影響，相當(dāng)于堆填體內(nèi)無地下水位影響情形；工況2，采用實(shí)測滲瀝液液面高程，考慮2012年前垃圾填埋過程中的黏土覆蓋層，土層間考慮黏性土覆蓋層的滯液作用；工況3，考慮在極端不利條件下，防滲膜及黏土覆蓋層滯液作用未發(fā)揮，每層垃圾土間滲瀝液貫通，在填埋體內(nèi)形成整體穩(wěn)定滲流的工況。

2.1.2計算結(jié)果

分別開展了圓弧滑動和非圓弧滑動計算分析，限于篇幅，只展示典型堆坡非圓弧滑動穩(wěn)定性計算結(jié)果，如圖 4所示。

a—工況1計算結(jié)果；b—工況2計算結(jié)果；c—工況3計算結(jié)果。圖4 典型堆坡非圓弧滑動穩(wěn)定性計算 mFig.4 Calculations for non-circular sliding stability of slopes

整理不同滲瀝液賦存形式的計算結(jié)果如圖5所示，典型斷面在工況1、2下，堆填體內(nèi)無論是非圓弧滑動破壞或圓弧滑動破壞，安全系數(shù)均大于1.35，滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求；對比工況1、2，堆填體內(nèi)從無液到滯液，安全系數(shù)降低，可見堆填體內(nèi)滲瀝液的存在對填埋體的穩(wěn)定性有重要影響；工況3在兩種滑動方式下，計算安全系數(shù)均小于1.35，不滿足CJJ 176—2012的要求，說明填埋體極有可能出現(xiàn)失穩(wěn)狀況；對比工況2與3，滲瀝液的狀態(tài)從滯液到形成整體滲流，安全系數(shù)再次降低，可見滲瀝液存在的狀態(tài)對堆填體穩(wěn)定性有重要影響。

2.2 考慮滲瀝液液面高程變化對堆填體長期穩(wěn)定性影響分析

隨著滲瀝液液面高程的提高，孔壓增大，滑動面上的垃圾強(qiáng)度指標(biāo)降低，造成垃圾體穩(wěn)定性的降低，故有必要考慮滲瀝液液面高程變化對堆體穩(wěn)定性的影響。因此須考慮典型斷面在工況2的基礎(chǔ)上液面高程最大變化2 m范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。給出擬合曲線和警戒液面高程計算值隨液面高程變化規(guī)律如圖6 所示。

非圓弧滑動； 圓弧滑動。圖6 典型堆坡穩(wěn)定性隨滲瀝液液面高程變化Fig.6 Stability changes of slopes with leachate levels

堆填體內(nèi)無論是非圓弧滑動破壞還是圓弧滑動破壞，隨著滲瀝液液面高程的上升，堆填體安全系數(shù)減小，穩(wěn)定性降低。根據(jù)最危險斷面的計算結(jié)果，建議在運(yùn)營中保證滲瀝液液面高程不能比現(xiàn)有液面高程高2.4 m。

2.3 新進(jìn)場垃圾堆填高度對堆體穩(wěn)定性影響分析

垃圾堆體的穩(wěn)定性除受滲瀝液影響之外，堆體上部的荷載對堆體穩(wěn)定性也有重要影響。堆體上部荷載主要包括新進(jìn)場垃圾荷載、機(jī)械荷載、用于行車的道板荷載等。考慮新進(jìn)場垃圾的不斷積累，隨著堆填高度的增加，堆體穩(wěn)定性將發(fā)生變化。

對典型斷面，考慮在現(xiàn)在斷面形狀及滲瀝液液面高程的情況基礎(chǔ)上，按前所述荷載填加方法及添加范圍，分別計算垃圾堆填高度達(dá)5，10，15，20 m時堆體穩(wěn)定性，并分析隨堆填高度增加，堆體穩(wěn)定性變化情況。限于篇幅，只展示非圓弧滑動下垃圾堆填高度為5 m的穩(wěn)定性計算結(jié)果，如圖7所示。擬合曲線和警戒堆填高度計算值如圖8所示。

圖7 垃圾堆高度為5 m時斷面非圓弧滑動下穩(wěn)定性計算結(jié)果 mFig.7 Stability calculation results of slopes with rubbish dump hieght of 5 m

非圓弧滑動； 圓弧滑動。圖8 典型堆坡穩(wěn)定性隨垃圾堆填高度變化Fig.8 Section stability with landfill heights

從圖8可見：堆填體內(nèi)無論是非圓弧滑動破壞或圓弧滑動破壞，斷面的安全系數(shù)隨著垃圾堆填高度的增加而減小，穩(wěn)定性降低，計算得到垃圾堆填高度警戒值為8 m。建議堆高根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況宜控制在4 m，最高不超過6 m，按照現(xiàn)控制標(biāo)準(zhǔn)計算(控制高度6 m，堆填面積15 m×30 m，垃圾密度0.7 t/m3)，每日進(jìn)場垃圾量應(yīng)控制在1 900 t以下。

