某山谷型垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析

賀利峰

（江西省中贛投勘察設(shè)計(jì)有限公司，江西南昌）

前言

目前垃圾衛(wèi)生填埋仍是最主要的垃圾處理方式，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)多起垃圾填埋場(chǎng)失穩(wěn)破壞事故，一旦垃圾填埋場(chǎng)出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題，輕則造成滲濾液、填埋氣泄露，重則造成填埋場(chǎng)滑坡、垮塌。隨著對(duì)垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性研究的深入，各國(guó)學(xué)者也摸索出多種分析邊坡穩(wěn)定性的方法。其中極限平衡法和數(shù)值計(jì)算法是運(yùn)用最廣泛的填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析方法，傳統(tǒng)的極限平衡法包括Bishop 法、Spencer 法、Janbu 法、Morgenstein-Price 法等，隨著研究的深入，在傳統(tǒng)極限平衡法的基礎(chǔ)上又提出了楔體極限平衡法、三楔體極限平衡法、簡(jiǎn)化的Bishop 等方法來(lái)滿(mǎn)足具體的工況[1]。

1 工程概況

1.1 填埋場(chǎng)現(xiàn)狀

某山谷型生活垃圾填埋場(chǎng)場(chǎng)區(qū)為低山丘陵地貌，地形起伏較大，整體東、西、北面為山丘，地勢(shì)較高；南西方向?yàn)楹档?，地?shì)較低；中間為填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)，呈東北向南西走向一開(kāi)口朝南西的口袋形地貌；二庫(kù)區(qū)北面副壩處為一小溝谷；三庫(kù)區(qū)副壩埡口位置為溝谷旱地。

填埋庫(kù)區(qū)一庫(kù)區(qū)垃圾堆體形成整體西北高東南低的邊坡，邊坡總體高度約60 m，整體坡度約40°～50°，頂部垃圾堆體較平緩，中部形成了一個(gè)連續(xù)的環(huán)狀陡坡（坡高約10 m，坡度約70°～80°），其余位置垃圾堆體往東南方向形成連續(xù)的放坡臺(tái)階狀，坡高約3～8 m，坡度約30°～60°；二庫(kù)區(qū)垃圾堆體形成整體東北高南西低的邊坡，邊坡總體高度約40 m，整體坡度約30°～40°，垃圾堆體頂部較平緩，其余位置垃圾堆體往南西方向形成連續(xù)的放坡臺(tái)階狀，坡高約3～10 m，坡度約30°～60°。

一庫(kù)區(qū)主壩采用碾壓式土石壩壩型，設(shè)計(jì)壩頂高程130.0 m，壩底標(biāo)高約116.5 m，最大壩高13.5 m，清基后壩軸線(xiàn)長(zhǎng)63.19 m，壩頂寬8.0 m，壩體上下游邊坡坡度均為1:2.0，主壩壩基位于粉質(zhì)粘土層；二庫(kù)區(qū)主壩采用碾壓式土石壩壩型，設(shè)計(jì)壩頂高程145.0 m，最大壩高18.0 m，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)83.7 m，壩頂寬6.0 m，壩體上下游邊坡坡度均為1:2.0，下游壩坡130 m 高程設(shè)置排水棱體，頂寬2.0 m，外坡坡度為1：1.5，內(nèi)坡坡度為1：1，排水棱體與主壩及地基接觸面設(shè)反濾層，主壩壩基位于粉質(zhì)粘土層。據(jù)勘察及現(xiàn)場(chǎng)踏探調(diào)查收集到的資料可知一庫(kù)區(qū)主壩及二庫(kù)區(qū)主壩進(jìn)行過(guò)鉆孔灌漿防滲處理，但效果不佳，現(xiàn)狀一庫(kù)區(qū)主壩及二庫(kù)區(qū)主壩已發(fā)生不同程度的層間或繞壩滲漏，壩體下游壩面明顯可見(jiàn)有滲濾液溢出現(xiàn)象[2-3]。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

據(jù)勘察資料顯示本場(chǎng)區(qū)勘察深度范圍內(nèi)，地層自上而下分為9 層，分別為：1 層垃圾堆體、1-1 層一庫(kù)區(qū)碾壓風(fēng)化料、1-2 層二庫(kù)區(qū)碾壓風(fēng)化料、1-3 層素填土、2 層粉質(zhì)黏土、3 層強(qiáng)風(fēng)化泥頁(yè)巖（K2）、4 層中風(fēng)化泥頁(yè)巖（K2）、3-1 層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖（K2）、4-1 層中風(fēng)化砂礫巖（K2），各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值見(jiàn)表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值一覽表

