某生活垃圾填埋場垃圾壩穩(wěn)定和滲流分析

邱貞波，杲加俊，潘 倩，徐 輝

(1.浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.浙江水利水電學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來，在生活垃圾填埋場中，因壩體設(shè)計(jì)不科學(xué)、垃圾填埋作業(yè)不規(guī)范等原因，導(dǎo)致潰壩、壩體滲漏等事故時(shí)有發(fā)生。例如，2007年6月永嘉甌北垃圾填埋場發(fā)生填埋氣擴(kuò)散爆炸，引發(fā)垃圾壩決堤，大量垃圾涌入楠溪江產(chǎn)生嚴(yán)重污染[1]；2009年2月深圳下坪垃圾填埋場內(nèi)填埋污泥時(shí)，未考慮其與垃圾共存時(shí)的工程特性，造成填埋氣壓及孔隙水壓力過高，污泥受擠壓滲入垃圾壩造成污水外涌，造成嚴(yán)重環(huán)境污染[2]；黑龍江雞西市垃圾填埋場污泥庫構(gòu)建時(shí)，因沿用原垃圾壩，導(dǎo)致壩體右肩坡面滑坡，造成嚴(yán)重環(huán)境污染[3]。綜上所述，生活垃圾填埋場垃圾壩的滲流和穩(wěn)定問題不容忽視。

王瑞[4]和雷針[5]采用理正軟件計(jì)算垃圾填埋場土石擋壩的抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性，針對(duì)計(jì)算結(jié)果提出了相應(yīng)的壩體前緣反壓、防排水等措施，以保證其長期穩(wěn)定性。張燕等[6]采用geo-studio軟件對(duì)某垃圾填埋場中垃圾壩內(nèi)滲濾液的滲流特性及遷移規(guī)律進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)上游壩面鋪設(shè)土工膜后，填埋場內(nèi)的重金屬離子無法穿透土工膜，不會(huì)對(duì)地下水造成污染。張婷[7]分析了某垃圾填埋場擴(kuò)容過程中壩后垃圾堆體滲瀝液水位對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)在壩后設(shè)置滲瀝液抽排豎井可實(shí)現(xiàn)對(duì)滲瀝液的抽排，從而確保滲瀝液水位高度符合工程要求。梁冰等[8]基于非飽和土力學(xué)理論，模擬了降雨條件下垃圾壩體范圍內(nèi)孔隙水壓力和流速分布情況，發(fā)現(xiàn)在垃圾壩體穩(wěn)定性分析研究中，滲流場和應(yīng)力場的耦合效應(yīng)不能忽略。綜上所述，目前國內(nèi)對(duì)生活垃圾填埋場垃圾壩的滲流和穩(wěn)定問題開展了較多研究，但針對(duì)這兩類問題同時(shí)開展的研究較為缺乏。

有鑒于此，本文以我國某生活垃圾填埋場為工程背景，采用geo-studio中的slope/w以及seep/w模塊對(duì)該填埋場現(xiàn)狀滲濾液水位以及增容后滲濾液水位條件下的垃圾壩進(jìn)行了穩(wěn)定分析，對(duì)不同水位控制條件下的垃圾壩進(jìn)行滲流分析，從而為后期壩體加固設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

我國某生活垃圾填埋場在投入運(yùn)行20年時(shí)間里，填埋標(biāo)高由87m填高至177m，接近最大設(shè)計(jì)標(biāo)高。為提高該填埋場服役年限，經(jīng)專家評(píng)估，相關(guān)部門擬采取兩種方案堆高的方式進(jìn)行增容：①對(duì)進(jìn)場垃圾按1∶3坡比堆高至200m；②對(duì)進(jìn)場垃圾按1∶34坡比堆高至215m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，目前垃圾壩頂和壩體出現(xiàn)多處滲漏點(diǎn)，污染了周邊土體和水體，造成了較大的環(huán)境破壞，因此在增容方案實(shí)施之前亟需采取相關(guān)防滲措施對(duì)壩體進(jìn)行整治，在整治之前需對(duì)壩體的穩(wěn)定性以及滲漏情況進(jìn)行分析，從而為后期壩體加固設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)填埋場垃圾堆體和壩體進(jìn)行了現(xiàn)場鉆孔取樣和滲濾液水位測試，勘探點(diǎn)布置如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場勘探結(jié)果，垃圾堆體內(nèi)部主水位高度在15.6～17.8m之間，滯水位埋深在3.2～4.0m之間。根據(jù)現(xiàn)場勘探結(jié)果得到的垃圾堆體剖面如圖2所示。其中垃圾壩壩高19m，壩頂寬約5m，兩側(cè)坡度為1∶32，壩前路基高約10m，寬10m，兩側(cè)坡度同樣為1∶32。根據(jù)現(xiàn)場勘探結(jié)果得到的垃圾壩體剖面如圖3所示。勘探揭露的垃圾壩土層主要為素填土，以及下臥基巖，包括全風(fēng)化片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖和中風(fēng)化片麻巖，自上而下分別描述如下：

