侯瑜京，彭 仁，張雪東，王 存，梁建輝，賈程宏

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100176；3.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100091）

垃圾土邊坡失穩(wěn)離心模擬試驗(yàn)研究

侯瑜京1，彭 仁2，張雪東1，王 存3，梁建輝1，賈程宏1

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100176；3.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100091）

垃圾圍城現(xiàn)象在中國(guó)十分明顯，其潛在的危害是在極端氣候和環(huán)境條件下，由于強(qiáng)降雨和滲濾液回灌引起有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致填埋體發(fā)生滑坡，甚至演化為流滑現(xiàn)象。本文根據(jù)中國(guó)城市垃圾土的特點(diǎn)，配置了垃圾土試樣并制作模型，采用大型土工離心機(jī)針對(duì)不同齡期的垃圾土邊坡在多種工況組合條件下進(jìn)行了模型試驗(yàn)。為了使模型邊坡在高加速度場(chǎng)下達(dá)到破壞，開(kāi)發(fā)了變角度模型箱。在離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整模型箱的角度來(lái)增加邊坡的坡度，直至垃圾土邊坡模型達(dá)到破壞。試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)監(jiān)測(cè)模型變形，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了垃圾土邊坡變形及失穩(wěn)的一般性規(guī)律。本文同時(shí)給出一種離心模擬試驗(yàn)中模型邊坡安全儲(chǔ)備的估算方法。

離心模擬；變角度模型箱；垃圾土；邊坡失穩(wěn)；滲濾液

1 研究背景

根據(jù)《中國(guó)環(huán)境發(fā)展報(bào)告（2011）》對(duì)全國(guó)31個(gè)省會(huì)城市及直轄市調(diào)研結(jié)果，我國(guó)垃圾年均增長(zhǎng)率超過(guò)10%，每年產(chǎn)生近1.5億t城市垃圾，累積堆存量已達(dá)70億t。全國(guó)超過(guò)三分之一的城市處在垃圾“包圍”之中，城市垃圾量的增長(zhǎng)勢(shì)頭很難遏止，有四分之一的城市已沒(méi)有合適場(chǎng)所堆放垃圾。垃圾的直接危害包括污染大氣、污染地下水、污染土壤和影響景觀等，其潛在的危害還包括其滋生的蚊蟲傳播疾病，而且在極端氣候和環(huán)境條件下，由于強(qiáng)降雨及滲濾液回灌等可能引起的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)重分布，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)變漸進(jìn)演化，并最終誘發(fā)填埋體發(fā)生滑坡。

由于垃圾土的原始成分比較復(fù)雜，因此其物理力學(xué)性質(zhì)變幅很大，其容重不僅與它的組成成分和含水率有關(guān)，而且隨填埋時(shí)間和所處深度而變化。根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］整理結(jié)果，垃圾土容重范圍為3.0～14.4 kN/m3。垃圾土樣含水率主要與下列因素有關(guān)：垃圾土的原始成分、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、填埋場(chǎng)運(yùn)用方式、滲濾液收集與排放系統(tǒng)的效用、填埋場(chǎng)內(nèi)生物降解過(guò)程中產(chǎn)生的水氣數(shù)量等，因此其數(shù)據(jù)離散性更大?？紫堵识x為固體廢棄物孔隙體積與總體積之比。根據(jù)垃圾土的成分和壓實(shí)程度，其孔隙率約為40%～52%，比一般壓實(shí)黏土襯墊的孔隙率（約40%）要高。垃圾土中常含有大量滲濾液，滲濾液可由固廢自重或荷載擠壓產(chǎn)生，也可由外部水透過(guò)填埋場(chǎng)的固體廢棄物產(chǎn)生。滲透水的來(lái)源可能是降雨、灌溉、地下水或填埋場(chǎng)內(nèi)部再循環(huán)的滲濾液。在我國(guó)，由于城市生活垃圾組分中廚余垃圾含量較高，常會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液。當(dāng)滲濾液導(dǎo)排層於堵，長(zhǎng)期導(dǎo)排不暢，易造成填埋場(chǎng)中滲濾液水位壅高，這對(duì)填埋體邊坡的穩(wěn)定是極大挑戰(zhàn)。調(diào)查表明，現(xiàn)有建成的填埋場(chǎng)中很多都存在滲濾液水位壅高的問(wèn)題。例如，2008年深圳下坪填埋場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示滲濾液水位埋深2 m，在局部區(qū)域甚至有滲濾液溢出，并引發(fā)裂縫和滑坡。因此，研究高水位填埋場(chǎng)的變形特征與失穩(wěn)模式很有必要。

