楊 逾，何胤實(shí),，陳 鋒，惠心敏喃，萬 勇,3，劉 磊,3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所-香港理工大學(xué)固體廢棄物科學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，污染泥土科學(xué)與工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071）

0 引言

垃圾土石壩穩(wěn)定性取決于垃圾填埋高度和垃圾填埋壓實(shí)度，垃圾土石壩的邊坡出現(xiàn)滑移、失穩(wěn)、坍塌將會(huì)給工程帶來巨大的損失.為保證垃圾填埋場(chǎng)安全，研究滲瀝液作用下垃圾填埋場(chǎng)壩體巖土工程演化規(guī)律與穩(wěn)定性有一定實(shí)用意義.

失穩(wěn)主要存在以下方式：滑坡與崩塌.滑坡本質(zhì)是剪切破壞，崩塌本質(zhì)是拉斷破壞，而山谷型填埋場(chǎng)主要填埋場(chǎng)以滑坡為主[1-2].一般引起滑坡的原因是滲瀝液上升與空隙壓增大[3-4].錢學(xué)德[5]等針對(duì)近幾年世界上較大的填埋場(chǎng)滑坡案例進(jìn)行分析，其中大部分均為滑坡破壞，且均與滲瀝液和垃圾土參數(shù)有關(guān).影響垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的因素有很多，例如填埋場(chǎng)幾何特征、填土與垃圾土自身的物理性質(zhì)、滲瀝液高度、襯里的性質(zhì)等.陳云敏[6]等、張振營(yíng)[7]等對(duì)杭州天子嶺垃圾填埋場(chǎng)多次進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，探究其穩(wěn)定性規(guī)律.劉榮[8]等對(duì)垃圾土中有機(jī)質(zhì)對(duì)土物理性質(zhì)的影響進(jìn)行研究.高峻峰[9]等采用4種滲瀝液處理工藝對(duì)武漢陳家沖填埋場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，研究表明有機(jī)質(zhì)低的滲瀝液可以讓壩體更穩(wěn)定.袁深根[10]等運(yùn)用極限平衡方程對(duì)垃圾壩內(nèi)襯里進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明垃圾土的黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)穩(wěn)定性有線性影響，隨垃圾場(chǎng)底部襯里界面黏聚力和內(nèi)摩擦角增加，安全系數(shù)Fs增加，并與黏聚力近似成線性關(guān)系.席永慧[11]等采用FLAC3D軟件對(duì)老港填埋場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出垃圾壩和地基的接觸面是導(dǎo)致壩體唯一不正常不穩(wěn)定的重要因素.

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與實(shí)際邊坡穩(wěn)定也存在必然聯(lián)系，可靠度和敏感性是其中關(guān)鍵.LUMB P[12]進(jìn)行了土的強(qiáng)度指標(biāo)概率分布研究，指出幾乎大多數(shù)土體參數(shù)都可以用正態(tài)分布擬合.CHOWDHURY R N[13]等采用一次二階矩法結(jié)合極限平衡法的Morgenstern-Price法和Sarma法對(duì)邊坡進(jìn)行可靠度分析，通過算例進(jìn)行簡(jiǎn)單敏感性分析.MALKAWI A[14]等采用一次二階矩法和蒙特卡洛法結(jié)合極限平衡法Bishop法、Janbu法和Spencer法對(duì)簡(jiǎn)單邊坡模型進(jìn)行敏感性分析，并對(duì)3種方法精度進(jìn)行對(duì)比和討論.

針對(duì)某陳舊型垃圾填埋場(chǎng)安全評(píng)估問題，對(duì)該垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用Geostudio軟件中Morgenstern-Price法對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)水位線、各土層力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，探討各個(gè)參數(shù)對(duì)邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)的影響.

1 材料與方法

1.1 填埋場(chǎng)工程概況

某垃圾填埋場(chǎng)位于廣東省，主要用于處理當(dāng)?shù)貐^(qū)的生活垃圾，占地面積約1.3×105m2，屬山谷型簡(jiǎn)易生活垃圾填埋場(chǎng)，至今填埋場(chǎng)內(nèi)已消納生活垃圾總量約2.1×105m3.2019年雨季后，該垃圾填埋場(chǎng)壩頂出現(xiàn)裂隙，壩底有滲瀝液溢出，存在安全風(fēng)險(xiǎn).依照參考規(guī)范《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ 176-2012），需要對(duì)壩體進(jìn)行安全評(píng)估.填埋場(chǎng)鳥瞰圖見圖1.

