某山谷型垃圾填埋場穩(wěn)定性分析

賀利峰

（江西省中贛投勘察設(shè)計有限公司，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，近些年來國內(nèi)外發(fā)生過多起垃圾填埋場失穩(wěn)破壞事故，一旦垃圾填埋場出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，輕則造成滲濾液、填埋氣泄露，重則造成填埋場滑坡、垮塌。隨著對垃圾填埋場穩(wěn)定性研究的深入，各國學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)值計算法是運用最廣泛的填埋場穩(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、簡化的Bishop 等方法來滿足具體的工況[1]。

1 工程概況

1.1 填埋場現(xiàn)狀

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

填埋庫區(qū)一庫區(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)的放坡臺階狀，坡高約3～8 m，坡度約30°～60°；二庫區(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)的放坡臺階狀，坡高約3～10 m，坡度約30°～60°。

一庫區(qū)主壩采用碾壓式土石壩壩型，設(shè)計壩頂高程130.0 m，壩底標高約116.5 m，最大壩高13.5 m，清基后壩軸線長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；二庫區(qū)主壩采用碾壓式土石壩壩型，設(shè)計壩頂高程145.0 m，最大壩高18.0 m，壩軸線長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)場踏探調(diào)查收集到的資料可知一庫區(qū)主壩及二庫區(qū)主壩進行過鉆孔灌漿防滲處理，但效果不佳，現(xiàn)狀一庫區(qū)主壩及二庫區(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有滲濾液溢出現(xiàn)象[2-3]。

1.2 場地工程地質(zhì)條件

據(jù)勘察資料顯示本場區(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 層一庫區(qū)碾壓風化料、1-2 層二庫區(qū)碾壓風化料、1-3 層素填土、2 層粉質(zhì)黏土、3 層強風化泥頁巖（K2）、4 層中風化泥頁巖（K2）、3-1 層強風化砂礫巖（K2）、4-1 層中風化砂礫巖（K2），各巖土層物理力學性質(zhì)指標建議值見表1。

表1 各巖土層物理力學性質(zhì)指標建議值一覽表

1.3 場地水文地質(zhì)條件

場區(qū)地下水類型主要為上層滯水和基巖裂隙水兩種類型。上層滯水補給來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行補給與排泄，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，水量大小及水位無明顯聯(lián)系，部分區(qū)域覆蓋膜下能明顯感覺到滲濾液存在。

2 填埋場失穩(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，對于目前各種類型的垃圾填埋場，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）；當垃圾填埋場填埋至一定高度時，其垃圾體內(nèi)部可能發(fā)生破壞，這一極限高度與填埋場設(shè)置的坡腳以及垃圾土自身強度有關(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）；當填埋場地基強度較低時，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)平移滑動破壞（如圖1 c 所示）。當復合襯墊系統(tǒng)中存在有較低的強度接觸面時，垃圾填埋體可能作為一個整體單元發(fā)生平移滑動。

某山谷型垃圾填埋場庫區(qū)垃圾堆體歷時最長時間為12 年，一庫區(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70°～80°，二庫區(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)粘土及強風化泥頁巖，非軟弱地基，一庫區(qū)及二庫區(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一庫區(qū)及二庫區(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)狀一庫區(qū)及二庫區(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有滲濾液溢出現(xiàn)象，一庫區(qū)及二庫區(qū)主壩最可能發(fā)生壩坡的滑移破壞。

3 穩(wěn)定性分析說明

3.1 垃圾堆體穩(wěn)定性分析說明

根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(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重性等因素，按照表2 確定安全等級。

表2 垃圾堆體邊坡工程安全等級

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

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

根據(jù)現(xiàn)場實際地形情況，一庫區(qū)及二庫區(qū)分別選擇三個典型斷面進行穩(wěn)定性計算，典型計算斷面平面位置見圖2。

圖2 典型計算斷面平面位置

3.2 垃圾壩穩(wěn)定性分析說明

一庫區(qū)主壩建筑級別屬Ⅱ級，二庫區(qū)主壩建筑級別屬Ⅰ級。填埋場目前未繼續(xù)堆填垃圾，準備封場，本次壩體應(yīng)驗算封場穩(wěn)定期穩(wěn)定性。其中一庫區(qū)主壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.20；二庫區(qū)主壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.25[5]。

本次計算采用理正巖土6.5PB4 版軟件計算，選用Bishop 法計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)的最危險滑裂面，各巖土層物理力學性質(zhì)指標取值見表1。因庫區(qū)內(nèi)垃圾堆體滲濾液水位較高，一庫區(qū)及二庫區(qū)壩體位置庫底防滲膜局部區(qū)域已破壞，現(xiàn)狀一庫區(qū)主壩及二庫區(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有滲濾液溢出現(xiàn)象，計算考慮壩體水位基本平壩頂面標高，并考慮滲流條件。

根據(jù)現(xiàn)場實際地形及壩體設(shè)計情況，一庫區(qū)主壩及二庫區(qū)主壩分別選擇典型斷面Ⅱ及Ⅴ進行穩(wěn)定計算，計算斷面平面位置見圖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)理正巖土軟件計算，一庫區(qū)及二庫區(qū)垃圾堆體在正常運行條件工況下及非常運用條件Ⅰ工況下滑動安全系數(shù)結(jié)果見表4、表5。

表4 一庫區(qū)垃圾堆體穩(wěn)定性分析結(jié)果

表5 二庫區(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)理正巖土軟件計算：一庫區(qū)主壩滑動安全系數(shù)K=1.354＞1.20，二庫區(qū)主壩滑動安全系數(shù)K=1.305＞1.25。

5 結(jié)論

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

（1） 一庫區(qū)垃圾堆體邊坡穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，目前處于不安全或臨界狀態(tài)，二庫區(qū)垃圾堆體邊坡穩(wěn)定性滿足規(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到滲濾液存在，另一庫區(qū)垃圾堆體邊坡總體高度達60 m，整體坡度約40°～50°，局部坡度可達約80°，二庫區(qū)垃圾堆體邊坡總體高度達40 m，局部坡度過大，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、陡坡狀態(tài)，堆體邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)，庫區(qū)應(yīng)及時抽排滲濾液并進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） 一庫區(qū)主壩及二庫區(qū)主壩抗滑穩(wěn)定性雖然滿足規(guī)范要求，但安全系數(shù)較小，壩體穩(wěn)定性一般，因庫區(qū)內(nèi)垃圾堆體滲濾液水位較高，一庫區(qū)及二庫區(qū)壩體位置庫底防滲膜局部區(qū)域已破壞，現(xiàn)狀一庫區(qū)主壩及二庫區(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有滲濾液溢出現(xiàn)象，滲濾液長期滲透進壩體，嚴重會發(fā)生滲流出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，危害壩體穩(wěn)定性，庫區(qū)應(yīng)及時抽排滲濾液，減少垃圾堆體內(nèi)滲濾液量，降低滲濾液面水位，對壩體進行加固處理，填埋場封場穩(wěn)定后應(yīng)加強對壩體穩(wěn)定、變形及滲漏等的監(jiān)測工作。