席永慧 王化祺 郭麗南 張廣年

(同濟大學建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

隨著自然資源不斷被開發(fā)利用和社會文明的不斷發(fā)展,特別是人口的增長和高度向城市集中,以及城市化的迅速發(fā)展,世界各國的城市垃圾以快于其經(jīng)濟增長近3倍的平均速度增長。近年來我國414個城市的垃圾以平均每年10%的速度猛增,我國城市垃圾產(chǎn)生量占全世界城市垃圾年產(chǎn)量的30%,每年產(chǎn)生將近2億噸的城市垃圾,城市生活垃圾堆存量已達70億噸[1]。無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家都不可避免地受到垃圾成災的嚴重威脅,并因此付出高昂的代價。在眾多的垃圾處理方式中,衛(wèi)生填埋法因其各方面的優(yōu)點被建設部和科委于1991年9月正式確定為我國推廣的首選技術(shù)。目前,我國已建成660多個垃圾填埋場。每年消納垃圾1.2億多噸,占我國垃圾處置總量的70%以上[2]。

衛(wèi)生填埋法表現(xiàn)出不安全性,垃圾災害類型復雜,發(fā)生量大、擴散面廣、蔓延較快、危害很大,易造成土壤污染、水體污染和大氣污染,嚴重威脅人體健康。垃圾災害時有發(fā)生,如英國高達244 m的威爾士阿伯芬垃圾場曾滑入城里,導致800多人傷亡;1960年前后,美國曾有500多處垃圾堆體發(fā)生災害[3]。垃圾堆體滑坡失穩(wěn)的災害時有發(fā)生,如2000年7月10日,馬尼拉垃圾填埋場因連降暴雨而滑塌,死亡百余人,受傷者千余人,塌下的垃圾厚度高達10 m;2002年6月14日,重慶沙坪壩涼楓埡垃圾填埋場因暴雨而滑塌,40萬m3的垃圾將山坳碎石廠的三層建筑物吞沒,死亡10人[2]。在眾多垃圾填埋場可能發(fā)生的災害中,滑坡是極其重要的一個方面,而降雨入滲是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素,Koerner 等對10起填埋場災害進行分析,發(fā)現(xiàn)大量填埋場失穩(wěn)是由滲濾液引起的[4]。

從20世紀20年代開始,滲流對工程的影響受到工程界的廣泛關(guān)注。許多研究者相繼進行了大量研究工作,并取得大量頗有價值的研究成果。垃圾填埋場邊坡靜力穩(wěn)定分析最早于1991年由Mitchell等提出,他們對美國加州Kettleman山的一個垃圾填埋場進行了土工穩(wěn)定分析,并提出了填埋場設計施工的指導建議[5],此后國內(nèi)外學者對填埋場邊坡穩(wěn)定問題進行了許多研究工作,取得了顯著的成果。邱文經(jīng)計算研究發(fā)現(xiàn),非飽和土邊坡的穩(wěn)定性基質(zhì)吸力有著密切的關(guān)系,當基質(zhì)吸力隨著外界環(huán)境發(fā)生變化時,邊坡的穩(wěn)定性也隨著發(fā)生改變[6]。曾玲等提出一種基于飽和-非飽和滲流及非飽和抗剪強度理論的路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法,并利用該方法對算例邊坡的降雨入滲過程及瞬態(tài)穩(wěn)定性進行了研究[7]。天津大學劉曉立[2]基于降雨入滲對垃圾邊坡的滲流作用,考慮垃圾土體的土工特性與一般意義上的土體的顯著的區(qū)別,研究了降雨作用下的垃圾填埋場邊坡的穩(wěn)定機理和破壞模式。張文杰等[8]結(jié)合蘇州七子山垃圾填埋場的工程項目,通過室內(nèi)試驗量測垃圾飽和滲透系數(shù)和土-水特征曲線,推導了滲透函數(shù),計算結(jié)果表明:推導出的滲透性函數(shù)可以用于垃圾的非飽和-飽和滲流分析?；诤喕邓吔?結(jié)合飽和-非飽和滲流理論,Chao等利用有限元軟件模擬了雨水滲流作用下的邊坡問題[9]。張廣年研究發(fā)現(xiàn)降雨持時及降雨強度是影響邊坡穩(wěn)定性的兩個重要方面。土的入滲能力是斜坡的穩(wěn)定性重要控制因素,暴雨屬于多少年一遇及暴雨的降雨量決定了暴雨對斜坡穩(wěn)定性的影響。降雨滲流影響具有一定的范圍,長期且連續(xù)的降雨對邊坡穩(wěn)定性影響較大[10]。