圖1 填埋場(chǎng)鳥瞰圖 Fig.1 aerial view of landfill

1.2 巖土工程參數(shù)獲取方法

嚴(yán)格依照參考規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50021-2001）進(jìn)行對(duì)垃圾壩體的勘察.此次勘察選用鉆探、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等方法，鉆探用于直觀揭露地層分布和釆取巖、土、水和垃圾試樣；原位測(cè)試采用標(biāo)貫試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)方法，通過原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，客觀真實(shí)地提供各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù).鉆孔布點(diǎn)見圖2.

圖2 垃圾填埋場(chǎng)安全勘察布點(diǎn) Fig.2 site layout for landfill safety survey

根據(jù)鉆孔結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出壩體各土層的力學(xué)參數(shù).庫區(qū)壩體地層在鉆探深度內(nèi)自上而下可分為5層結(jié)構(gòu)：素土層（覆蓋層）約0.8～6.5 m、垃圾土層約0.5～15 m、污染土層（含細(xì)粒土砂層）約1.1～4.7 m、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層及花崗巖基巖地層約3～14.1 m.地層信息見圖3.

圖3 巖土層分布 Fig.3 distribution of rock and soil layers

垃圾壩體建設(shè)不規(guī)范，因此研究過程中視壩體和堆體為邊坡，取最大高度的典型危險(xiǎn)剖面進(jìn)行研究.邊坡相對(duì)底部最高處約41 m，分3個(gè)平臺(tái)，第一平臺(tái)在高6.8 m處，第二平臺(tái)在14 m處，第三平臺(tái)在26 m處.坡度分別為1∶1.7、1∶1.4、1∶1.5.垃圾壩與垃圾堆體滲瀝液水位雍高，一級(jí)臺(tái)階水位6.0～6.5 m（到基巖），二級(jí)臺(tái)階水位4.0～4.5 m（到基巖），三級(jí)臺(tái)階水位5.0～5.5 m（到基巖）.

1.3 垃圾壩穩(wěn)定性分析方法

垃圾填場(chǎng)邊坡研究采用Geostudio軟件中SLOPE模塊、SEEP模塊和SIGMA模塊進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力場(chǎng)耦合的建模和分析.運(yùn)用SLOPE模塊對(duì)陳舊垃圾填埋場(chǎng)黏土土石壩進(jìn)行穩(wěn)定性分析，考慮水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定影響并作分析.目前常用的邊坡分析方法基本有：極限分析法、數(shù)值分析法、全局分析法，以及極限平衡法.文獻(xiàn)[15]～文獻(xiàn)[21]，分別用4種方式對(duì)壩體邊坡進(jìn)行了典型的穩(wěn)定性安全分析.本文運(yùn)用Geostudio軟件SLOPE/W模塊中Morgenstern-Price極限分析法進(jìn)行相關(guān)分析.其中Spencer和Morgenstern-Price法對(duì)比于普通條分法和Fellenius發(fā)、Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu法的優(yōu)點(diǎn)在于能滿足力平衡安全系數(shù)和力矩平衡安全系數(shù)達(dá)到一致的條件，更能準(zhǔn)確分析壩體及其堆體滑坡的可能性.雖然不能真實(shí)描述條塊間的法向量力與剪切力，但最后得出的安全系數(shù)較適合現(xiàn)實(shí)工程.

由力的平衡方程求安全系數(shù)為

由力矩的平衡方程求安全系數(shù)為

式（1）~式（2）中，c'為有效黏聚力，kPa；φ′為有效摩擦角，°；μ為空隙水壓力，kN；N為條間土條底部的法向力，kN；W為土條自重，kN；D為集中點(diǎn)載荷，kN；β，x，f，R，d，ω為幾何參數(shù)，m；α為土條底部?jī)A角，°.

2 土壩穩(wěn)定性

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得垃圾壩碾壓后的容重、含水體積分?jǐn)?shù)、滲透系數(shù)、壓縮模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)，取標(biāo)準(zhǔn)值并與相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)值結(jié)合，獲得各層土質(zhì)的力學(xué)參數(shù)，見表1.

表1 土層力學(xué)參數(shù) Tab.1 mechanical parameters of soil

2.2 計(jì)算工況

工況1當(dāng)前狀態(tài)下，不考慮地震載荷影響.采用當(dāng)前的水位、土層條件，忽略水動(dòng)力對(duì)邊坡影響.不考慮地震載荷作用下的潛在滑移面.