1.3 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型主要為上層滯水和基巖裂隙水兩種類(lèi)型。上層滯水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水等，主要以蒸發(fā)或逐漸下滲的方式排泄，水量大小及水位隨季節(jié)變化而變化，無(wú)統(tǒng)一的水位面；基巖裂隙水主要受節(jié)理裂隙按制的地下徑流進(jìn)行補(bǔ)給與排泄，其水量一般貧乏，但不排除局部張性裂隙發(fā)育處，水量較大的可能性。另垃圾堆體內(nèi)滲濾液面水位較高且滲濾液量較大，水位埋深1.4 m～7.1 m，因垃圾堆體含大量塑料制品等隔水物，導(dǎo)致垃圾體間連通性差，垃圾滲濾液在垃圾堆體內(nèi)形成包氣帶，水量大小及水位無(wú)明顯聯(lián)系，部分區(qū)域覆蓋膜下能明顯感覺(jué)到滲濾液存在。

2 填埋場(chǎng)失穩(wěn)模式

2.1 垃圾堆體失穩(wěn)

垃圾堆體失穩(wěn)是垃圾填埋體、襯墊系統(tǒng)、周邊巖土體之間作用的破壞，對(duì)于目前各種類(lèi)型的垃圾填埋場(chǎng)，其最主要發(fā)生的失穩(wěn)模式有以下三種[1-2]：

（1） 填埋體內(nèi)部發(fā)生破壞（如圖1 a 所示）；當(dāng)垃圾填埋場(chǎng)填埋至一定高度時(shí)，其垃圾體內(nèi)部可能發(fā)生破壞，這一極限高度與填埋場(chǎng)設(shè)置的坡腳以及垃圾土自身強(qiáng)度有關(guān)。

圖1 失穩(wěn)模式

（2） 填埋體與地基整體破壞（如圖1 b 所示）；當(dāng)填埋場(chǎng)地基強(qiáng)度較低時(shí)，破壞面將有可能貫穿垃圾填埋體、襯墊系統(tǒng)以及地基，這一破壞形式在軟粘土地基中經(jīng)常出現(xiàn)。

（3） 沿襯墊系統(tǒng)平移滑動(dòng)破壞（如圖1 c 所示）。當(dāng)復(fù)合襯墊系統(tǒng)中存在有較低的強(qiáng)度接觸面時(shí)，垃圾填埋體可能作為一個(gè)整體單元發(fā)生平移滑動(dòng)。

某山谷型垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)垃圾堆體歷時(shí)最長(zhǎng)時(shí)間為12 年，一庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡總體高度約60 m，整體坡度約40°～50°，局部坡度達(dá)70°～80°，二庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡總體高度約40 m，整體坡度約30°～40°，垃圾堆體邊坡總體高度較高，坡度較陡，堆體地基為粉質(zhì)粘土及強(qiáng)風(fēng)化泥頁(yè)巖，非軟弱地基，一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)垃圾堆體最可能內(nèi)部出現(xiàn)滑移面發(fā)生失穩(wěn)。

2.2 垃圾壩失穩(wěn)

某山谷型垃圾填埋場(chǎng)一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)主壩均采用碾壓式土石壩壩型，壩基均位于粉質(zhì)粘土層，現(xiàn)狀一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)主壩已發(fā)生不同程度的層間或繞壩滲漏，壩體下游壩面明顯可見(jiàn)有滲濾液溢出現(xiàn)象，一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)主壩最可能發(fā)生壩坡的滑移破壞。

3 穩(wěn)定性分析說(shuō)明

3.1 垃圾堆體穩(wěn)定性分析說(shuō)明

根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》CJJ176-2012 第6.1 章節(jié)規(guī)定：

垃圾堆體邊坡工程根據(jù)坡高及失穩(wěn)后可能造成后果的嚴(yán)重性等因素，按照表2 確定安全等級(jí)。

表2 垃圾堆體邊坡工程安全等級(jí)

垃圾堆體邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3 垃圾堆體邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

某山谷型垃圾填埋場(chǎng)一庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡坡高約60 m，安全等級(jí)為一級(jí)，二庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡坡高約40 m，安全等級(jí)為二級(jí)。本次垃圾堆體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分為兩種工況：正常運(yùn)用條件工況及遭遇強(qiáng)降雨等引起的滲瀝液水位顯著上升的非常運(yùn)用條件Ⅰ工況。其中一庫(kù)區(qū)垃圾堆體正常運(yùn)用條件工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.35，非常運(yùn)用條件Ⅰ工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.30；二庫(kù)區(qū)垃圾堆體正常運(yùn)用條件工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.30，非常運(yùn)用條件Ⅰ工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.25[4]。

本次計(jì)算采用理正巖土6.5PB4 版軟件計(jì)算，選用摩根斯頓- 普賴(lài)斯法計(jì)算折線(xiàn)形滑面的安全系數(shù)，并找出最小安全系數(shù)及其相應(yīng)的最危險(xiǎn)滑裂面。各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取值如表1。垃圾堆體滲濾液水位正常運(yùn)用條件工況下為垃圾堆體頂面標(biāo)高以下2～5 m，非常運(yùn)用條件Ⅰ工況下為垃圾堆體頂面標(biāo)高以下1～3 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形情況，一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)分別選擇三個(gè)典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，典型計(jì)算斷面平面位置見(jiàn)圖2。