圖1 勘探點(diǎn)布置平面圖

圖2 垃圾堆體剖面圖

圖3 垃圾壩體剖面圖

(1)素填土(0～22m)：呈黃褐色、可塑，以粉質(zhì)黏土為主，中等強(qiáng)度且具有中等強(qiáng)度的韌性；土中有少量直徑為2～4cm的碎石，其中最大顆粒的直徑達(dá)5cm；層厚6.7～22m。

(2)全風(fēng)化片麻巖(6.7～26.5m)：顏色為灰黃色-灰白色，主要含有石英、長石等礦物，變晶質(zhì)、塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理列隙很發(fā)育，巖芯比較容易破碎，呈碎塊狀，錘擊容易碎；層厚在3.1～6.7m不等。

(3)強(qiáng)風(fēng)化片麻巖(9.8～30m)：呈灰白色，主要礦物包括石英、長石、黑云母等，變晶質(zhì)、塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理列隙發(fā)育，巖芯呈現(xiàn)短柱、柱狀，柱長一般為5～10cm，錘擊聲啞；層厚為3.5～10.2m。

(4)中風(fēng)化片麻巖(20～30m)：呈灰白色，主要礦物包括石英、長石、黑云母等，變晶質(zhì)、塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理列隙不發(fā)育，巖芯呈現(xiàn)短柱、柱狀，柱長一般為10～30cm，錘擊聲脆；層厚在6.4～10m之間。

2 計(jì)算模型和參數(shù)取值

2.1 模型建立

垃圾壩穩(wěn)定性分析采用geo-studio中的slope/w模塊。slope/w不僅具有滑動(dòng)面自動(dòng)搜索功能，而且可以用戶自行定義滑面入口和出口的范圍。本文采用Morgenstern & Price法對(duì)主要穩(wěn)定控制剖面進(jìn)行穩(wěn)定分析。該方法能夠同時(shí)滿足整體力和力矩的平衡條件，適用于任意形狀的滑動(dòng)面，是公認(rèn)的較為準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析方法。根據(jù)CJJ 176—2012《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》[9]，考慮到垃圾填埋場這一基礎(chǔ)設(shè)施的重要性，本文取壩體穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值為1.35。垃圾壩滲流分析采用geo-studio中的seep/w模塊。seep/w采用基于有限元方法來分析土壤、巖石等多孔材料中的地下水滲透和超孔隙水壓力消散問題。除了傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)飽和流分析外，還可以分析瞬態(tài)非飽和流，并用于模擬地下水流動(dòng)、含水層排水、堤壩滲流等問題。堆填現(xiàn)狀、增容方案1和增容方案2對(duì)應(yīng)的有限元分析模型分別如圖4(a)、(b)、(c)所示。

圖4 有限元分析模型

2.2 參數(shù)取值

基于填埋場鉆孔取樣測試結(jié)果，得到相應(yīng)的土體參數(shù)，見表1。其中垃圾壩土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，與進(jìn)場道路土質(zhì)相近，壩底基巖主要為全風(fēng)化片麻巖(基底土)。

表1 土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參考值

垃圾壩土、垃圾土和基底土的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線分別如圖5—6所示。其中，垃圾壩土和基底土的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線分別采用軟件內(nèi)置的粉質(zhì)黏土和粉砂函數(shù)，飽和體積含水量根據(jù)鉆孔取樣測試結(jié)果確定，分別為0.32、0.30m3/m3，飽和滲透系數(shù)通過現(xiàn)場滲透試驗(yàn)結(jié)果確定，分別為5.0×10-9、5.0×10-8m/s，殘余飽和度分別參考汪東林等[10]和譚洪波等[11]，取0.05、0.10m3/m3。垃圾土的土水特征曲線參考徐輝[12]的試驗(yàn)結(jié)果，飽和體積含水量為0.67m3/m3，飽和滲透系數(shù)參考詹良通等[13]，取值4×10-6m/s，殘余飽和度為0.2m3/m3。