總結(jié)現(xiàn)有研究成果可以發(fā)現(xiàn),針對降雨入滲作用下垃圾堆體的邊坡穩(wěn)定分析與計算的研究并不多見,因此本文擬通過理論與工程實例相結(jié)合,研究降雨入滲下填埋場邊坡穩(wěn)定性的理論體系,研究降雨持時、強度、模式對邊坡穩(wěn)定性的影響,并通過工程實例對其進行驗證和修正。本文研究內(nèi)容將進一步完善我國在填埋場降雨滲透作用機理、設計方法和工程應用等方面的研究成果,為相關(guān)規(guī)范的編制提供理論和實踐依據(jù),為填埋場的新建、改建和擴建等進一步應用提供寶貴經(jīng)驗,對低碳經(jīng)濟的施行和可持續(xù)的發(fā)展起到重要的推動作用。

1 垃圾土的土水曲線與滲透性函數(shù)

垃圾具有大孔隙,是高度非均質(zhì)材料,其滲透特性不同于一般工程上的土,一般認為優(yōu)勢流的發(fā)生使其中的水分運移規(guī)律更加復雜[11]。R.Stegmann和H.J.Ehrigtv[12]指出:隨著垃圾的降解和壓縮,填埋場內(nèi)介質(zhì)逐漸均質(zhì)化,孔隙體積減小,在年久的垃圾中優(yōu)勢流的發(fā)生幾率大大降低,這時垃圾中的滲流較符合達西定律,類似于多孔介質(zhì)中的非飽和一飽和滲流。W.A.Straub和D.R.LynchIsl[13]最早將非飽和滲流理論應用于對垃圾填埋場的研究;G.P-Korfiatis等[14]以Richard非飽和滲流方程為基礎(chǔ),建立了一維非飽和滲流數(shù)值模型。雖然上述研究對含水量、基質(zhì)吸力和滲透性的關(guān)系僅進行了簡單描述,但其對非飽和滲流理論在垃圾填埋場領(lǐng)域的應用方面則進行了很有價值的嘗試。Stoltz利用原始實驗設備,研究了經(jīng)歷壓縮并完成多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)演變的城市固體廢棄物的保水性,并得出了不同樣本的保水曲線圖[15]。Reddy等利用數(shù)值二相流模型,預測經(jīng)受滲濾液回灌的不飽和MSW的水力特性(含水率和孔隙水壓力)、力學特性(應力-應變關(guān)系)和填埋場垃圾流體的耦合作用[16]。

張文杰等[8]結(jié)合工程項目,通過室內(nèi)試驗測定了垃圾的飽和滲透系數(shù)和土-水特征曲線,在此基礎(chǔ)上推導了其滲透性函數(shù),具有一般性,結(jié)果可以應用于垃圾土的飽和-非飽和滲流分析。

張文杰等為了解垃圾的持水特性,對埋深3～5 m處的垃圾進行了壓力板儀試驗,所得垃圾土-水特征曲線如圖1所示。

由于垃圾具有大孔隙特性,大孔隙中的水很容易排出,故垃圾的土-水特征曲線在基質(zhì)吸力較低(接近0 kPa)時為陡降段,故垃圾的進氣值接近于0 kPa,這是新鮮垃圾的土-水特征曲線的一個重要特征。

圖1 垃圾土的土-水特征曲線Fig.1 Soil-water characteristic curve of waste soil

垃圾高度非均質(zhì)的特性決定了難以直接量測垃圾的非飽和滲透系數(shù),故采用間接方法。如前所述,垃圾的非飽和滲透性系數(shù)kw是孔隙水壓力(或體積含水量)的函數(shù),用Campbell公式[17]計算不同體積含水量時垃圾的滲透性:

(1)

式中:ks為飽和滲透系數(shù);Se為有效飽和度;θ為體積含水量;θs為飽和含水量;n為擬合常數(shù),且有n=3+2/λ,其中λ可由Brooks-Corey公式,通過土-水特征曲線上任兩點的基質(zhì)吸力與體積含水量值求得;θr為殘余含水量,由實驗結(jié)果可知:θr=33%。

Brooks-Corey公式可表述為

(2)