垃圾土壓縮變形的機(jī)理主要有①物理壓縮：同普通土體的壓縮機(jī)理相同；②錯(cuò)動(dòng)：垃圾填埋場(chǎng)中的細(xì)顆粒向大孔隙或洞穴中運(yùn)動(dòng)；③流變特性和固結(jié)；④物理化學(xué)變化：廢棄物因腐蝕、氧化和燃燒作用引起的質(zhì)變及體積減小；⑤有機(jī)物的生化分解：垃圾中的有機(jī)物因好氧和厭氧分解所引起的質(zhì)量和體積的減少。填埋體沉降量受眾多因素影響，主要包括：垃圾填埋層及覆土層的初始密度或孔隙比、垃圾中可分解成分的含量、填埋高度、覆蓋壓力及應(yīng)力歷史、淋濾液水位及其漲落，以及其它的環(huán)境因素如：垃圾的含水率、溫度以及填埋體內(nèi)的氣體或由垃圾所產(chǎn)生的氣體等。

詹良通等［3］曾對(duì)深圳市下坪固體廢棄物填埋場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)，對(duì)場(chǎng)底襯墊系統(tǒng)及垃圾堆體的穩(wěn)定性進(jìn)行了觀測(cè)研究。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，雨季期間滲濾液水位顯著升高，地表水平位移速率相應(yīng)增大，表明降雨條件下填埋體內(nèi)的滲濾液水位上升，填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性大大降低。2000年菲律賓馬尼拉一個(gè)垃圾填埋場(chǎng)因連續(xù)降雨發(fā)生滑塌，2002年6月重慶沙坪壩區(qū)涼風(fēng)埡垃圾填埋場(chǎng)因暴雨而滑塌，以及杭州天子嶺垃圾滑移等邊坡失穩(wěn)事故，都和降雨引起滲濾液升高直接相關(guān)。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用不同的試驗(yàn)方法和分析手段對(duì)城市固體廢棄物的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究［4-5］，主要分為三大類：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、邊坡和荷載試驗(yàn)的反分析。Mccreanor等［6］建議在實(shí)際工程應(yīng)用中，在缺少參數(shù)的情況下，可按照應(yīng)力條件選取合適的強(qiáng)度參數(shù)值。

目前，離心模型試驗(yàn)研究技術(shù)成為環(huán)境巖土工程研究的重要手段。土工離心模型試驗(yàn)是將原型構(gòu)筑物按幾何比尺縮小，經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化制成模型，放在離心機(jī)吊籃中，調(diào)整離心機(jī)加速度，可以使模型中的應(yīng)力場(chǎng)與原型相同，因此可以再現(xiàn)原型特性，較真實(shí)地顯示出土體變形或破壞的全過(guò)程。Jessberger等［2］為了研究垃圾填埋體失穩(wěn)破壞的機(jī)理，利用離心機(jī)對(duì)1～3年齡期的垃圾土進(jìn)行了研究。模型試樣安裝完成后，啟動(dòng)離心機(jī)使試樣固結(jié)，再把試樣削成90o和70o邊坡，發(fā)現(xiàn)填埋體內(nèi)形成了滑裂面，破壞形式與一般土體相似，但是此刻發(fā)生了較大變形，即判斷填埋體的破壞特性應(yīng)以變形特征參數(shù)作為判斷依據(jù)。Thusyanthan等［7-8］也探討了固廢垃圾的模擬方法并開(kāi)展了離心機(jī)模型試驗(yàn)。

