下臥軟土層填埋場穩定性分析方法

劉玉江

（1．湖北工業大學，湖北 武漢 430068；2．上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

下臥軟土層填埋場穩定性分析方法

劉玉江1，2

（1．湖北工業大學，湖北 武漢 430068；2．上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

根據上海老港垃圾填埋場邊坡穩定性的分析，研究了軟土地基強度增長、滲瀝液主水位、滯水位對填埋場邊坡沿垃圾邊坡及下覆軟弱土層失穩破壞的影響，通過參數分析得到結論：軟土地基排水固結引起的地基強度增長對邊坡穩定性提高有一定促進作用；每一階段的填埋結束點均為該階段的邊坡穩定性危險點，故需以該時間點為參考點進行穩定分析，指導填埋作業的填埋速度與高度。

填埋場；邊坡穩定；軟土地基；強度增長

邊坡穩定問題是填埋場設計、施工、填埋和封閉過程中的關鍵問題之一［1］。建造于軟土地基上的南方垃圾填埋場［2］，軟土地基強度增長是該類型填埋場邊坡穩定問題的關鍵因素［3-4］。筆者根據上海老港垃圾填埋場邊坡穩定性的分析，提出考慮含下覆軟弱土層地基的邊坡穩定性分析方法。

1 1B單元地基分區方法及地基強度增長

老港生活垃圾衛生填埋場四期工程位于上海市南匯區老港鎮東側的東海灘涂邊，距市中心約60 km，長4 200 m，寬800 m，占地361 hm2，填埋場總庫容8 000萬m3，如圖1所示。項目初步設計生產能力為日處理生活垃圾4 900 t，按此填埋速率該填埋區域使用年限可達45 a，是我國目前最大的生活垃圾衛生填埋場。四期工程1A和1 B單元2005年2月投入試運行，到目前為止1A和1 B、2A和2 B單元大部庫容已使用，已進入3A和3B單元庫區。根據2010年的統計，日填埋生活垃圾已達10 000 t，是初步設計的2倍，可見填埋速率較大，填埋場邊坡穩定性控制十分重要。

老港四期是平原型填埋場，建造于沿海灘涂軟土地基上，最終填埋高度可達45 m，其地基主要包括1層厚10 m的淤泥質黏土以及1層厚約7 m的黏土。垃圾場下地基各層土強度參數見表1。

圖1 老港生活垃圾衛生填埋場四期工程

表1 老港生活垃圾衛生填埋場四期工程地基各層土強度參數

老港四期1B單元南北向長為600 m，東西向寬為400 m，其主要危險邊坡為東側邊坡。至2010年8月，東側邊坡頂部已填埋至21．5 m高程。為了合理評價1B單元現狀地基的穩定性，關鍵在于計算其地基土體的強度增長，如圖1所示。堆體邊坡部分軟土地基因垃圾厚度不同而造成附加應力有所不同，造成其固結引起的地基抗剪強度增長也相差較大，為合理考慮各部位地基強度，提高穩定分析準確性，按上覆垃圾厚度的不同，對地基土進行分區，共分成6個區，第1分區表示其附加應力為零，為便于后續填埋分析，將邊坡位置分為4個區，每個區長為30 m，垃圾中心位置為第6分區，其附加應力為上覆垃圾荷載，如圖2所示。邊坡部分垃圾荷載作簡化處理，即將各個分區中心點垃圾填埋高度作為垃圾荷載的簡化等效高度，計算各分區附加應力。

圖2 老港生活垃圾衛生填埋場四期1B單元地基分區

根據垃圾填埋高度，選取填埋高度最高的東側邊坡中間剖面進行穩定分析。首先根據中間剖面的每月填埋進度計算各個位置的地基固結度。地基固結度是判斷地基是否穩定的重要標志，也是進行地基穩定分析的基礎。老港填埋場地基中的第4層淤泥質黏土及第5層黏土滲透系數較低，導致填埋場地基沉降難以在短時間內完成。為加速老港填埋場地基沉降，填埋場底部按1．5 m間距打入塑料排水板，插入深度達淤泥質黏土的底層，約為18 m。塑料排水板由1條10 cm寬、1 cm厚的扁平塑料芯組成。為了評價老港填埋場地基在2006—2010年的固結情況，采用規范推薦的改進高木俊介法進行地基固結分析。在多級等速加載條件下，當固結時間為t時，對應總荷載的地基平均固結度按下式計算，式中參數取值見表2。

