填埋場(chǎng)壩體應(yīng)力變形與穩(wěn)定性分析

鄺溯琳，梁麗華，刁智俊

(1.北京海淀區(qū)六里屯垃圾填埋場(chǎng)，北京100094;2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

目前中國(guó)有超過(guò)80%的城市垃圾采用厭氧填埋處置［1］。填埋場(chǎng)的環(huán)庫(kù)圍堤和垃圾堆積體進(jìn)行堆積作業(yè)時(shí)，每填筑一層，壩體都會(huì)受力而產(chǎn)生變形及沉降，發(fā)生位移變化。1988年高達(dá)27 m的Kettleman Hills垃圾填埋場(chǎng)出現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)，側(cè)向位移達(dá)10.6 m，垂直位移達(dá)4.2 m［2］。美國(guó)的 Cincinnati填垃圾填埋場(chǎng)、巴西的 Dona Juana垃圾填埋場(chǎng)［3］、重慶涼楓婭垃圾場(chǎng)都發(fā)生過(guò)滑坡。填埋場(chǎng)失穩(wěn)破壞，除可能埋沒(méi)村莊造成人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失，污染物泄漏的后果更加嚴(yán)重。通過(guò)應(yīng)力變形分析，可以分析判斷壩體受力產(chǎn)生的變形情況，以進(jìn)一步判斷壩體的穩(wěn)定性。Jones等人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的極限平衡分析不能被用來(lái)評(píng)估垃圾填埋場(chǎng)的局部失穩(wěn)，而數(shù)值模擬技術(shù)(FLAC有限差分程序)可以被用來(lái)評(píng)價(jià)局部失穩(wěn)［4］。本文基于施工圖設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)北京某填埋場(chǎng)壩體進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)原位分析和變性分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)其發(fā)生的為變化量對(duì)壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 填埋場(chǎng)環(huán)庫(kù)圍堤與分區(qū)堤壩

根據(jù)垃圾填埋場(chǎng)初步設(shè)計(jì)方案和施工圖，堆體每10 m標(biāo)高分為兩個(gè)填埋作業(yè)階段，每層填埋作業(yè)高度為6 m，理論填埋作業(yè)高度為12 m。每到6 m為一階段。目前，環(huán)庫(kù)圍堤高度為3 m，垃圾堆體已經(jīng)填埋至6 m左右，下一階段準(zhǔn)備在環(huán)庫(kù)圍堤上加高3 m，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的6 m。圍堤頂寬3 m，環(huán)庫(kù)圍堤外邊坡為1:2.5，內(nèi)坡為1:1，使用黃土堆筑，分層碾壓，壓實(shí)系數(shù)不低于0.95。環(huán)庫(kù)圍堤與垃圾接觸面及外側(cè)鋪設(shè)HDPE防滲膜(2 mm厚，雙糙面)。

6～12 m層分區(qū)堤壩分段完成，做法同環(huán)庫(kù)圍堤，分區(qū)堤壩和環(huán)庫(kù)圍堤共同形成填埋分區(qū)。分區(qū)堤壩6 m一層，頂寬25、30 m(見(jiàn)圖1～圖3)。

圖1 環(huán)庫(kù)圍堤

2 填埋場(chǎng)壩體應(yīng)力變形分析

基于施工圖設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)壩體進(jìn)行應(yīng)力變形分析，分析軟件采用加拿大開(kāi)發(fā)的geostudio 2007程序。進(jìn)行分析采用的計(jì)算模型依據(jù)初步設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)情況建立，共分為4層填筑，每層填筑高度為3 m。由于該垃圾填埋區(qū)為平地形，四周環(huán)庫(kù)筑壩填埋，因此為了便于計(jì)算分析，計(jì)算模型取整個(gè)計(jì)算區(qū)域的一半，并且每層填筑的環(huán)庫(kù)圍堤和垃圾產(chǎn)生的荷載同時(shí)加載到下一層上，以此來(lái)分析每層填筑后產(chǎn)生的變形。分析模型按照初步設(shè)計(jì)施工圖要求的0～12 m層高設(shè)置，每層3 m，共設(shè)置4層(模型見(jiàn)圖4)。由于環(huán)庫(kù)圍堤從地面以上堆筑，地下下挖26 m填埋垃圾，根據(jù)工勘報(bào)告，垃圾所產(chǎn)生滲濾液埋深較深，因此在對(duì)環(huán)庫(kù)圍堤和垃圾土進(jìn)行分析時(shí)，不考慮濾液對(duì)地表以上壩體和垃圾堆積體的影響。

圖2 垃圾填埋區(qū)

圖3 垃圾土填埋

圖4 分析計(jì)算模型

2.1 計(jì)算選用參數(shù)

