基于有限元的垃圾填埋場壩體穩(wěn)定性分析
——以陽東船尾石垃圾填埋場為例

施澤益

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司；廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司，廣東廣州 510500）

0 引言

垃圾填埋是我國處理生活垃圾的主要方式之一。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市產(chǎn)生的生活垃圾越來越多，對垃圾填埋場的需求也越來越大。然而近年來在生活垃圾填埋場中，因壩體設(shè)計不科學(xué)、垃圾填埋作業(yè)不規(guī)范等原因，導(dǎo)致潰壩、壩體滲漏的事故時有發(fā)生，給周邊的環(huán)境和影響區(qū)內(nèi)的建筑和人員安全產(chǎn)生了很大的威脅。隨著社會關(guān)注度的提升有關(guān)部門也出臺了關(guān)于生活垃圾填埋場的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，因此，準(zhǔn)確評估垃圾填埋場壩體的穩(wěn)定性具有重大的意義。

有限元分析法是一種強(qiáng)大的數(shù)值計算方法，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，在邊坡穩(wěn)定性定量分析方面，比極限平衡法準(zhǔn)確性更高[3-4]。GTSNX 是Midas 系列軟件之一，是一款利巖土有限元分析軟件，其基于強(qiáng)度折減法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，考慮了巖土體的非線性本構(gòu)關(guān)系，其計算結(jié)果不僅能以云圖的形式直觀反映失穩(wěn)邊坡滑動面的位置，還能以動畫的形式反映滑動面的形成、發(fā)展、貫通情況。因此，本文以陽東船尾石垃圾填埋場為工程背景，通過Midas-GTS 軟件對填埋場壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為類似條件的壩體穩(wěn)定性分析提供參考。

1 垃圾填埋場壩體實例分析

1.1 工程概況

垃圾填埋場填埋區(qū)是由三面環(huán)山的畦地和以土質(zhì)材料填筑的堤壩構(gòu)成的填埋庫，該堤壩在本項目稱之為庫壩。填埋場總用地面積107879m2，壩體填筑體為場地內(nèi)的人工填土層。壩長約150m，壩頂寬8.0m，壩高約8.0m，壩頂高程約28.5m，迎水坡比約1∶2，壩后坡比約1∶2，填埋庫區(qū)容積為79 萬m3。擋壩已運(yùn)行5 年，壩體下游存在生產(chǎn)設(shè)備和生活管理區(qū)，且有沈海高速從壩體場區(qū)南側(cè)通過，一旦失事將會造成嚴(yán)重?fù)p失。

根據(jù)勘察報告，壩體土層分布如下。

1.1.1 人工填土層（Q4ml）

場地內(nèi)的人工填土層為壩體填筑體，依據(jù)成分組成的集中性，把壩體填土劃分為①1混凝土層和①2素填土。

1.1.2 殘積層（Qel）

②砂質(zhì)黏性土呈黃褐、灰褐色，可塑～硬塑，局部堅硬，土質(zhì)粗糙，土體具弱黏性，干強(qiáng)度中等，以粉黏粒為主，含較多石英砂粒，巖芯手捏易散、浸水易軟化、崩解，擾動后呈砂粒狀，由下伏花崗巖風(fēng)化殘積而成。

1.1.3 基巖及風(fēng)化帶（γ52-3）

場區(qū)內(nèi)的下伏基巖為燕山三期（γ52-3）花崗巖，為硬質(zhì)巖石。

1.2 壩體計算剖面

應(yīng)選取壩體的最不利剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計算，現(xiàn)狀填埋狀態(tài)剖面圖如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)狀填埋狀態(tài)剖面（單位：m）

此外，由于垃圾場還未達(dá)到最大容量，還需對設(shè)計終場狀態(tài)進(jìn)行壩體穩(wěn)定性驗計算。當(dāng)達(dá)到設(shè)計終場狀態(tài)時，庫區(qū)垃圾自南向北以1∶3 的坡率堆積，垃圾堆填以10m 為一級，級間設(shè)置5m 寬平臺。設(shè)計終場狀態(tài)垃圾堆填剖面圖如圖2 所示。

圖2 設(shè)計終場狀態(tài)剖面（單位：m）

1.3 參數(shù)選取

經(jīng)過反復(fù)試算對比模型尺寸對計算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)1/5H 的外擴(kuò)距離可基本消除模型邊界對計算結(jié)果的影響。計算模型除坡面外均外擴(kuò)不小于1/5H（H 為坡高）。

1.3.1 材料本構(gòu)及網(wǎng)格劃分

邊坡各剖面的計算分析屬于平面應(yīng)變問題，土體的本構(gòu)選擇摩爾-庫倫模型[5-6]，可以更符合實際地描述土體材料的屈服特性，也更方便實際工程的應(yīng)用。另外，不同土層需進(jìn)行單獨(dú)的網(wǎng)格劃分，對壩體和壩體附近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行加密使得模擬結(jié)果更加精確。

