某垃圾場開挖實例模擬分析

潘磊 徐飛

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

0 引言

近年來我國經濟建設得到了大力發展，而隨之產生的各類垃圾也越來越多，大約以每年9%的速度遞增［1］。就現有條件來說，修建大型的垃圾填埋場仍然是最經濟有效的處理方法。但垃圾填埋場的修建過程當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和運營過程，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力而破壞，造成工程事故，對周邊環境產生巨大污染。

本文首先模擬了某垃圾場開挖的實際過程，將模擬與實測結果進行對比，證明了數值分析的可靠性之后又進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，為垃圾場開挖的施工設計提供了一定依據。

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，采用軸對稱方法進行分析，建模時只考慮取其一半(右側)。如圖1所示，需要開挖的部分位于模型的左側，共有7 m厚，其中頂層3 m為淤泥質粉質粘土層，中間2 m為粉土夾粉砂層，下層2 m為粉砂層。右側上部為開挖后對土進行壓實并填筑到庫區周圍的堤壩，高5 m。

1.2 參數選取

根據巖土工程勘察報告，選取庫區變形模擬所需要的計算參數列于表1中。

表1 巖土參數表

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，從庫區邊緣開挖;工況3，從庫區中心開挖，如圖2a)～圖2c)所示。其中工況1為實際開挖的工況。

圖2 開挖工況示意圖

2 結果分析

2.1 與實測結果對比

為進行變形監測，在垃圾場施工前位于填筑部分坡腳處預埋了深為10 m的測斜管，在施工過程中進行了深層水平位移監測，將開挖完成后的實測最終水平位移與數值模擬結果進行對比，結果如圖3所示。數值模擬結果與實測數據吻合較好，說明該數值模擬方法是切實可靠的。

2.2 三種開挖工況比較

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

對邊坡進行安全性分析計算，可能的滑動區域如圖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展規律基本相同，只是坡面位移的大小，安全系數和滑動面有所不同?，F將這三種工況的最大位移以及安全系數列于表2中。

圖3 實測數據與模擬結果對比圖

圖4 最易滑動區域

表2 三種工況坡面最大位移及安全系數

通過比較可以看出，分層開挖安全系數最大，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最小。施工時應盡量使得位移小以及安全系數大，所以推薦進行分層開挖或者邊緣開挖，不推薦中心開挖。

3 結語

對某垃圾場的實際開挖過程進行數值模擬，通過與實測數據對比證明數值分析的可靠性。在此基礎上分析了三種不同的開挖工況，結果表明分層開挖安全系數最大，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最小。推薦進行分層開挖或者邊緣開挖，不推薦中心開挖。

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

［2］吳世明.國外環境土工發展現狀［A］.環境土工及填埋技術交流會論文集［C］.杭州：浙江大學，2010.

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

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