式中:ψ為基質(zhì)吸力;ψc,λ均為待定常數(shù)。

從土-水特征曲線上取代表性的兩點(如ψ=1 kPa和33 kPa及其對應的θ值),解式(2)得到ψc和λ兩個擬合常數(shù),并將其代入式(1)后可得滲透系數(shù)kω與含水量θ的關(guān)系,由土-水特征曲線上基質(zhì)吸力與含水量的對應關(guān)系,得到滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線,即滲透性函數(shù)曲線(圖2)。

從圖2可以看出,隨含水量降低,垃圾滲透系數(shù)急劇減小,推導出的滲透性函數(shù)在基質(zhì)吸力較小時存在陡降段,這是因為大孔隙中的水排出導致過水截面積比減小,垃圾的滲透系數(shù)由于滲流路徑撓曲度急劇增加而迅速減小。

圖2 垃圾土的滲透性函數(shù)曲線Fig.2 Permeability function curve of waste soil

2 降雨對于填埋場邊坡穩(wěn)定性的影響實例分析

2.1 基本模型及分析方法描述

根據(jù)上海市老港填埋場現(xiàn)場實際情況,選擇基本模型的幾何尺寸如圖3所示。

圖3 基本模型的幾何尺寸(單位:m)Fig.3 Geometry size of basic models (Unit:m)

圖3中,坡度為1∶2,垃圾土堆載高度為20 m,在軟件模擬過程中,需要分析降雨入滲情況下坡度、垃圾土堆載高度對邊坡穩(wěn)定性的影響,因此會根據(jù)需要在模擬過程中調(diào)整坡度及堆載高度。

數(shù)值模擬過程中,垃圾土及下層粉質(zhì)黏土的各項物理參數(shù)按表1來取。

表1垃圾土及粉質(zhì)黏土的各項參數(shù)

Table 1Parameters of waste soil and silty clay

垃圾土的土-水曲線及滲透性函數(shù)采用上文中中圖1和圖2的數(shù)據(jù),粉質(zhì)黏土的土-水曲線及滲透性函數(shù)采用Fredlund-Xing等式[18]進行模擬,取a=300 kPa,m=1,n=1。

數(shù)值模擬過程中,降雨通過邊界流量來實現(xiàn)。假設排水良好,表面無積水,降雨參數(shù)的選取按規(guī)范GB 50014—2006采用,通過計算,本文選取特征降雨持時為1 h、8 h、24 h、120 h,特征降雨強度為6×10-7m/s 、2×10-6m/s、5×10-6m/s、2×10-5m/s。

邊界條件的設置為:bc,fg,aj的邊界流量為0 m/s,ab、gj的總水頭H=-1 m,cd,ef的邊界流量為降雨強度q,de的邊界流量為30.5×q/2(隨著坡度不同做相應修改)。

初始條件的設置為地下水高度-1.00 m,首先假設降雨量為0。

GeoStudio是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件。在本文對于填埋場邊坡穩(wěn)定性分析中,首先使用SEEP/W進行穩(wěn)態(tài)滲流,而后進行暫態(tài)滲流,最后將所得孔隙水壓工況導入SLOPE/W中進行穩(wěn)定性分析。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1孔隙水壓力隨時間的變化

按圖3建立模型,將前述各節(jié)參數(shù)輸入,在模擬降雨前,使用穩(wěn)態(tài)分析軟件計算出初始邊坡空隙水壓力,結(jié)果如圖4所示。

圖4 初始孔隙水壓力(單位:kPa)Fig.4 Initial pore water pressure (Unit:kPa)

將降雨強度取為5×10-6m/s,進行瞬態(tài)分析,可得到不同時間的孔隙水壓力,以8小時后的空隙水壓力為例,如圖5所示。

圖5 經(jīng)過8小時降雨后孔隙水壓力(單位:kPa)Fig.5 Pore water pressure after 8 hours rainfall (Unit:kPa)

2.2.2降雨強度和降雨持時對邊坡穩(wěn)定性的影響

將2.2.1中所得孔隙水壓力代入Slope/W軟件中,可計算得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著時間的變化曲線,結(jié)果見圖6,圖中一、二、三、四等降雨分別對應前述4種降雨降雨強度:6×10-7m/s 、2×10-6m/s、5×10-6m/s、2×10-5m/s。

圖6 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時間的變化曲線Fig.6 Slope stability coefficient curve changing with time

