垃圾填埋場(chǎng)封蓋土坡系統(tǒng)的地震穩(wěn)定性

程南軍,劉志明,陳學(xué)東

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;3.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司,江蘇南京 210029)

垃圾填埋場(chǎng)封蓋土坡系統(tǒng)的地震穩(wěn)定性

程南軍1,劉志明2,陳學(xué)東3

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;3.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司,江蘇南京 210029)

采用極限平衡法推導(dǎo)了垃圾填埋場(chǎng)封蓋土坡系統(tǒng)在滲流作用、地震作用下的安全系數(shù)計(jì)算公式,同時(shí)給出了屈服加速度的計(jì)算方法。不同參數(shù)下的封蓋土坡系統(tǒng)的地震穩(wěn)定性分析表明:浸潤(rùn)面高度顯著影響封蓋土坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和屈服加速度。認(rèn)為在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)中,必須高度重視滲流影響,以保證封蓋土坡系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的設(shè)計(jì)排水能力。

滲流;邊坡穩(wěn)定;垃圾填埋場(chǎng);封蓋土坡系統(tǒng)

土工合成材料襯墊廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng),也應(yīng)用于交通、水利、巖土等工程領(lǐng)域。土工合成材料系統(tǒng)一般由幾層不同的土工合成材料組成,并有封蓋土坡加以保護(hù)。但由于封蓋土坡系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成的滑動(dòng)破壞事故經(jīng)常發(fā)生,其穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)逐漸引起研究者關(guān)注[1-3]。在地震活動(dòng)區(qū)域,封蓋土坡系統(tǒng)面臨著新的動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題,在地震荷載作用下封蓋土坡系統(tǒng)可能會(huì)沿著襯墊系統(tǒng)移動(dòng)并失穩(wěn),在滲流作用下其穩(wěn)定性問(wèn)題更顯突出[4-5]。美國(guó)針對(duì)垃圾填埋場(chǎng)的聯(lián)邦規(guī)范規(guī)定:處在地震區(qū)的新建和擴(kuò)建垃圾填埋場(chǎng),設(shè)計(jì)中必須保證底部襯墊系統(tǒng)、滲濾液收集系統(tǒng)和封蓋土坡系統(tǒng)等能夠承受地震荷載引起的最大水平加速度。我國(guó)到目前為止還未出臺(tái)相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)際分析中常采用擬靜力方法,可以方便快捷地計(jì)算封蓋土坡的安全系數(shù)[6-7]。

筆者從擬靜力方法出發(fā),推導(dǎo)出考慮滲流作用的填埋體封蓋土坡系統(tǒng)在地震作用下的安全系數(shù)表達(dá)式,給出了屈服加速度的計(jì)算方法,并對(duì)安全系數(shù)和屈服加速度的計(jì)算做了一些分析,對(duì)我國(guó)垃圾填埋場(chǎng)封蓋土坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

1 分析模型

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,填埋體封蓋土坡系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化成如圖1所示的幾何形狀。對(duì)于不同的降雨和排水情況,假定2種不同的滲流形式:第1種滲流為水平方向,相應(yīng)的浸潤(rùn)高度為Hw;第2種滲流平行于坡面,相應(yīng)的浸潤(rùn)高度為hw。為了分析方便,定義hw和土層厚度h之比為浸沒(méi)比cx,定義Hw和填埋體垂直高度H之比為浸潤(rùn)比cs。若有淤堵,坡腳滲透性極低,一般封蓋土坡系統(tǒng)的滲流可視為水平方向;若坡腳滲透性中度降低,則滲流可視為平行于坡面方向;若地下水位在坡腳附近,且接近水平方向,則可能上述2種情況并存。

圖1 有滲流的封蓋土坡剖面

如圖1所示,分析中將封蓋土坡視為剛性體,根據(jù)滑動(dòng)破壞形式[1],把滑動(dòng)部分分為主動(dòng)楔和被動(dòng)楔2個(gè)楔體,在對(duì)各個(gè)楔體建立極限平衡方程時(shí),假定條件如下:①填埋體封蓋土坡系統(tǒng)的安全系數(shù)沿滑動(dòng)面處處相等;②主動(dòng)楔和被動(dòng)楔的合力方向平行于滑動(dòng)坡面;③由于豎向地震力對(duì)安全系數(shù)的影響很小[8],僅考慮水平地震力對(duì)邊坡的作用和影響。

對(duì)于滲流為水平方向的情況,其極限平衡分析如圖2所示。分析中將封蓋土坡分為主動(dòng)楔和被動(dòng)楔2部分。對(duì)于主動(dòng)楔,考慮垂直于土坡方向的靜力平衡,可得

考慮土坡方向的靜力平衡,可得

對(duì)于被動(dòng)楔

式中:UN為垂直于土坡方向的水壓力;NA為填埋體對(duì)覆蓋土層的作用力;hA為水平地震系數(shù);WA為主動(dòng)楔的自重;β為邊坡角;EA為被動(dòng)楔對(duì)主動(dòng)楔的作用力;δ為覆蓋土與土工合成材料之間的摩擦角;Fs為安全系數(shù);EP為主動(dòng)楔對(duì)被動(dòng)楔的作用力;WP為被動(dòng)楔的自重;UV為垂直面上的水壓力;φ為覆蓋土層的內(nèi)摩擦角;UH為水平面上的水壓力。