工況2飽和狀態(tài)下，考慮靜水壓力，不考慮地震載荷影響；降雨?duì)顟B(tài)下，土層飽和導(dǎo)致土層力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變；忽略水動(dòng)力對(duì)邊坡影響，不考慮地震載荷作用下的潛在滑移面.

工況3當(dāng)前狀態(tài)下，考慮動(dòng)水壓力，不考慮地震載荷影響.采用當(dāng)前的水位、土層條件，考慮水動(dòng)力對(duì)邊坡作用而得到的潛在滑移面且不考慮地震作用.

工況4飽和狀態(tài)下，考慮動(dòng)水壓力不考慮地震載荷影響；降雨?duì)顟B(tài)下，土層飽和導(dǎo)致土層參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，考慮水動(dòng)力對(duì)邊坡作用而得到的潛在滑移面且不考慮地震作用.

工況5在地震載荷作用下，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，2016年版）及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5073-2000），確定場(chǎng)地位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組為1組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.98 m/s2，地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)取0.25，集中在質(zhì)點(diǎn)的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值取1.0，質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)取1.0，水平地震系數(shù)取0.35，豎向地震系數(shù)取0.08.

各工況安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 填埋場(chǎng)壩體工況安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn) Tab.2 safety factor standard for landfill dam

靜水壓力運(yùn)用Geostudio軟件的SLOPE模塊進(jìn)行壩體穩(wěn)定性分析.動(dòng)水壓力運(yùn)用Geostudio軟件的SEEP模塊、SIGMA模塊和SLOPE模塊進(jìn)行滲流與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析.SEEP模塊中垃圾層環(huán)境參數(shù)參照文獻(xiàn)[22]～文獻(xiàn)[26].

2.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過Geostudio軟件模擬得出結(jié)果，當(dāng)前狀態(tài)下，考慮靜水壓力后邊坡最小安全系數(shù)為1.04，考慮動(dòng)水壓力后邊坡最小安全系數(shù)為0.89；飽和狀態(tài)下，邊坡最小安全系數(shù)為0.93，考慮動(dòng)水壓力后邊坡最小安全系數(shù)為0.79；地震時(shí)，壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)為0.57，安全系數(shù)見表3，這5種工況皆小于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn).安全系數(shù)大于1.00時(shí)為穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)為1.00～1.25時(shí)為欠穩(wěn)定狀態(tài)，破壞概率約為4%（通過蒙特卡洛模擬計(jì)算得出），安全系數(shù)小于1.00時(shí)，屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，破壞概率增加.模擬結(jié)果見圖4. 圖4中邊坡高約68 m，長(zhǎng)約160 m（后文模擬模型中邊坡高度、長(zhǎng)度均為此）.

圖4 不同工況下壩體潛在滑移面 Fig.4 potential sliding surface of dam under different conditions

表3 壩體穩(wěn)定性結(jié)論 Tab.3 conclusion of dam stability

圖4中，顏色深淺表示安全系數(shù)的大小，顏色越呈現(xiàn)暖色數(shù)值越小，顏色越呈現(xiàn)冷色數(shù)值越大.由模擬結(jié)果可以看出此項(xiàng)工程垃圾填埋場(chǎng)壩體安全系數(shù)小于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，故此圾填埋場(chǎng)壩體存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)，屬于不穩(wěn)定壩體.

3 敏感性分析

為了探究垃圾填埋場(chǎng)壩體的安全系數(shù)對(duì)水位與壩體土質(zhì)的敏感程度，分別對(duì)水位、土的摩擦角、土的黏聚力進(jìn)行敏感性分析.

3.1 水位敏感性分析

僅考慮靜水壓力條件，運(yùn)用Geostudio軟件中SLOPE/W模塊，對(duì)壩體中水位的升高與下降工況進(jìn)行了安全系數(shù)的敏感性分析，計(jì)算結(jié)果見表4.模擬結(jié)果見圖5.

圖5 靜水壓力下不同水位潛在滑移面 Fig.5 potential slip surface at different water levels under hydrostatic pressure

表4 靜水壓力的作用下水位參數(shù)敏感度安全系數(shù) Tab.4 safety coefficient for sensitivity of water level parameters under hydrostatic pressure

考慮滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合條件，運(yùn)用Geostudio軟件中SLOPE/W模塊、SIGMA/W模塊、SEEP/W模塊模擬在滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合條件下水位對(duì)安全系數(shù)的敏感程度.得出安全系數(shù)見表5，模擬結(jié)果見圖6.