圖5 土水特征曲線

根據(jù)水位測試結(jié)果，在滲流分析模塊中壩前主水位高度取測試結(jié)果區(qū)間的平均值16.7m，滯水位埋深同樣取測試結(jié)果區(qū)間的平均值3.6m。

圖6 滲透系數(shù)曲線

3 結(jié)果及分析

3.1 垃圾壩穩(wěn)定分析

對(duì)現(xiàn)狀條件下的垃圾壩進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果如圖7所示。在現(xiàn)狀條件下，若同時(shí)考慮滯水位與主水位的作用，壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.686；若僅考慮主水位，壩體的安全系數(shù)為1.697；若僅考慮滯水位，壩體的安全系數(shù)為1.931。由此可見，現(xiàn)狀條件下垃圾壩的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，且垃圾堆體內(nèi)主水位對(duì)垃圾壩的穩(wěn)定性影響較大。

圖7 現(xiàn)狀水位條件下壩體穩(wěn)定安全系數(shù)

不同主水位高度下垃圾壩穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看到： ①隨著主水位的升高，垃圾壩的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸下降；②現(xiàn)狀條件下，壩前主水位高度警戒值為26.2m；③當(dāng)堆體按照1∶3的坡比堆填至200m高程時(shí)，壩前主水位高度警戒值為24.5m；④當(dāng)堆體按照1∶34的坡比堆填至215m高程時(shí)，壩前主水位高度警戒值為23.0m。

圖8 不同主水位高度下壩體穩(wěn)定安全系數(shù)

綜上所述，垃圾壩的穩(wěn)定性受壩前主水位高度影響較大，因此后續(xù)堆填過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測壩前水位高度。當(dāng)主水位高度達(dá)到警戒值時(shí)，應(yīng)采取必要的降水措施，如在壩前打設(shè)抽排豎井等，以確保壩體的穩(wěn)定性，避免發(fā)生潰壩或進(jìn)場道路摧毀的事故。

3.2 垃圾壩滲流分析

對(duì)現(xiàn)狀條件下的垃圾壩進(jìn)行了滲流分析，結(jié)果如圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果顯示，壩體內(nèi)部浸潤線距離垃圾壩頂約為15.0m，與現(xiàn)場勘測結(jié)果15.6～17.8m較為接近。由此可見，根據(jù)本文建立的模型和參數(shù)取值獲得的垃圾壩滲流分析結(jié)果是較為可靠的。

圖9 現(xiàn)狀條件下垃圾壩滲流分析結(jié)果

對(duì)不同水位類型作用下的垃圾壩進(jìn)行了滲流分析，結(jié)果如圖10所示。可以看出，垃圾堆體內(nèi)滲瀝液主要通過兩條滲流路徑滲漏出壩體：①穿過壩底全風(fēng)化片麻巖層滲漏，滲漏量約為6.64m3/d，這主要是由于壩底基巖全/強(qiáng)風(fēng)化層的滲透系數(shù)較大，透水性較好，且填埋場未做庫底防滲，從而導(dǎo)致垃圾壩底部出現(xiàn)滲瀝液滲漏現(xiàn)象；②通過壩頂和路堤交界處滲漏，滲漏量約為2.38m3/d，這主要是由于進(jìn)場道路以下壓實(shí)土層隨著底部垃圾的沉降而發(fā)生變形，從而導(dǎo)致其與垃圾壩交界面處的防滲性能弱化，進(jìn)而引起垃圾壩頂部出現(xiàn)滲瀝液滲漏現(xiàn)象，這與現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象基本符合。此外，當(dāng)僅有主水位作用時(shí)，壩底滲漏量為6.33m3/d，壩頂滲漏量為0.08m3/d；當(dāng)僅有滯水位作用時(shí)，壩底滲漏量為0.47m3/d，壩頂滲漏量為2.23m3/d。由此可見，壩底滲漏主要受主水位控制，而壩頂滲漏主要受滯水位控制。