式中：t為固結時間；Ut為豎井地基徑向排水平均固結度；qi為第i級荷載的加荷速率；ΣΔp為各級荷載的累加值；Ti、Ti-1分別為第i級荷載加載的起始和終止時間（從零點起算）；n為井阻比，塑料排水帶的有效影響直徑與當量換算直徑的比值，n=de/dp；de為塑料排水帶的有效影響直徑，de=1．05L；L為塑料排水帶間距；dp為塑料排水帶的當量換算直徑，dp=2（b+δ）/3．14；b和 δ分別為塑料排水帶的寬度和厚度；Cv和Ch分別為豎向和水平向固結系數；kh為天然上層水平向滲透系數；ks為涂抹區土的水平向滲透系數；S為涂抹區直徑與豎井直徑的比值；H為豎井深度；qw為井縱向通水量，為單位水力梯度下單位時間的排水量。

表2 固結分析計算參數

計算得出各分區固結度后，結合強度增長公式Δτ=Δσtan φ，可計算任意時間點東側邊坡的各個分區強度增長值，其中Δσ為上覆超載荷載值，分區2淤泥質黏土層從2008年2月至2012年2月強度變化情況如圖3。

圖3 分區2淤泥質黏土層強度值增長情況

2 垃圾強度參數取值及邊坡穩定分析模型

考慮垃圾抗剪強度參數隨填埋齡期發生變化。邊坡穩定分析模型如圖4所示，由于垃圾產生壓縮，每層垃圾厚度約為7 m（底層和上層除外），上層垃圾至底層垃圾的強度參數根據上述研究成果，其中淺層取c=10 kPa，φ=15°，下臥層根據浙江大學巖土所的經驗可依次取c=5 kPa，φ=20°；c=5 kPa，φ=25°；c=5 kPa，φ=28°，如表 3所示。

圖4 上海老港生活垃圾填埋場邊坡穩定性影響的分析模型

3 1B單元垃圾堆體邊坡軟土地基強度增長對穩定性的影響

本文分析了東側邊坡在不同固結度情況下的穩定性，邊坡穩定分析方法采用目前國內外邊坡工程設計常用的極限平衡分析法，采用GEOSLOPE軟件包中Slope/W進行計算。

1B單元自2007年開始填埋至今分為2個階段：第1層填埋作業至2008年3月28日結束，地基排水固結2 a；2010年3月28日開始第2層填埋，大約在127 d后結束第2層填埋作業，地基排水固結從2010年8月2日至今約18個月。

第1層填埋作業完成時，地基上覆荷載增加，而地基排水固結剛開始，強度增長很小，故該時刻為第1階段的危險時刻，采用Slope/W進行計算可得2008年3月28日的安全系數Fs=2．359，邊坡處于穩定階段，見圖5。主水位取高程3 m，為2010年7月現場實驗所得的主水位高程。垂直防滲帷幕外側地下水水位取高程3 m，為工程勘測資料數據。

第2層填埋作業開始時，邊坡地基中淤泥質黏土層和黏土層在塑料排水板作用下加速排水固結2 a，固結度和強度增長值均隨時間遞增，由分區1強度增長分析方法可算得東側邊坡地基各分區的固結度和強度增長值，至2010年3月28日，地基各分區的固結度均達到96%以上。由圖6可知，處于危險滑動面上分區2的淤泥質黏土層強度從20．6 kPa增長至28．6 kPa，故邊坡安全系數 Fs增長至 2．543。

填埋第2階段，1B單元經過約127 d的快速加載，地基上覆荷載大幅增加，而地基排水固結在新荷載下無法短時間固結完成，即地基強度增長很小，第2層填埋結束時為第2階段的危險階段，計算得2010年8月2日的安全系數Fs=1．532，邊坡處于穩定階段，見圖7。第2層填埋后，危險滑動面向邊坡內部延伸，其經過2、3分區的淤泥質黏土層。

