鄺溯琳，梁麗華，刁智俊

(1.北京海淀區(qū)六里屯垃圾填埋場，北京100094;2.西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127)

目前中國有超過80%的城市垃圾采用厭氧填埋處置［1］。填埋場的環(huán)庫圍堤和垃圾堆積體進行堆積作業(yè)時，每填筑一層，壩體都會受力而產生變形及沉降，發(fā)生位移變化。1988年高達27 m的Kettleman Hills垃圾填埋場出現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)，側向位移達10.6 m，垂直位移達4.2 m［2］。美國的 Cincinnati填垃圾填埋場、巴西的 Dona Juana垃圾填埋場［3］、重慶涼楓婭垃圾場都發(fā)生過滑坡。填埋場失穩(wěn)破壞，除可能埋沒村莊造成人員傷亡財產損失，污染物泄漏的后果更加嚴重。通過應力變形分析，可以分析判斷壩體受力產生的變形情況，以進一步判斷壩體的穩(wěn)定性。Jones等人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的極限平衡分析不能被用來評估垃圾填埋場的局部失穩(wěn)，而數(shù)值模擬技術(FLAC有限差分程序)可以被用來評價局部失穩(wěn)［4］。本文基于施工圖設計和現(xiàn)場情況對北京某填埋場壩體進行應力場原位分析和變性分析，在此基礎上根據(jù)其發(fā)生的為變化量對壩體進行穩(wěn)定性分析。

1 填埋場環(huán)庫圍堤與分區(qū)堤壩

根據(jù)垃圾填埋場初步設計方案和施工圖，堆體每10 m標高分為兩個填埋作業(yè)階段，每層填埋作業(yè)高度為6 m，理論填埋作業(yè)高度為12 m。每到6 m為一階段。目前，環(huán)庫圍堤高度為3 m，垃圾堆體已經填埋至6 m左右，下一階段準備在環(huán)庫圍堤上加高3 m，達到設計要求的6 m。圍堤頂寬3 m，環(huán)庫圍堤外邊坡為1:2.5，內坡為1:1，使用黃土堆筑，分層碾壓，壓實系數(shù)不低于0.95。環(huán)庫圍堤與垃圾接觸面及外側鋪設HDPE防滲膜(2 mm厚，雙糙面)。

6～12 m層分區(qū)堤壩分段完成，做法同環(huán)庫圍堤，分區(qū)堤壩和環(huán)庫圍堤共同形成填埋分區(qū)。分區(qū)堤壩6 m一層，頂寬25、30 m(見圖1～圖3)。

圖1 環(huán)庫圍堤

2 填埋場壩體應力變形分析

基于施工圖設計和現(xiàn)場情況對壩體進行應力變形分析，分析軟件采用加拿大開發(fā)的geostudio 2007程序。進行分析采用的計算模型依據(jù)初步設計和現(xiàn)場情況建立，共分為4層填筑，每層填筑高度為3 m。由于該垃圾填埋區(qū)為平地形，四周環(huán)庫筑壩填埋，因此為了便于計算分析，計算模型取整個計算區(qū)域的一半，并且每層填筑的環(huán)庫圍堤和垃圾產生的荷載同時加載到下一層上，以此來分析每層填筑后產生的變形。分析模型按照初步設計施工圖要求的0～12 m層高設置，每層3 m，共設置4層(模型見圖4)。由于環(huán)庫圍堤從地面以上堆筑，地下下挖26 m填埋垃圾，根據(jù)工勘報告，垃圾所產生滲濾液埋深較深，因此在對環(huán)庫圍堤和垃圾土進行分析時，不考慮濾液對地表以上壩體和垃圾堆積體的影響。

圖2 垃圾填埋區(qū)

圖3 垃圾土填埋

圖4 分析計算模型

2.1 計算選用參數(shù)

對分析模型進行應力變形分析所選用的參數(shù)來源于類似工程和其他參考文獻提供數(shù)據(jù)，各土層力學性質表見表1。

表1 力學參數(shù)表

2.2 計算方法及材料類型

本次應力變形分析采用的計算方法是總應力法，在計算應力變形之前，首先要進行應力場原位分析，原位分析采用線彈性材料類型。原位分析完成后，進行變性分析采用雙曲線非線性塑性類型。