圖2 水平方向滲流的封蓋土坡極限平衡受力示意圖

由于EA=EP,將式(2)代入式(3)可得

將式(1)代入式(4)整理可得

式中:ρsat為飽和土體的密度;ρdry為封蓋土的干密度;ρw為水的密度;h為覆蓋層的厚度。

對(duì)于滲流平行坡面的情況,其極限平衡分析如圖3所示。同理可以通過(guò)靜力平衡方程求解,計(jì)算方法同上,計(jì)算方程式同式(5),其中參數(shù)WA,UN,UH,WP的表達(dá)式分別為

公式(5)即為滲流作用下封蓋土坡在地震作用下的安全系數(shù)表達(dá)式。在水平地震系數(shù)已知的情況下可以直接通過(guò)以上公式計(jì)算安全系數(shù)。根據(jù)屈服加速度的含義,若封蓋土坡的安全系數(shù)Fs=1,此時(shí)對(duì)應(yīng)的水平地震系數(shù)hA即為屈服加速度ky。

2 參數(shù)分析

2.1 滲流作用下的屈服加速度

圖3 平行于坡面的滲流作用下封蓋土坡極限平衡受力示意圖

根據(jù)以上計(jì)算方法,取填埋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,算例中的滲流為水平方向,滑動(dòng)面如圖2所示,取封蓋土坡厚度為0.90m,沿坡度方向的垂直高度為10m,封蓋土坡的飽和密度為2 100 kg/m3,干密度為1800kg/m3,水的密度為1000kg/m3,土體內(nèi)摩擦角為40°。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示,隨著土-土工膜界面摩擦角的增加,封蓋土坡的屈服加速度線性上升,對(duì)于某一特定的摩擦角,浸潤(rùn)水面越高,屈服加速度越小(此時(shí)邊坡角為18.4°)。邊坡角度對(duì)屈服加速度的影響見(jiàn)圖5,此時(shí)土-土工膜界面摩擦角設(shè)為18.4°。由于邊坡角度越小,填埋體的邊坡越平緩,穩(wěn)定性越好,這樣計(jì)算得到的屈服加速度就會(huì)越大;坡腳越大,填埋體越陡峭,穩(wěn)定性越差,安全系數(shù)下降,算出的屈服加速度也就越小;水位越高,其穩(wěn)定性差,算出的屈服加速度也就越小。所以在實(shí)際工程中,對(duì)于不滿足地震穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求的填埋體封蓋土坡,要求在土工織物中加筋,以保持穩(wěn)定的拉力。

圖4 襯墊界面摩擦角和屈服加速度系數(shù)的關(guān)系

2.2 封蓋土坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性

滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖6所示(此時(shí)填埋體邊坡角為18.4°)。由圖6可知,安全系數(shù)隨著浸潤(rùn)線的提高急劇下降。所以,在實(shí)際填埋邊坡設(shè)計(jì)中要考慮到滲流對(duì)封蓋土坡穩(wěn)定性的影響,應(yīng)適當(dāng)減緩邊坡坡度或者提供土工織物加筋力,以保證封蓋土坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 邊坡角度和屈服加速度的關(guān)系

圖6 水平地震系數(shù)和安全系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 論

提出了滲流作用下填埋場(chǎng)封蓋土坡的極限平衡分析法,考慮了水平地震力的影響,給出了封蓋土坡安全系數(shù)的計(jì)算方法和計(jì)算公式。參數(shù)分析表明滲流對(duì)于封蓋土坡的穩(wěn)定具有不利影響,在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算中必須考慮滲流因素的影響。在設(shè)計(jì)與施工中可以采用適當(dāng)減緩填埋體坡度或者提供一定的土工織物加筋力以保證填埋體封蓋土坡的穩(wěn)定性。

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Seismic stability analysis of landfill cover soil slopes

CHENG Nan-jun1,LIU Zhi-ming2,CHEN Xue-dong3(1.Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Jiangsu Province Hydraulic Engineering Consultant Co.,Ltd.,Nanjing210029,China)

The instability of soil slopesunder earthquake loadis often related to seepage and the seismic stability analysis of cover soil slopes subjected to seepage has attracted increasing attention in recent years.The procedure for calculating safety factor of cover soil slope with seepage under earthquake loadwas established in this paper by using the Limit EquilibriumMethod(LEM),and the method to calculate yield acceleration was induced.The seismic stability analysis of cover soil slope with different parameters shows that the height of the soakage plane has obvious affect the stability of the cover soil slope and the yield acceleration.The analysis result keeps good agreement to practical case,and it is proposed to design an adequate drainage system to decrease the water pressure at the geosynthetic interface.

seepage;slope stability;landfill;cover systems

TV312

B

1006-7647(2010)03-0062-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.016

程南軍(1977—),男,安徽舒城人,博士研究生,從事垃圾填埋場(chǎng)滲流穩(wěn)定研究。E-mail:ytchengnj@163.com

2009-09-27 編輯:駱超)