2.4 新進(jìn)場垃圾堆填高度及滲瀝液液面高程變化共同作用下堆體穩(wěn)定性影響分析

前文給出了單因素影響下警戒液面高程值及警戒垃圾堆填高度值。當(dāng)填埋場遭遇強(qiáng)降雨等不利因素引起滲瀝液液面高程短時間內(nèi)顯著變化時，堆填過程中，考慮堆填垃圾高度變化的同時，須考慮滲瀝液液面高程變化的影響。此外，通過分析垃圾堆填高度及滲瀝液液面高程共同作用對堆體穩(wěn)定性的影響，可以確定某一堆填高度下允許液面高程及某一液面高程下允許垃圾堆填高度。故下面對斷面1進(jìn)行雙因素共同作用下堆體穩(wěn)定性影響分析。

對典型斷面分別計算垃圾堆填高度為5，10，15 m時，滲瀝液液面高程分別為-2，-1，1，2 m條件下堆體的安全系數(shù)。計算結(jié)果如表2所示。

可見，安全系數(shù)與滲瀝液液面高程及垃圾堆填高度間呈線性關(guān)系，雙因素共同作用下，考慮安全系數(shù)與兩者之間為線性關(guān)系，對表2計算結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析：

表2 雙因素影響下堆坡安全系數(shù)Table 2 Safety factors of landfill slopes influenced by two factors

非圓弧滑動下，回歸方程為：Fs=-0.033 9H-0.096 8h+1.602 7，判定系數(shù)R2=0.96。

圓弧滑動下，回歸方程為：Fs=-0.028 1H-0.099 7h+1.739 5，判定系數(shù)R2=0.98。

依據(jù)回歸方程，給出任意垃圾堆填高度和液面高程就可以得到相應(yīng)的安全系數(shù)，見圖9，以此評估施工的合理性。

2.5 新進(jìn)場垃圾的堆填位置對堆體穩(wěn)定性影響

新進(jìn)場垃圾堆填位置對堆體穩(wěn)定性亦有影響。通過將垃圾荷載向坡體后方移動以反映堆填位置改變，分別計算荷載向后移動-6，-4，-2，0，5，10，15，20，25 m情況下堆體的穩(wěn)定性，計算結(jié)果如圖10、11所示。

圖10反映了垃圾堆填高度為5，10，15 m時，不同滲瀝液液面高程下堆填位置后移對安全系數(shù)的影響。從中可看出：相同堆填高度位置下，安全系數(shù)隨滲瀝液液面高程的增大而減小。相同滲瀝液液面高程下，堆填位置后移10 m范圍內(nèi)安全系數(shù)略有下降，從后移10 m開始，隨著后移距離的增加，安全系數(shù)逐漸增大。

a—非圓弧滑動下；b—圓弧滑動下。圖9 典型堆坡雙因素回歸方程Fig.9 Two-factor regression equations of slopes

a—垃圾堆填高度5 m；b—垃圾堆填高度10 m；c—垃圾堆填高度15 m?！好娓叱虨?1 m；—液面高程為0 m；—液面高程為+1 m。圖10 滲瀝液液面高程對堆體安全系數(shù)影響Fig.10 Influence of leachate levels on safety factors

圖11分別對應(yīng)滲瀝液液面高程為-1，0，1 m時，不同垃圾堆填高度下堆填位置后移對安全系數(shù)的影響?？梢?，同一垃圾堆填高度下，在對應(yīng)的滲瀝液液面高程下，堆填位置向前移動4 m范圍內(nèi)安全系數(shù)有所降低，當(dāng)前移距離大于4 m時降低明顯，故堆填范圍最多前移4 m，且當(dāng)堆填高度過高或在對應(yīng)的滲瀝液液面高程上升明顯時嚴(yán)禁堆填位置前移，應(yīng)保持堆填位置不變或適當(dāng)后移。向后移10 m范圍內(nèi)安全系數(shù)略有下降，從后移10 m開始安全系數(shù)逐漸增大，不同堆填高度間安全系數(shù)差值減小，當(dāng)后移距離達(dá)到25 m時，不同垃圾堆填高度下堆體安全系數(shù)相同，說明此時上部荷載對坡體最小安全系數(shù)無影響，可不考慮上部堆載對坡體穩(wěn)定性的影響。

a—滲瀝液水位高程為-1 m;b—滲瀝液水位高程為0 m;c—滲瀝液水位高程為+1 m。—垃圾堆填高度5 m；—垃圾堆填高度10 m；—垃圾堆填高度15 m。圖11 垃圾堆高位置對堆體安全系數(shù)影響Fig.11 Influence of position of landfill heights on safety factors

3 處置措施建議

根據(jù)以上計算分析，可能造成該填埋場安全問題主要原因?yàn)椋?)垃圾堆填速度快，填埋作業(yè)面有限，對下部垃圾堆體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；2)新填埋區(qū)滲瀝液液面較高，由于垃圾本身密度小，滲瀝液的浮力及滲透力對垃圾堆體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；3)新填埋區(qū)垃圾堆填方式與老垃圾堆填方式不同，原來垃圾堆填過程中，每堆填8～10 m高就會設(shè)置一中間覆蓋黏土層，可以隔開上、下兩層垃圾中的滲瀝液；而現(xiàn)在采用行車道板填埋垃圾，利用防滲膜作為中間覆蓋，致使上、下層垃圾中的滲瀝液容易聯(lián)通，形成連續(xù)滲流，對垃圾堆體穩(wěn)定性不利。