本文采用大型土工離心機(jī)，系統(tǒng)研究了不同齡期垃圾填埋體在不同工況下的典型失穩(wěn)演化過(guò)程，從而揭示了垃圾土邊坡發(fā)生失穩(wěn)的條件及其漸進(jìn)演化機(jī)制。垃圾填埋體雖然有別于一般的巖土材料，但其變形和穩(wěn)定主要仍是垃圾材料重力作用的結(jié)果，因此離心模型試驗(yàn)的相似率大部分仍然適用，本項(xiàng)研究工作給出了部分物理量的離心模擬相似關(guān)系。

2 模型試驗(yàn)準(zhǔn)備

在離心模型試驗(yàn)中，要求模型滿足幾何相似條件，應(yīng)力和模型材料與原型相同，從而保持模型和原型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的一致性。確定相似比尺是離心模型試驗(yàn)正確模擬原型的關(guān)鍵，通常需要考慮所模擬結(jié)構(gòu)物的尺寸和研究重點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)綜合考慮離心機(jī)的容量、模型箱尺寸和最大加速度等指標(biāo)。對(duì)于離心模擬垃圾填埋場(chǎng)，涉及到的主要比尺關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 離心模型試驗(yàn)中常用物理量相似準(zhǔn)則

試驗(yàn)采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院LXJ-4-450型土工離心機(jī)（見(jiàn)圖1），最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑5.03 m，最大加速度300 g，有效負(fù)載1.5 t，有效荷載容量450 g-t。試驗(yàn)吊籃尺寸為1.5 m×1.0 m×1.5 m。為研究填埋體整體失穩(wěn)的觸發(fā)機(jī)制，試驗(yàn)采用了可在離心機(jī)吊籃中使用的變角度模型箱及傳動(dòng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型箱，增加填埋體邊坡坡度，直至產(chǎn)生整體失穩(wěn)，以便研究觸發(fā)填埋體整體失穩(wěn)的影響因素。模型箱內(nèi)部尺寸568 mm×342 mm×308 mm（長(zhǎng)×寬×高），最大傾斜角度75°，轉(zhuǎn)動(dòng)速率可調(diào)，試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為1.4°/min。該系統(tǒng)可在離心加速度50 g下運(yùn)行。

圖1 LXJ-4-450型土工離心機(jī)

圖2 傾斜模型傳動(dòng)裝置及模型箱

由于固體廢棄物成分復(fù)雜、顆粒粒徑差別較大，且具有明顯的各向異性，采用真實(shí)垃圾土做模型試樣，試驗(yàn)重復(fù)性較差，且對(duì)試驗(yàn)人員的健康也有害。因此，有學(xué)者提出采用一定的配方配制垃圾土，如Thusyanthan等［7］人采用泥煤、高嶺土以及砂土等按一定比例混合，使其在物理力學(xué)性質(zhì)上，如容重、壓縮性、抗剪強(qiáng)度以及動(dòng)力特性方面與真實(shí)垃圾土盡量接近。不同國(guó)家和地區(qū)的垃圾土成分差別很大，中國(guó)的城市生活垃圾，廚房垃圾部分所占比例較高，導(dǎo)致其體積含水率比國(guó)外高出許多。朱斌等［9］對(duì)國(guó)內(nèi)垃圾的特殊性進(jìn)行了研究，提出了垃圾土的配制方法，主要選用水、草炭、高嶺土以及福建標(biāo)準(zhǔn)砂，按不同配比配制不同齡期垃圾土。試驗(yàn)采用的垃圾土控制參數(shù)如表2所示。

表2 固廢垃圾土配比

對(duì)于人工配制垃圾土進(jìn)行了土工試驗(yàn)，通常中齡期垃圾土的密度較小，含水率較大；高齡期垃圾土密度略有增加而含水率有所減少。垃圾土試樣的基本物理力學(xué)特性指標(biāo)見(jiàn)表3。實(shí)際上垃圾土的容重變化幅度很大，由于它的原始成分本來(lái)就比較復(fù)雜，又受處置方式和環(huán)境條件的影響。其容重不僅與它的組成成分和含水率有關(guān)，而且隨填埋時(shí)間和所處深度而變化。大多數(shù)填埋場(chǎng)均對(duì)固體廢棄物進(jìn)行適度壓實(shí)，經(jīng)過(guò)壓實(shí)后的垃圾土，平均濕容重取值范圍為9.4～11.8 kN/m3。可以看到離心模擬試驗(yàn)中采用的中齡期垃圾土與之比較接近。