1.3.2 土層參數(shù)

垃圾擋壩區(qū)域內(nèi)巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 垃圾擋壩穩(wěn)定計算巖土物理力學(xué)參數(shù)

1.3.3 邊界條件

靜力計算將坡面設(shè)置成自由邊界，模型底部為固定邊界條件，模型的側(cè)邊界為法向約束邊界。動力計算在水平方向上采用自由場邊界，在模型底部采用靜態(tài)粘滯邊界，用以消除應(yīng)力波在邊界上的反射效應(yīng)。

1.3.4 分析工況

分析工況包含正常運(yùn)行條件、飽水條件以及地震條件3 種工況。現(xiàn)狀運(yùn)行水位在壩頂以下約1.5m 的位置。當(dāng)垃圾填埋量達(dá)設(shè)計終場量時，以滲濾液警戒水位h/H（滲濾液水位與垃圾填埋高度之比）等于0.6 為飽和工況時的水位高度進(jìn)行計算。

場區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，本場地的場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期定為0.35s。

1.4 計算結(jié)果

1.4.1 現(xiàn)狀填埋正常運(yùn)行工況

極限狀態(tài)下有效塑性應(yīng)變發(fā)展區(qū)域由下往上貫通壩體，有效塑性應(yīng)變發(fā)展如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)狀填埋正常運(yùn)行工況模擬結(jié)果

1.4.2 現(xiàn)狀填埋飽水工況

極限狀態(tài)下有效塑性應(yīng)變發(fā)展區(qū)域由下往上貫通壩體，有效塑性應(yīng)變發(fā)展如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)狀填埋飽和工況模擬結(jié)果

1.4.3 現(xiàn)狀填埋地震工況

在地震工況作用下有效塑性應(yīng)變區(qū)由填土層向壩體發(fā)展，有效塑性應(yīng)變區(qū)如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)狀填埋地震工況模擬結(jié)果

1.4.4 設(shè)計終場正常運(yùn)行工況

有效塑性應(yīng)變區(qū)域由壩底填土層向垃圾頂部發(fā)展，有效塑性應(yīng)變區(qū)如圖6 所示。

圖6 設(shè)計終場正常運(yùn)行工況模擬結(jié)果

1.4.5 設(shè)計終場飽水工況

有效塑性應(yīng)變區(qū)域由壩底填土層向垃圾頂部發(fā)展，有效塑性應(yīng)變區(qū)如圖7 所示。

圖7 設(shè)計終場飽水工況模擬結(jié)果

1.4.6 設(shè)計終場地震工況

有效塑性應(yīng)變區(qū)域由壩底填土層向垃圾頂部發(fā)展，有效塑性應(yīng)變區(qū)如圖8 所示。

圖8 設(shè)計終場地震工況模擬結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場勘察報告、監(jiān)測結(jié)果，本項目對應(yīng)選取了壩體Z1-Z1′、Z2-Z2′、Z3-Z3′3 個典型斷面如圖9 所示。

圖9 斷面位置

根據(jù)選取的斷面位置建立了3 個剖面的數(shù)值模型，對該項目3 個剖面的有限元模擬驗算包含了現(xiàn)狀填埋和設(shè)計終場垃圾填埋兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)包括正常運(yùn)行工況、飽水工況、地震工況3 種工況，一共建立18 個二維有限元計算模型，現(xiàn)狀填埋狀態(tài)安全系數(shù)匯總?cè)绫? 所示。

表2 現(xiàn)狀填埋狀態(tài)安全系數(shù)匯總

2 結(jié)論

按照行業(yè)規(guī)范《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范》（GB 50869—2013）判定該垃圾擋壩的級別為Ⅰ級。即壩體在填埋作業(yè)期的穩(wěn)定安全系數(shù)Fst 為1.20，在地震工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)Fst 為1.15。根據(jù)計算結(jié)果所得結(jié)論如下。

（1）現(xiàn)狀擋壩3 個典型剖面正常工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.65，大于規(guī)范要求的1.20；飽水工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.35，大于規(guī)范要求的1.15；地震工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.20，大于規(guī)范要求的1.15，綜合評估現(xiàn)填埋狀態(tài)下該垃圾擋壩處于相對安全的狀態(tài)。

（2）設(shè)計終場垃圾填埋狀態(tài)下，3 個剖面正常工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.47，大于規(guī)范要求的1.20；飽水工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.20，大于規(guī)范要求的1.15；地震工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.16，大于規(guī)范要求的1.15，綜合評估設(shè)計終場垃圾填埋狀態(tài)下該垃圾擋壩處于相對安全的狀態(tài)。