圖10 不同類型水位作用下垃圾壩滲漏量

因壩底滲漏量較大，考慮在壩體內(nèi)部增設(shè)垂直防滲帷幕以阻斷或延長滲瀝液滲流路徑。因此，本文分析了防滲帷幕滲透系數(shù)對(duì)垃圾壩底滲漏量的影響，從而能夠?yàn)榉罎B帷幕設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)CJJ 176—2012規(guī)定，防滲帷幕滲透系數(shù)應(yīng)不小于10-7cm/s，計(jì)算過程中采用10-7、10-8、10-9cm/s 3種工況，防滲帷幕厚度根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)置成80cm[14]，滲濾液主水位高度根據(jù)垃圾堆填厚度等比例增大。不同堆填高度條件下考慮不同防滲帷幕滲透系數(shù)時(shí)壩底滲漏量計(jì)算結(jié)果如圖11所示。在壩體設(shè)置垂直防滲帷幕后，顯著延長了滲瀝液在壩體的滲流路徑，且墻體滲透系數(shù)越小滲流路徑越長。此外，設(shè)置垂直防滲帷幕后顯著增大了墻體兩側(cè)的水位差，實(shí)現(xiàn)了較好的阻隔效果。在現(xiàn)狀堆填條件下(標(biāo)高177m)，當(dāng)防滲帷幕滲透系數(shù)從10-7cm/s降低至10-9cm/s時(shí)，壩底滲漏量從0.16m3/d減小至0.000427m3/d。采用方案1堆填條件下(標(biāo)高200m)，當(dāng)防滲帷幕滲透系數(shù)從10-7cm/s降低至10-9cm/s時(shí)，壩底滲漏量從0.37m3/d減小至0.000912m3/d。采用方案2堆填條件下(標(biāo)高215m)，當(dāng)防滲帷幕滲透系數(shù)從10-7cm/s降低至10-9cm/s時(shí)，壩底滲漏量從0.49m3/d減小至0.00113m3/d。綜上可知，當(dāng)垂直防滲帷幕厚度為80cm、滲透系數(shù)介于10-8～10-9cm/s時(shí)，可顯著減少壩底滲漏量至接近于0。

圖11 不同堆高、防滲帷幕滲透系數(shù)條件下垃圾壩底滲漏量

垃圾壩頂滲漏主要受滯水位影響，考慮在壩前垃圾堆體中設(shè)置抽排豎井和截滲墻以降低滯水位高度。因此，本文分析了滯水位埋深對(duì)垃圾壩頂滲漏量的影響，從而能夠?yàn)槌榕咆Q井和截滲墻的設(shè)計(jì)提供參考。不同堆填高度條件下考慮不同滯水位埋深時(shí)壩頂滲漏量計(jì)算結(jié)果如圖12所示。在現(xiàn)狀堆填條件下(標(biāo)高177m)，當(dāng)滯水位埋深為3.6、4.6、5.6、6.6m時(shí)，壩頂滲漏量分別為2.23、1.63、1.12、0.56m3/d。采用方案1堆填條件下(標(biāo)高200m)，當(dāng)滯水位埋深為4.1、5.1、6.1、7.1m時(shí)，壩頂滲漏量分別為2.78、2.08、1.47、0.84m3/d。采用方案2堆填條件下(標(biāo)高215m)，當(dāng)滯水位埋深為4.4、5.4、6.4、7.4m時(shí)，壩頂滲漏量分別為3.17、2.41、1.73、0.97m3/d。由此可見，當(dāng)滯水位降低至壩頂以下時(shí)，能夠顯著減少壩頂滲漏量。

圖12 不同堆高、滯水位埋深條件下垃圾壩體滲漏量

4 結(jié)論

(1)在現(xiàn)狀條件下(堆填至標(biāo)高177m)，同時(shí)考慮滯水位與主水位、僅考慮主水位以及僅考慮滯水位時(shí)壩體的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；垃圾堆體主水位對(duì)垃圾壩的穩(wěn)定性影響較大。

(2)在現(xiàn)狀(堆填至標(biāo)高177m)、堆填至標(biāo)高200m和堆填至標(biāo)高215m條件下，壩前主水位高度警戒值分別為26.2、24.5、23.0m。在后續(xù)堆填過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測壩前主水位高度，當(dāng)水位達(dá)到警戒值時(shí)應(yīng)采取必要的降水措施。

(3)垃圾堆體內(nèi)滲濾液主要通過兩條滲流路徑滲漏出壩體：穿過壩底全風(fēng)化片麻巖層滲漏；通過壩頂和路堤交界處滲漏。壩底滲漏主要受主水位控制，而壩頂滲漏主要受滯水位控制。

(4)在壩體內(nèi)部設(shè)置防滲帷幕可有效控制壩底滲漏量，當(dāng)防滲帷幕厚度為80cm、滲透系數(shù)為10-8～10-9cm/s時(shí)，可顯著減少壩底滲漏量至接近于0。在壩前垃圾堆體中設(shè)置抽排豎井和截滲墻可將滯水位控制在壩頂以下，從而能夠顯著減小壩頂滲漏量。