表3 垃圾土試樣的物理力學(xué)特性指標(biāo)

試驗(yàn)給出［10］模型垃圾土比重為2.29。中齡期垃圾土樣，飽和浸水壓縮試驗(yàn)，在0.1～0.2 MPa壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)a1-2為0.551～1.495 MPa-1之間，屬于高壓縮性土；在試驗(yàn)控制濕密度下，垃圾土樣的滲透系數(shù)是10-3～10-5cm/s量級(jí)，垃圾土樣屬中等透水～微透水，制樣濕密度對(duì)滲透系數(shù)影響較大。測(cè)定垃圾土樣在不同濕密度，飽和固結(jié)排水試驗(yàn)條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，有效摩擦角Φd在18.6°～28.5°之間，凝聚力Cd在0～16.9 kPa之間。

3 填埋體邊坡離心模型試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)制作及試驗(yàn)步驟試驗(yàn)分別考慮不同形狀的固廢填埋場(chǎng)邊坡。模型高度200 mm，設(shè)計(jì)采用離心機(jī)加速度40 g，從而可以模擬原型8 m高的垃圾土邊坡。填埋場(chǎng)邊坡模型A布置如圖3所示，邊坡坡角為70°，分別對(duì)中齡期和高齡期垃圾土模型（模型AM70和模型AH70）進(jìn)行了試驗(yàn)比較；對(duì)于模型B，主要針對(duì)中齡期垃圾土，采用不同的邊坡組合型式，設(shè)填埋場(chǎng)山谷坡度均為45°，垃圾土邊坡的坡度分別采用40°、60°及70°（分別為模型BM40、BM60、BM70），簡(jiǎn)化后的模型布置如圖4所示。以上模型均采用旋轉(zhuǎn)模型箱進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)離心機(jī)加速度達(dá)到40 g時(shí)，如果模型沒(méi)有發(fā)生破壞，則通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型箱加大模型邊坡的角度，直到邊坡發(fā)生明顯裂縫或滑動(dòng)破壞。為防止模型垃圾土沿模型箱底部滑動(dòng)，采用在模型箱底鋪設(shè)粘貼1 mm厚度的土工膜，膜上用強(qiáng)力膠水粘貼標(biāo)準(zhǔn)砂，通過(guò)界面直剪儀測(cè)試，通過(guò)控制用砂量使摩擦角在25°左右，近似模擬原型垃圾填埋場(chǎng)的復(fù)合襯墊系統(tǒng)。

圖3 背坡直立條件下垃圾土邊坡模型布置

圖4 組合邊坡（背坡角度45°）垃圾土模型布置

模型底部埋置土壓力傳感器，模型頂面裝有激光位移傳感器以測(cè)量頂面沉降變形值。模型箱透明側(cè)壁方向裝有高速攝像頭，對(duì)整個(gè)變形失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行拍攝錄制，結(jié)合PIV技術(shù)，可分析整個(gè)過(guò)程模型垃圾體的位移場(chǎng)變化［11-12］。

為了研究滲濾液回灌條件下邊坡的破壞特性，設(shè)計(jì)了模型CH70，其基本初始條件與模型AH70完全相同。首先在模型CH70中，沿模型箱側(cè)面緩緩?fù)ㄈ爰儍羲M垃圾土中的滲濾液，使水位高度達(dá)到50 mm，即達(dá)到填埋場(chǎng)高度的1/4。此時(shí)啟動(dòng)離心機(jī)，觀測(cè)模型的變形，當(dāng)模型邊坡明顯破壞時(shí)，記錄破壞時(shí)的加速度。所有垃圾土邊坡模型試驗(yàn)編號(hào)和模型布置示意圖見(jiàn)表4。