由圖6可以看出,隨著降雨強度的增大和降雨的持續(xù),穩(wěn)定系數(shù)在逐漸減小。在降雨初期,穩(wěn)定系數(shù)下降較快,因初期雨水入滲使坡體內(nèi)負空隙水壓力大幅減小,導致抗剪強度等相應減小,穩(wěn)定系數(shù)隨之大幅下降。而在降雨初期,垃圾土的含水率不高,決定其入滲能力有限,二、三、四等降雨在初期表現(xiàn)相似,可以理解為,二等降雨已滿足其入滲需求,降雨強度的提高無法使得入滲量增加,提高部分的降雨量將形成坡面徑流而排走。降雨初期階段過去之后,邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著時間的推移成一定比例逐漸降低,并且降雨強度越大,比例越大。

在實際中,降雨并不一定是均勻強度的,會有不同模式,本文選取三種降雨型進行模擬,分析了在不同降雨模式下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線。

根據(jù)實測天氣降雨情況,選取各時段降雨強度見圖7。模擬分析結(jié)果見圖8。

圖7 三種降雨型在各時間段降雨強度Fig.7 Rainfall intensity of three rainfalls in each period

由圖8可以看出,三種降雨型相比,滯后型降雨對于邊坡穩(wěn)定性最不利,其次是標準型,這與Rahimi的結(jié)論基本相似[19]。推測由于前強型降雨在早期由于滲入速率有限,會造成多數(shù)降雨隨坡面排走,這對于邊坡的穩(wěn)定性是有利的,而滯后型降雨在降雨末期達到最大降雨強度,此時由于之前的降雨使得滲入速率提高,則強降雨發(fā)揮其最大作用,使得安全系數(shù)急劇降低,這與圖8中滯后型降雨的安全系數(shù)變化曲線相吻合。

在標準型和前強型降雨模式下,在前120小時降雨結(jié)束前安全系數(shù)就已經(jīng)開始升高,這是由于隨著降雨減弱,雨水的入滲量開始減弱并小于垃圾土中雨水的流失量,使得安全系數(shù)升高。而滯后性型降雨則是降雨強度急速減小為零,則沒有這樣一個緩慢變化的過程,所以其在120小時降雨結(jié)束時,安全系數(shù)相比于前強型和標準型升高較快,但由于前期降雨作用,其相同時間內(nèi)安全系數(shù)仍比另外兩種雨型要小。

圖8 在三種降雨型作用下邊坡安全系數(shù)隨時間的變化曲線Fig.8 Slope stability coefficient curve changing with time of three rainfalls

本文數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,滯后型降雨對于邊坡穩(wěn)定性最不利。在實際工程中,施工單位或運營管理單位需要密切關(guān)注天氣情況,如果遇到滯后型降雨且降雨強度較大,需要及早結(jié)合Slope/W軟件進行填埋場邊坡安全性計算,根據(jù)降雨強度計算填埋場邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。如填埋場邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)過小,則需采取疏干降水、削坡減載、反壓坡腳或人工支擋等加固措施。

3 結(jié) 論

本文建立了降雨入滲滲流作用下的垃圾填埋場邊坡穩(wěn)定計算模型,結(jié)合上海地區(qū)的降雨特性,獲得四等降雨強度、不同坡度、不同堆載高度和不同降雨模式下邊坡安全系數(shù)隨時間變化曲線,結(jié)果表明:

(1) 隨著降雨時間的推后,導致入滲降雨在坡腳的暫時積聚,進而在坡腳處垃圾土體達到飽和狀態(tài)。

(2) 隨著降雨強度的增大和降雨的持續(xù),穩(wěn)定系數(shù)在逐漸減小。在降雨初期,穩(wěn)定系數(shù)下降較快,且降雨強度達到一定范圍之后,提高降雨強度無法使得入滲量增加,提高部分的降雨量將形成坡面徑流而排走。降雨初期階段過去之后,邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著時間的推移成一定比例逐漸降低,并且降雨強度越大,比例越大。

(3) 在標準型和前強型降雨模式下,在前120小時降雨結(jié)束前安全系數(shù)就開始升高,這是由于隨著降雨減弱,雨水的入滲量開始減弱并小于垃圾土中雨水的流失量,使得安全系數(shù)升高。而滯后性型降雨則是降雨強度急速減小為零,在120小時降雨結(jié)束時,安全系數(shù)相比于前強型和標準型升高較快,但其相同時間內(nèi)安全系數(shù)仍比另外兩種雨型要小。

在三種雨型中,滯后型降雨對于邊坡穩(wěn)定性最不利,其次是標準型。在實際工程中,施工單位或運營管理單位需要密切關(guān)注天氣情況,如果遇到滯后型降雨且降雨強度較大,填埋場邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)過小,則需采取疏干降水、削坡減載、反壓坡腳或人工支擋等加固措施。