圖6 動(dòng)水壓力作用下不同水位潛在滑移面 Fig.6 potential slip surface of different water levels under hydrodynamic pressure

表5 耦合作用下水位參數(shù)敏感度安全系數(shù) Tab.5 safety factor table of water level parameter sensitivity for coupling cooperation

靜水壓力與動(dòng)水壓力對(duì)安全系數(shù)的影響，見圖7.由圖7可見，靜水壓力條件下水位對(duì)于壩體安全系數(shù)的敏感程度低于考慮動(dòng)水壓力條件下水位對(duì)于壩體安全系數(shù)的敏感程度.水位升高導(dǎo)致壩體下游危險(xiǎn)滑移面安全系數(shù)顯著降低.水位下降后，最危險(xiǎn)的滑移面向上偏移，但整體滑移面（從第1臺(tái)階到第4臺(tái)階）依然存在風(fēng)險(xiǎn)；水位上升0.5 m后，安全系數(shù)降至0.61，屬于危險(xiǎn)狀態(tài).

圖7 靜水壓力與動(dòng)水壓力對(duì)安全系數(shù)影響 Fig.7 effect of hydrostatic pressure and hydrodynamic pressure on safety factor

3.2 摩擦角與黏聚力敏感性分析

由于垃圾填埋場(chǎng)的滲瀝液具有流動(dòng)性，可能導(dǎo)致土壤被污染，被污染后的土體可導(dǎo)致摩擦角下降，黏聚力增加.為此，本節(jié)在實(shí)際工況的基礎(chǔ)上，主要對(duì)覆蓋層和垃圾土進(jìn)行了內(nèi)摩擦角和黏聚力變化的分析.具體參數(shù)見表6、表7.

表6 當(dāng)前狀態(tài)下垃圾土參數(shù)敏感度安全系數(shù) Tab.6 safety factor of litter parameter sensitivity in current state

表7 當(dāng)前狀態(tài)下覆蓋層參數(shù)敏感度安全系數(shù) Tab.7 security factor for overburden parameter sensitivity in current state

垃圾土參數(shù)對(duì)安全系數(shù)影響見圖8.由圖8可見，垃圾土隨著內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大，安全系數(shù)增加.當(dāng)垃圾土的黏聚力大于11 kPa后或者內(nèi)摩擦角大于26°后，安全系數(shù)不再變化，保持為1.11.潛在滑移面模擬結(jié)果見圖9、圖10.

圖8 垃圾土參數(shù)對(duì)安全系數(shù)影響 Fig.8 effect of MSW parameters on safety factor

圖9 垃圾土黏聚力為13 kPa的潛在滑移面 Fig.9 potential slip surface of waste soil with cohesion of 13 kPa

圖10 垃圾土內(nèi)摩擦角為30°的潛在滑移面 Fig.10 potential slip surface with internal friction angle of 30°

覆蓋層參數(shù)對(duì)安全系數(shù)影響見圖11.由圖11可見，在當(dāng)前狀態(tài)下，各個(gè)土體材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化對(duì)安全系數(shù)影響顯著，最保守條件下的安全系數(shù)分別為1.14和1.13，均低于國(guó)標(biāo)要求，壩體仍處于危險(xiǎn)狀態(tài). 潛在滑移面模擬結(jié)果見圖12、圖13.

圖11 覆蓋層參數(shù)對(duì)安全系數(shù)影響 Fig.11 impact of overlay parameters on safety factor

圖12 覆蓋層黏聚力為7 kPa的潛在滑移面 Fig.12 potential slip surface with cohesive force of 7 kPa

圖13 覆蓋層內(nèi)摩擦角為24°的潛在滑移面 Fig.13 potential slip surface with internal friction angle of 24°

4 結(jié)論

（1）采集某陳舊垃圾填埋場(chǎng)巖土工程參數(shù)，針對(duì)5種工況，利用Geostudio軟件分析垃圾壩穩(wěn)定性.結(jié)果表明壩體均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在嚴(yán)重安全隱患.

（2）分析了水位、土的摩擦角、土的黏聚力等參數(shù)對(duì)壩體穩(wěn)定性的敏感度，結(jié)果表明滲瀝液水位對(duì)于邊坡穩(wěn)定影響程度最大，其次是土的摩擦角與黏聚力.因此，在治理垃圾填埋場(chǎng)邊坡時(shí)可以優(yōu)先考慮治理滲瀝液水位.