表4 垃圾土邊坡模型試驗(yàn)編號(hào)和模型布置

試驗(yàn)步驟如下：按預(yù)定密實(shí)度分層夯實(shí)垃圾土至水平高度，模型制作過(guò)程中安裝傳感器。然后按照設(shè)計(jì)的坡度進(jìn)行削坡。模型制作完成后調(diào)入離心機(jī)吊蘭，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，啟動(dòng)離心機(jī)至設(shè)計(jì)加速度，待模型變形基本穩(wěn)定后，開(kāi)始啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)模型箱，增加邊坡坡度，直到垃圾體內(nèi)出現(xiàn)明顯滑動(dòng)面后停機(jī)，同時(shí)記錄停機(jī)時(shí)刻旋轉(zhuǎn)模型箱的角度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析各類邊坡的破壞形態(tài)比較復(fù)雜，受模型箱側(cè)壁摩擦影響，滑坡形態(tài)通常呈現(xiàn)三維變化形態(tài)，試驗(yàn)分析中則主要考慮中心軸線的斷面形態(tài)。每次試驗(yàn)結(jié)束后，均對(duì)裂縫的位置、寬度和邊坡角度等進(jìn)行量測(cè)，各模型邊坡失穩(wěn)時(shí)的邊坡角度見(jiàn)表5。

表5 各類模型邊坡失穩(wěn)角度一覽

本試驗(yàn)中模型邊坡的安全系數(shù)F與以下參數(shù)有關(guān)：模型材料的物理力學(xué)性質(zhì)、模型斷面幾何形狀和尺寸、邊界條件以及其他特征參數(shù)。假設(shè)破壞時(shí)的安全系數(shù)Ff≤1，通過(guò)穩(wěn)定計(jì)算很容易得到模型在發(fā)生初始破壞時(shí)的安全系數(shù)接近1，采用同樣的計(jì)算參數(shù)和方法，可以得到模型在初始情況下的安全系數(shù)Fi，二者之差以百分比表示，便可以作為模型在破壞前的安全儲(chǔ)備Sc。

利用軟件GeoStudio中的邊坡分析子功能，參照表1的基本物理力學(xué)參數(shù)，取中齡期垃圾土的濕容重為11.9 kN/m3，老齡期的濕容重為16.0 kN/m3，得到安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果和安全儲(chǔ)備見(jiàn)表5?？梢钥吹綄?duì)于中齡期垃圾土模型AM70，模型初始邊坡角度為70°，通過(guò)離心模擬試驗(yàn)得到破壞時(shí)的邊坡坡度為83°，根據(jù)此時(shí)的模型幾何形態(tài)，對(duì)凝聚力強(qiáng)度參數(shù)在合理試驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，計(jì)算得到模型在破壞時(shí)的安全系數(shù)為0.99，對(duì)應(yīng)初始狀態(tài)模型的安全系數(shù)為1.30，則認(rèn)為安全儲(chǔ)備Sc=1.30-0.99=0.31%。