根據(jù)對不同因素影響下堆體穩(wěn)定性分析結(jié)果，針對堆填現(xiàn)場可能出現(xiàn)的安全隱患，提出以下處置措施建議：

1)通過現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析，抽排豎井迫降水位是最直接、有效的應(yīng)急搶險措施。填埋過程中應(yīng)定期對堆體內(nèi)滲瀝液液面高程變化情況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)液面接近警戒位時，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急搶險：a.及時采取應(yīng)急措施降低液面高程，如采用小口徑抽排豎井快速迫降滲瀝液液面高程。b.停止垃圾進(jìn)場，將坡頂堆填垃圾適當(dāng)清除。

2)堆填過程中，新進(jìn)場垃圾應(yīng)及時推平，堆填高度不宜過高，最大填高控制在6 m以下，日均垃圾進(jìn)場量控制在1 900 t。雨季垃圾堆填過程中，進(jìn)場垃圾含水率很高，抗剪強(qiáng)度比老垃圾低且新填垃圾無凝聚力，呈現(xiàn)散粒體材料特性，為防止降雨導(dǎo)致局部堆體滲瀝液液面升高，出現(xiàn)局部表層溜滑，應(yīng)密切監(jiān)測液面高程數(shù)據(jù)。當(dāng)液面比現(xiàn)狀液面高程高出1.0 m時，應(yīng)將堆填高度控制在4 m以下，對應(yīng)日均垃圾進(jìn)場量控制在1 300 t以下；當(dāng)液面比現(xiàn)狀液面高程高出1.8 m時，應(yīng)將堆填高度控制在2 m以下，對應(yīng)日均垃圾進(jìn)場量控制在700 t以下。

3)堆填過程中，垃圾堆放嚴(yán)格按照設(shè)計斷面施工，臨時堆放不能超過設(shè)計堆填界限4 m，且當(dāng)堆填高度過高或水位上升明顯時，需要嚴(yán)格控制垃圾堆填范圍嚴(yán)格按照設(shè)計堆填位置作業(yè)，確保堆填位置不變或適當(dāng)后移。

4 結(jié)束語

對某填埋場垃圾堆體穩(wěn)定性分別考慮滲瀝液賦存形式和高程、新進(jìn)場垃圾堆填高度及位置，開展了極限平衡穩(wěn)定分析，根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，給出以下結(jié)論和建議：

1)垃圾體內(nèi)的滲瀝液對填埋場安全性有較大影響。當(dāng)滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)有效工作時，垃圾體內(nèi)滲瀝液及時排除，垃圾體穩(wěn)定性能得到有效控制；坡體內(nèi)滲瀝液以分層滯液形式存在時的堆體穩(wěn)定性，高于滲瀝液在坡體內(nèi)貫通后形成整體滲流時的穩(wěn)定性；對于極端情況，原垃圾土層間黏性土及防滲膜的滯液作用受各種不利因素影響失效，垃圾土層內(nèi)滲瀝液貫通，原以滯液形式存在的滲瀝液在坡體內(nèi)形成整體滲流，垃圾體穩(wěn)定性顯著降低，可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

2)滲瀝液液面與坡體穩(wěn)定性之間存在明顯規(guī)律。在大量計算基礎(chǔ)上給出了不同斷面坡體安全系數(shù)與滲瀝液液面高程之間關(guān)系，確定了不同斷面對應(yīng)的警戒液面高程；根據(jù)最危險斷面計算結(jié)果，建議在運(yùn)營中控制滲瀝液液面高程不得比現(xiàn)有液面高程高2.4 m。

3)堆體安全系數(shù)與垃圾堆填高度間存在良好的線性關(guān)系。根據(jù)兩者間關(guān)系確定不同斷面對應(yīng)的警戒垃圾堆填高度，最終計算警戒值為8 m；建議堆高根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況宜控制在4 m，最高不超過6 m，每日進(jìn)場垃圾量應(yīng)控制在1 900 t以下。

4)考慮滲瀝液液面高程和垃圾堆填高度共同作用下堆體的安全穩(wěn)定性變化規(guī)律。對三者關(guān)系進(jìn)行回歸分析，根據(jù)回歸式和安全系數(shù)，可以確定某一堆填高度下允許滲瀝液液面高程或某一滲瀝液液面高程下允許垃圾堆填高度。

5)分析了堆填位置對堆體穩(wěn)定性的影響。堆填位置前移堆體穩(wěn)定性降低，堆填位置后移一定距離后，堆填垃圾對堆體穩(wěn)定性減小直到可忽略堆載對堆體穩(wěn)定性的影響；根據(jù)計算結(jié)果給出在現(xiàn)有滲瀝液液面高程條件下，堆填前移位置允許變化范圍不宜超過現(xiàn)有界限4 m。