某垃圾場開挖實(shí)例模擬分析

潘磊 徐飛

(1.寶鋼股份梅山公司礦業(yè)分公司，江蘇南京 210041;2.南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇南京 210036)

0 引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到了大力發(fā)展，而隨之產(chǎn)生的各類垃圾也越來越多，大約以每年9%的速度遞增［1］。就現(xiàn)有條件來說，修建大型的垃圾填埋場仍然是最經(jīng)濟(jì)有效的處理方法。但垃圾填埋場的修建過程當(dāng)中會遇到各種各樣的巖土問題，如垃圾場滲濾液的處理以及開挖穩(wěn)定性評價［2-4］。

其中垃圾場的變形問題貫穿整個垃圾場的建設(shè)和運(yùn)營過程，如果垃圾場變形過大且不均勻，容易引起邊坡滑動并使得防滲層材料受到過大的拉應(yīng)力而破壞，造成工程事故，對周邊環(huán)境產(chǎn)生巨大污染。

本文首先模擬了某垃圾場開挖的實(shí)際過程，將模擬與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，證明了數(shù)值分析的可靠性之后又進(jìn)行了三種開挖狀況的模擬，對比分析了各開挖工況下的安全系數(shù)，為垃圾場開挖的施工設(shè)計提供了一定依據(jù)。

1 分析模型

1.1 幾何模型

對于某垃圾填埋場，鑒于開挖幾何模型的對稱性，采用軸對稱方法進(jìn)行分析，建模時只考慮取其一半(右側(cè))。如圖1所示，需要開挖的部分位于模型的左側(cè)，共有7 m厚，其中頂層3 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，中間2 m為粉土夾粉砂層，下層2 m為粉砂層。右側(cè)上部為開挖后對土進(jìn)行壓實(shí)并填筑到庫區(qū)周圍的堤壩，高5 m。

1.2 參數(shù)選取

根據(jù)巖土工程勘察報告，選取庫區(qū)變形模擬所需要的計算參數(shù)列于表1中。

表1 巖土參數(shù)表

圖1 開挖模型

1.3 開挖工況

開挖模擬分為三種工況:工況1，分層開挖;工況2，從庫區(qū)邊緣開挖;工況3，從庫區(qū)中心開挖，如圖2a)～圖2c)所示。其中工況1為實(shí)際開挖的工況。

圖2 開挖工況示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 與實(shí)測結(jié)果對比

為進(jìn)行變形監(jiān)測，在垃圾場施工前位于填筑部分坡腳處預(yù)埋了深為10 m的測斜管，在施工過程中進(jìn)行了深層水平位移監(jiān)測，將開挖完成后的實(shí)測最終水平位移與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好，說明該數(shù)值模擬方法是切實(shí)可靠的。

2.2 三種開挖工況比較

利用強(qiáng)度折減有限元法對此邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行評估。強(qiáng)度系數(shù)折減法的基本原理是利用一個安全系數(shù)Fs對所選取的土的參數(shù)粘聚力c以及摩擦角φ進(jìn)行不斷的折減，反復(fù)分析土坡，直到土坡破壞。得出的折減系數(shù)Ft即為土坡的安全系數(shù)。

對邊坡進(jìn)行安全性分析計算，可能的滑動區(qū)域如圖4所示。

通過對分層開挖，邊緣開挖，中心開挖這三種工況的比較可以看出，三種工況坡面位移的分布發(fā)展規(guī)律基本相同，只是坡面位移的大小，安全系數(shù)和滑動面有所不同。現(xiàn)將這三種工況的最大位移以及安全系數(shù)列于表2中。

圖3 實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比圖

圖4 最易滑動區(qū)域

表2 三種工況坡面最大位移及安全系數(shù)

通過比較可以看出，分層開挖安全系數(shù)最大，位移比邊緣開挖大，但比中心開挖小。邊緣開挖位移最小，安全系數(shù)比分層開挖小，但比中心開挖大。中心開挖位移最大并且安全系數(shù)最小。施工時應(yīng)盡量使得位移小以及安全系數(shù)大，所以推薦進(jìn)行分層開挖或者邊緣開挖，不推薦中心開挖。

3 結(jié)語

對某垃圾場的實(shí)際開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)對比證明數(shù)值分析的可靠性。在此基礎(chǔ)上分析了三種不同的開挖工況，結(jié)果表明分層開挖安全系數(shù)最大，位移比邊緣開挖大，但比中心開挖小。邊緣開挖位移最小，安全系數(shù)比分層開挖小，但比中心開挖大。中心開挖位移最大并且安全系數(shù)最小。推薦進(jìn)行分層開挖或者邊緣開挖，不推薦中心開挖。

［1］陳海濱.垃圾處理技術(shù)發(fā)展預(yù)測時兩個不可忽略的因素——城市地域和類別問題的差異［J］.環(huán)境與開發(fā)，1996(2)：20-23.

［2］吳世明.國外環(huán)境土工發(fā)展現(xiàn)狀［A］.環(huán)境土工及填埋技術(shù)交流會論文集［C］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［3］沈 磊.城市固體廢棄物填埋場滲濾液水位及邊坡穩(wěn)定分析［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

［4］肖 峰.淺談垃圾填埋場滲濾液處理工藝和方式［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33(8)：187-191.