中齡期垃圾土與高齡期垃圾土邊坡試驗(yàn)結(jié)果比較（模型AM70與AH70，見(jiàn)圖5）：試驗(yàn)表明，高齡期垃圾土邊坡模型AH70相對(duì)于中齡期模型更偏于穩(wěn)定，根據(jù)破環(huán)時(shí)的邊坡坡度衡量邊坡抵抗失穩(wěn)的能力，則兩個(gè)模型在齡期不同，其他條件相同的情況下，高齡期垃圾土邊坡比中齡期模型抵抗失穩(wěn)破壞的安全儲(chǔ)備將提高約8%。既垃圾土邊坡隨著堆積時(shí)間的增加，有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。中齡期垃圾土復(fù)雜組合邊坡條件下的試驗(yàn)結(jié)果比較（模型BM40、BM60與BM70）：組合邊坡主要用于模擬山谷地區(qū)的垃圾填埋場(chǎng)邊坡，山谷的坡度為45°。通過(guò)試驗(yàn)比較可以發(fā)現(xiàn)，位于山谷垃圾填埋場(chǎng)的邊坡，其邊坡失穩(wěn)與山谷邊坡坡度緊密相關(guān)，當(dāng)垃圾土邊坡小于山谷坡度時(shí)（BM40），垃圾土容易沿與山谷接觸的屏障界面產(chǎn)生滑動(dòng)；當(dāng)垃圾土坡度大于山谷坡度時(shí)，大部分模型變形和失穩(wěn)發(fā)生在垃圾土內(nèi)部，而且初始邊坡越陡，安全儲(chǔ)備越小，因此也越容易在靠近邊坡的部位發(fā)生滑動(dòng)。底部水平邊坡與組合邊坡試驗(yàn)結(jié)果比較（模型AM70與BM70）：可以看到，同樣的垃圾土邊坡，組合邊坡模型BM70更容易產(chǎn)生滑動(dòng)，根據(jù)破壞時(shí)的邊坡坡度，則模型AM70的抗失穩(wěn)能力高于模型BM70約15%，可見(jiàn)對(duì)于底部存在邊坡的山谷型垃圾填埋場(chǎng)，其邊坡穩(wěn)定性低于平原填埋場(chǎng)邊坡。在有一定滲濾液水位的條件下，模型CH70在離心機(jī)加速度33.5 g條件下發(fā)生破壞，通過(guò)穩(wěn)定分析可以得到模型AM70在33.5 g條件下的安全系數(shù)為1.44，此時(shí)與模型CH70對(duì)應(yīng)的原型邊坡高度相同。說(shuō)明模型CH70在有滲濾液的條件下，滲濾液高度達(dá)到邊坡高度的1/4，其邊坡安全儲(chǔ)備減低了40%，因此更容易發(fā)生滑動(dòng)破壞。

圖5 模型邊坡破壞時(shí)形狀和照片

在離心模擬試驗(yàn)中，中齡期垃圾土的壓縮變形通常較大，圖6給出模型AM70在離心機(jī)升速過(guò)程中的變形曲線，可以看到在離心機(jī)升速過(guò)程中模型頂部沉降達(dá)到25 mm，在模型邊坡側(cè)面的激光位移傳感器LS3量測(cè)到在該位置有約8 mm的向坡內(nèi)的變形，說(shuō)明隨著垃圾填埋場(chǎng)高度的增加，垃圾土體底部實(shí)際上也會(huì)逐漸變密實(shí)，有利于局部穩(wěn)定。模型變形基本穩(wěn)定后，啟動(dòng)模型箱旋轉(zhuǎn)功能，得到邊坡角度增加過(guò)程中變形測(cè)量成果（圖7），面對(duì)邊坡的激光位移傳感器LS3，給出了數(shù)據(jù)突變點(diǎn)，顯示在該時(shí)刻模型邊坡發(fā)生破壞，時(shí)間發(fā)生在模型箱旋轉(zhuǎn)后的510 s，對(duì)應(yīng)模型箱旋轉(zhuǎn)角度為13°。

老齡期垃圾土的壓縮變形相對(duì)較小，圖8給出模型AH70在離心機(jī)升速過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的變形曲線，可以看到在離心機(jī)升速過(guò)程中模型頂部沉降僅為8 mm，在模型邊坡側(cè)面幾乎沒(méi)有變形；圖9給出模型在增大邊坡角度過(guò)程中激光位移傳感器量測(cè)到的結(jié)果，LS3數(shù)據(jù)的突變指示在該時(shí)刻模型邊坡發(fā)生破壞，時(shí)間發(fā)生在模型箱旋轉(zhuǎn)后的730 s，對(duì)應(yīng)模型箱旋轉(zhuǎn)角度為18°，表明老齡期垃圾土邊坡抵抗破壞的能力遠(yuǎn)大于中齡期。

圖6 模型AM70位移變形曲線

圖7 模型AM70在模型箱轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的各測(cè)點(diǎn)變形曲線

圖8 模型AH70位移變形曲線

圖9 模型AH70在模型箱轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的各測(cè)點(diǎn)變形曲線