2.3 計算結果

根據(jù)以上計算方法和材料參數(shù)選擇，原位計算結果如圖5、圖 6。

圖5 原位分析計算結果

圖6 Y方向應力與位移變化曲線

根據(jù)基礎層重度和泊松比與K0之間的關系可知，原位分析基礎層低端所產生的應力為485 KP，從圖6可知，計算結果符合實際要求。

依據(jù)原位分析的計算結果，進行應力應變分析，分析結果如圖7～圖16。

圖7 填筑第一層后變形圖

圖8 填筑第二層后變形圖

圖9 填筑第三層后變形圖

圖10 填筑第四層后變形圖

根據(jù)以上計算結果分析，隨著堆填體的加高，在Y方向產生的應力逐漸增大，填筑第一層所產生的最大位移為0.08 m，填筑第二層所產生的最大位移為0.1715 m，填筑第三層所產生的最大位移為0.266 m，填筑第四層所產生的最大位移為0.362 m，隨著堆填體的增高，最大位移將不斷增大。從X和Y方向發(fā)生的位移變化看，對邊坡變形影響貢獻較大的為垂直位移。

在應力變形分析的基礎上，根據(jù)其發(fā)生的為變化量對壩體進行穩(wěn)定性分析，分析過程采用總應力法，依據(jù)摩爾庫倫準則，不考慮滲濾液對其影響。

圖11 填筑第一層應力分布圖

圖12 填筑第二層應力分布圖

圖13 填筑第三層應力分布圖

圖14 填筑第四層應力分布圖

圖15 分層填筑后Y方向位移變化量

圖16 分層填筑后X方向位移變化量

圖17 第四層填筑完成后穩(wěn)定性分析圖(瑞典法)

圖18 第四層填筑完成后穩(wěn)定性分析圖(畢肖普)

根據(jù)穩(wěn)定性計算結果，采用瑞典圓弧法計算，安全系數(shù)Fs=2.939;采用畢肖普法，安全系數(shù) Fs=3.000，壩體的安全系數(shù)較大，能夠滿足規(guī)范要求，壩體穩(wěn)定。

3 結論及建議

3.1 結論

通過垃圾填埋場環(huán)庫圍堤和垃圾填埋土應力應變分析和壩體穩(wěn)定性分析的結果可知，按照初步設計方案堆筑的0～12 m壩體在發(fā)生應力變形后壩體的穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求，能夠正常運行。

3.2 建議

(1)由于本次數(shù)值模擬所選用參數(shù)來源于類似工程以及相關文獻，建議企業(yè)在壩體堆高到1/2～2/3處時，進行工程地質勘察，獲取相關資料和參數(shù)，再次進行壩體應力變形分析和穩(wěn)定性分析，以確保壩;

(2)環(huán)庫圍堤的堆筑應嚴格按照設計要求的壓實度進行壓實，壓實系數(shù)不得小于95%。

(3)垃圾填埋區(qū)進行12～24 m填埋時，建議企業(yè)聘請有資質的設計單位進行12～24 m填埋設計。

(4)建議在填埋區(qū)設置安全警示標志。

(5)建議在環(huán)庫圍堤和分區(qū)壩上設置壩體沉降在線觀測設施，監(jiān)測壩體的日常沉降變化，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可及時處理。

［1］Guangxia Qi，Dongbei Yue，Jianguo Liu，Rui Li.Impact as sessment of interm ediate soil cover on landfill stabilization by characterizing landfilled municipal solid waste［J］.Journal of Environmental Management，2013，128:259 －265.

［2］Arthur L.Moss.Interfacial shear strength of geosynthetics using the cylinder direct shear test［D］.Utah State University:UMI Company，1999.

［3］馮世進.城市固體廢棄物靜動力強度特性及填埋場的穩(wěn)定性分析［D］.杭州:浙江大學.2005.

［4］D.R.V.Jones，N.Dixon.Landfill lining stability and integrity:the role of waste settlement［J］.Geotextiles and Geomembranes，2005 ，23:27－53.