圖2 典型計(jì)算斷面平面位置

3.2 垃圾壩穩(wěn)定性分析說(shuō)明

一庫(kù)區(qū)主壩建筑級(jí)別屬Ⅱ級(jí)，二庫(kù)區(qū)主壩建筑級(jí)別屬Ⅰ級(jí)。填埋場(chǎng)目前未繼續(xù)堆填垃圾，準(zhǔn)備封場(chǎng)，本次壩體應(yīng)驗(yàn)算封場(chǎng)穩(wěn)定期穩(wěn)定性。其中一庫(kù)區(qū)主壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.20；二庫(kù)區(qū)主壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.25[5]。

本次計(jì)算采用理正巖土6.5PB4 版軟件計(jì)算，選用Bishop 法計(jì)算圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并找出最小安全系數(shù)及其相應(yīng)的最危險(xiǎn)滑裂面，各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取值見(jiàn)表1。因庫(kù)區(qū)內(nèi)垃圾堆體滲濾液水位較高，一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)壩體位置庫(kù)底防滲膜局部區(qū)域已破壞，現(xiàn)狀一庫(kù)區(qū)主壩及二庫(kù)區(qū)主壩已發(fā)生不同程度的層間或繞壩滲漏，壩體下游壩面明顯可見(jiàn)有滲濾液溢出現(xiàn)象，計(jì)算考慮壩體水位基本平壩頂面標(biāo)高，并考慮滲流條件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形及壩體設(shè)計(jì)情況，一庫(kù)區(qū)主壩及二庫(kù)區(qū)主壩分別選擇典型斷面Ⅱ及Ⅴ進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算斷面平面位置見(jiàn)圖2。

4 穩(wěn)定性分析結(jié)果

4.1 現(xiàn)狀垃圾堆體穩(wěn)定性分析結(jié)果

經(jīng)理正巖土軟件計(jì)算，一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)垃圾堆體在正常運(yùn)行條件工況下及非常運(yùn)用條件Ⅰ工況下滑動(dòng)安全系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 一庫(kù)區(qū)垃圾堆體穩(wěn)定性分析結(jié)果

表5 二庫(kù)區(qū)垃圾堆體穩(wěn)定性分析結(jié)果

4.2 垃圾壩穩(wěn)定性分析結(jié)果

經(jīng)理正巖土軟件計(jì)算：一庫(kù)區(qū)主壩滑動(dòng)安全系數(shù)K=1.354＞1.20，二庫(kù)區(qū)主壩滑動(dòng)安全系數(shù)K=1.305＞1.25。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)采用理正巖土軟件，建立不同的工況模型，對(duì)某山谷型垃圾填埋場(chǎng)的一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)垃圾堆體、垃圾壩穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

（1） 一庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡穩(wěn)定性不滿(mǎn)足規(guī)范要求，目前處于不安全或臨界狀態(tài)，二庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求，目前處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)勘察收集到的資料可知垃圾堆體內(nèi)滲濾液面水位較高且滲濾液量較大，部分區(qū)域覆蓋膜下能明顯感覺(jué)到滲濾液存在，另一庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡總體高度達(dá)60 m，整體坡度約40°～50°，局部坡度可達(dá)約80°，二庫(kù)區(qū)垃圾堆體邊坡總體高度達(dá)40 m，局部坡度過(guò)大，滲濾液的水位、滲濾液量及垃圾堆體高度、坡度等均是垃圾堆體安全性的影響因素，若垃圾堆體常年處于裸露、陡坡?tīng)顟B(tài)，堆體邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)，庫(kù)區(qū)應(yīng)及時(shí)抽排滲濾液并進(jìn)行垃圾堆體坡面整形，將邊坡高度、坡角降低至安全限值內(nèi)。

（2） 一庫(kù)區(qū)主壩及二庫(kù)區(qū)主壩抗滑穩(wěn)定性雖然滿(mǎn)足規(guī)范要求，但安全系數(shù)較小，壩體穩(wěn)定性一般，因庫(kù)區(qū)內(nèi)垃圾堆體滲濾液水位較高，一庫(kù)區(qū)及二庫(kù)區(qū)壩體位置庫(kù)底防滲膜局部區(qū)域已破壞，現(xiàn)狀一庫(kù)區(qū)主壩及二庫(kù)區(qū)主壩已發(fā)生不同程度的層間或繞壩滲漏，壩體下游壩面明顯可見(jiàn)有滲濾液溢出現(xiàn)象，滲濾液長(zhǎng)期滲透進(jìn)壩體，嚴(yán)重會(huì)發(fā)生滲流出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，危害壩體穩(wěn)定性，庫(kù)區(qū)應(yīng)及時(shí)抽排滲濾液，減少垃圾堆體內(nèi)滲濾液量，降低滲濾液面水位，對(duì)壩體進(jìn)行加固處理，填埋場(chǎng)封場(chǎng)穩(wěn)定后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)壩體穩(wěn)定、變形及滲漏等的監(jiān)測(cè)工作。