篇幅所限，略去其他模型的觀測(cè)曲線。其中模型BM40主要為探討垃圾填埋場(chǎng)沿界面整體失穩(wěn)的可能性，試驗(yàn)中用數(shù)碼相機(jī)記錄模型斷面變形后的照片，然后采用圖像分析（PIV法）得到模型BM40豎向位移場(chǎng)及位移矢量分布見(jiàn)圖10?？梢钥吹剑谄录缣幍呢Q向變形值最大。位移等值線沿界面方向發(fā)展，在界面附近處也伴有較小的位移值，但并未發(fā)展成為整體失穩(wěn)破壞。圖11給出模型箱旋轉(zhuǎn)22°時(shí)的矢量圖。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)填埋體最后沿內(nèi)部破壞的位置并不是典型的圓弧破壞模式。坡面中間橫向位移較大，導(dǎo)致該部位有明顯的隆起，同時(shí)可以觀測(cè)到填埋體沿底部界面有位移產(chǎn)生，可見(jiàn)當(dāng)垃圾土邊坡小于底部坡度時(shí)，垃圾土容易沿接觸界面產(chǎn)生滑動(dòng)（圖12）。

圖10 模型BM40豎向位移場(chǎng)分布及位移矢量圖（40g，單位：mm）

圖11 模型箱旋轉(zhuǎn)22°時(shí)矢量圖

圖12 對(duì)應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)角度時(shí)的變形輪廓線

有無(wú)滲濾液條件下的試驗(yàn)結(jié)果比較（模型AH70與CH70）：模型CH70試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖13，在滲濾液回灌的條件下，邊坡更容易發(fā)生失穩(wěn)，比較模型CH70和模型AH70可以看到，模型AH70垃圾土邊坡，離心機(jī)加速度為40 g，對(duì)應(yīng)原型高度8 m時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)。但同樣的模型邊坡，當(dāng)離心機(jī)加速度達(dá)到33.5 g時(shí)，對(duì)應(yīng)滲濾液回灌深度達(dá)到1.8 m，原型高度6.7 m時(shí)即發(fā)生破壞。可見(jiàn)滲濾液引起的坡腳強(qiáng)度降低，是產(chǎn)生邊坡破壞的主要誘因。

圖13 模型試驗(yàn)過(guò)程

4 結(jié)論

本文針對(duì)城市固體垃圾填埋體邊坡，采用離心模擬試驗(yàn)方法，分別比較了不同的邊坡型式、不同齡期條件，以及滲濾液回灌條件下垃圾土邊坡的破壞特點(diǎn)。試驗(yàn)表明中齡期垃圾土邊坡比老齡期更容易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，試驗(yàn)條件下，老齡期邊坡的安全儲(chǔ)備比中齡期邊坡高8%；邊坡越陡則安全儲(chǔ)備越少，越容易在靠近外邊坡的部位發(fā)生滑動(dòng)破壞；對(duì)于組合邊坡，當(dāng)垃圾土邊坡坡度大于底部接觸面的坡度時(shí)，大部分模型變形和失穩(wěn)發(fā)生在垃圾土內(nèi)部，當(dāng)垃圾土邊坡小于接觸面坡度時(shí)，垃圾土容易沿底部接觸面產(chǎn)生整體滑動(dòng)。本文提出的邊坡安全儲(chǔ)備評(píng)價(jià)方法，主要用于離心模型試驗(yàn)結(jié)果的解釋和分析，因?yàn)殡x心模型試驗(yàn)中總是可以將模型邊坡運(yùn)行到破壞，然后可以通過(guò)分析破壞時(shí)的基本數(shù)據(jù)和特征，反求起始條件下的安全儲(chǔ)備，由此得到垃圾土邊坡失穩(wěn)的一般規(guī)律，并給出定量解釋。在滲濾液回灌的條件下，對(duì)于滲濾液高度達(dá)到邊坡高度1/4的老齡期垃圾土邊坡，與沒(méi)有滲濾液的同樣高度的邊坡相比，其原有的安全儲(chǔ)備降低40%，因此更容易發(fā)生失穩(wěn)。

通過(guò)模型試驗(yàn)觀察分析，建議對(duì)于各類固體垃圾填埋場(chǎng)，不宜建設(shè)在過(guò)陡的山坡上；對(duì)于有可能產(chǎn)生大量滲濾液的垃圾填埋場(chǎng)，建議其邊坡的安全儲(chǔ)備至少應(yīng)達(dá)到40%以上，過(guò)高的滲濾液水位是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因，因此需要采取有效措施，及時(shí)有效地降低滲濾液水位的高度，避免裂縫和滑動(dòng)破壞的產(chǎn)生。

［1］ BLIGHT Geoffrey.Slope failures in municipal solid waste dumps and landfills：a review［J］.Waste Management&Research，2008，26（5）：448-463.