圖7 2010年8月2日上海老港生活垃圾填埋場東側邊坡地基穩定性分析結果

在第2階段加載完后1．5 a內沒有繼續加載，東側邊坡地基處于恒載排水固結，至2012年2月2日，地基各分區固結度均達到97%以上，邊坡穩定安全系數Fs為1．578，邊坡處于穩定狀態，見圖8。

圖8 2012年2月2日上海老港生活垃圾填埋場東側邊坡地基穩定性分析結果

1B單元東側邊坡穩定安全系數隨時間的變化曲線如圖9所示。軟土地基排水固結引起的地基強度增長對邊坡穩定性提高有一定的促進作用。第1階段通過2 a的地基排水固結使邊坡穩定安全系數增長了0．181，第2階段通過1．5 a的地基排水固結使邊坡穩定安全系數增長了0．046。第2階段安全系數增長不明顯的主要原因是危險滑動面經過的分區2上覆荷載在第2層填埋時未改變，分區2在第2階段填埋開始時固結度已達98%，地基強度增長已基本完成。第2層填埋結束時，邊坡穩定安全系數從2．543驟降至1．532，若繼續在邊坡位置快速填埋，安全系數將接近警戒值1．3，故邊坡填埋速度與高度是決定邊坡穩定安全系數的主要因素。每一階段的填埋結束點均為該階段的邊坡穩定性危險點，故需以該時間點為參考點進行分析來指導填埋作業的填埋速度與高度。1B單元東側邊坡從開始填埋至今，安全系數均大于1．3，地基處于穩定狀態。

圖9 上海老港生活垃圾填埋場東側邊坡穩定安全系數隨時間的變化曲線

4 結論

建造于軟土地基上的南方垃圾填埋場，由于其地基的特殊性及南方垃圾填埋場滲瀝液水位普遍較高，軟土地基強度增長是該類型填埋場邊坡穩定分析的關鍵因素。垃圾場邊坡部分軟土地基因垃圾厚度不同而造成附加應力有所不同，固結引起的地基抗剪強度增長相差較大，宜進行地基分區處理；軟土地基排水固結引起的地基強度增長對邊坡穩定性提高具有明顯作用；每一階段的填埋結束點均為該階段的邊坡穩定性危險點，故需分析該時間點為穩定性指導填埋作業的填埋速度與高度。

［1］錢學德，郭志平，施建勇．現代衛生填埋場的設計與施工［M］．北京：中國建筑工業出版社，2001．

［2］ Zhang W J，Qiu Q W．Analysis of Contaminant Migration through Vertical Barrier Walls in a Landfill in China［J］．Environ Earth Sci，2010，61（4）：847-852．

［3］張文杰，林偉岸，陳云敏．垃圾填埋場孔壓監測及邊坡穩定性分析［J］．巖石力學與工程學報，2010，29（S2）：3628-3632．

［4］詹良通，管仁秋，陳云敏，等．某填埋場垃圾堆體邊坡失穩過程監測與反分析［J］．巖石力學與工程學報，2010，29（8）：1697-1705．

Stability Analysis of Landfills Lying on Soft Soil Foundation

Liu Yujiang1，2
（1．Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430068；2．Shanghai Laogang MSW Treatment Co．，Ltd，Shanghai201302）

Based on slope stability analysis of Shanghai Laogang Waste Landfill Site,the effects of strength growth of soft soil foundation，main leachate level and perched leachate level on slope stability of the landfill site were researched．According to parameter analyses，the results showed that strength growth of soft soil foundation caused by drainage consolidation could improve slope stability．The end time of each landfilling operation is a dangerous point of the slope stability in each stage，so slope stability should be analyzed to guide landfilling speed and height by taking these points as the reference points．

landfill site；slope stability；soft soil foundation；strength growth

TU43；TU993．3

A

1005-8206（2012）04-0057-04

2012-03-06

劉玉江（1970—），在讀碩士，工程師，主要從事固體廢物填埋場的建設和運營管理。

（責任編輯：鄭雯）