對(duì)分析模型進(jìn)行應(yīng)力變形分析所選用的參數(shù)來(lái)源于類(lèi)似工程和其他參考文獻(xiàn)提供數(shù)據(jù)，各土層力學(xué)性質(zhì)表見(jiàn)表1。

表1 力學(xué)參數(shù)表

2.2 計(jì)算方法及材料類(lèi)型

本次應(yīng)力變形分析采用的計(jì)算方法是總應(yīng)力法，在計(jì)算應(yīng)力變形之前，首先要進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)原位分析，原位分析采用線(xiàn)彈性材料類(lèi)型。原位分析完成后，進(jìn)行變性分析采用雙曲線(xiàn)非線(xiàn)性塑性類(lèi)型。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算方法和材料參數(shù)選擇，原位計(jì)算結(jié)果如圖5、圖 6。

圖5 原位分析計(jì)算結(jié)果

圖6 Y方向應(yīng)力與位移變化曲線(xiàn)

根據(jù)基礎(chǔ)層重度和泊松比與K0之間的關(guān)系可知，原位分析基礎(chǔ)層低端所產(chǎn)生的應(yīng)力為485 KP，從圖6可知，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際要求。

依據(jù)原位分析的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，分析結(jié)果如圖7～圖16。

圖7 填筑第一層后變形圖

圖8 填筑第二層后變形圖

圖9 填筑第三層后變形圖

圖10 填筑第四層后變形圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，隨著堆填體的加高，在Y方向產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸增大，填筑第一層所產(chǎn)生的最大位移為0.08 m，填筑第二層所產(chǎn)生的最大位移為0.1715 m，填筑第三層所產(chǎn)生的最大位移為0.266 m，填筑第四層所產(chǎn)生的最大位移為0.362 m，隨著堆填體的增高，最大位移將不斷增大。從X和Y方向發(fā)生的位移變化看，對(duì)邊坡變形影響貢獻(xiàn)較大的為垂直位移。

在應(yīng)力變形分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其發(fā)生的為變化量對(duì)壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析過(guò)程采用總應(yīng)力法，依據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，不考慮滲濾液對(duì)其影響。

圖11 填筑第一層應(yīng)力分布圖

圖12 填筑第二層應(yīng)力分布圖

圖13 填筑第三層應(yīng)力分布圖

圖14 填筑第四層應(yīng)力分布圖

圖15 分層填筑后Y方向位移變化量

圖16 分層填筑后X方向位移變化量

圖17 第四層填筑完成后穩(wěn)定性分析圖(瑞典法)

圖18 第四層填筑完成后穩(wěn)定性分析圖(畢肖普)

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，采用瑞典圓弧法計(jì)算，安全系數(shù)Fs=2.939;采用畢肖普法，安全系數(shù) Fs=3.000，壩體的安全系數(shù)較大，能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求，壩體穩(wěn)定。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

通過(guò)垃圾填埋場(chǎng)環(huán)庫(kù)圍堤和垃圾填埋土應(yīng)力應(yīng)變分析和壩體穩(wěn)定性分析的結(jié)果可知，按照初步設(shè)計(jì)方案堆筑的0～12 m壩體在發(fā)生應(yīng)力變形后壩體的穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求，能夠正常運(yùn)行。

3.2 建議

(1)由于本次數(shù)值模擬所選用參數(shù)來(lái)源于類(lèi)似工程以及相關(guān)文獻(xiàn)，建議企業(yè)在壩體堆高到1/2～2/3處時(shí)，進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，獲取相關(guān)資料和參數(shù)，再次進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析和穩(wěn)定性分析，以確保壩;

(2)環(huán)庫(kù)圍堤的堆筑應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不得小于95%。

(3)垃圾填埋區(qū)進(jìn)行12～24 m填埋時(shí)，建議企業(yè)聘請(qǐng)有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行12～24 m填埋設(shè)計(jì)。

(4)建議在填埋區(qū)設(shè)置安全警示標(biāo)志。

(5)建議在環(huán)庫(kù)圍堤和分區(qū)壩上設(shè)置壩體沉降在線(xiàn)觀測(cè)設(shè)施，監(jiān)測(cè)壩體的日常沉降變化，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可及時(shí)處理。

［1］Guangxia Qi，Dongbei Yue，Jianguo Liu，Rui Li.Impact as sessment of interm ediate soil cover on landfill stabilization by characterizing landfilled municipal solid waste［J］.Journal of Environmental Management，2013，128:259 －265.

［2］Arthur L.Moss.Interfacial shear strength of geosynthetics using the cylinder direct shear test［D］.Utah State University:UMI Company，1999.

［3］馮世進(jìn).城市固體廢棄物靜動(dòng)力強(qiáng)度特性及填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性分析［D］.杭州:浙江大學(xué).2005.

［4］D.R.V.Jones，N.Dixon.Landfill lining stability and integrity:the role of waste settlement［J］.Geotextiles and Geomembranes，2005 ，23:27－53.