［2］ JESSBERGER H L，KOCKEL R.Determination and assessment of the mechanical properties of waste materials［C］//Proc.，Sardinia 93，4th Int.Landfill Symp.，San Margherita di Pula，CISA，Cagliari，Italy，1993：1383-1392.

［3］ 詹良通，管仁秋，陳云敏，等.某填埋場(chǎng)垃圾堆體邊坡失穩(wěn)過(guò)程監(jiān)測(cè)與反分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（8）：1697-1705.

［4］ KOERNER R M，SOONG T Y.Leachate in landfills：the stability issues［J］.Geotextiles and Geomembranes，2000，18：293-309.

［5］ 陳云敏，王立忠，胡亞元，等.城市固體垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（3）：92-97.

［6］ MCCREANOR P T，REINHART D R.Mathematical modeling of leachate routing in a leachate recirculating land?fill［J］.Water Research，2000，34（4）：1285-1295.

［7］ THUSYANTHAN N I，MADABHUSHI S P，SINGH S.Centrifuge modeling of solid waste landfill systems.Part 1：Development of a model municipal solid waste［J］.ASTM geotechnical testing journal，2006，29（3）：217-222.

［8］ THUSYANTHAN N I，MADABHUSHI S P G，SINGH S.Centrifuge modeling of solid waste landfill systems-part 2：Centrifuge testing of model waste［J］.Journal of Geotechnical Testing，2006，29（3）：1-7.

［9］ 朱斌，楊春寶，王磊，等.人工城市固廢配制及填埋場(chǎng)變形離心模型試驗(yàn)［C］//第一屆全國(guó)巖土多場(chǎng)相互作用及環(huán)境土工學(xué)術(shù)研討會(huì)，2012：425-432.

［10］ PEN R，HOU Y J，ZHAN L T，et al.Back-analyses of landfill instability induced by high water level：Case study of Shenzhen Landfill［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2016 ，13：126-138.

［11］ PEN R，HOU Y J，ZHANG X D，et al.Development of a homogeneous model municipal solid waste［J］.Ad?vanced Materials Research 2014，831：331-335.

［12］ 彭仁，侯瑜京，陳祖煜，等.山谷型垃圾填埋場(chǎng)失穩(wěn)模式離心模型試驗(yàn)研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2014（6）：45-49.

Abstract：Large portion of municipal solid waste has to be stored in valleys or landfill around cities in China.There is potential risk of slope failure for those solid wastes under rain storm causing high leachate level inside the landfill，sometimes leading to flow slide.Tremendous loss of life and property had been re?ported in the past.This paper presents the centrifuge model tests to simulate the slope failure phenomenon of the municipal solid waste，based on the simulated waste material with higher water content.In order to observe the slope failure for each model test，a rotating container was developed to increase the model slope angle during centrifuge spinning.Solid waste models were tested to failure respectively under different layout with medium and old age of waste storage，with analysis results based on the model slope monitor?ing data and image analyzing method.A useful method is presented in this paper to evaluate the safety po?tential of the initial model slope based on the slope failure information from centrifuge model tests.

Keywords：centrifuge modeling；rotating container；solid waste；slope failure；leachate

（責(zé)任編輯：韓 昆）

Centrifuge modeling of municipal solid waste slope failure

HOU Yujing1，PENG Ren2，ZHANG Xuedong1，WANG Cun3，LIANG Jianhui1，JIA Chenghong1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.Beijing Municipal Construction Co.Ltd，Beijing 100176，China；3.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.Ltd，Beijing 100091，China）

TU411.8

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.001

1672-3031（2017）04-0241-09

2017-06-15

侯瑜京（1962-），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程土石壩物理模擬試驗(yàn)、巖土工程離心機(jī)靜動(dòng)力模型試驗(yàn)等研究。E-mail：houyj@iwhr.com