陳俊禮 姚夏蘭

摘 要 垃圾堆場(chǎng)由于特殊的物質(zhì)組成，使其內(nèi)部較一般土質(zhì)邊坡具有高填埋氣壓的特點(diǎn)，且在暴雨條件下，大量滲入堆場(chǎng)的雨水堵塞填埋氣體-LFG運(yùn)移通道，導(dǎo)致堆場(chǎng)內(nèi)部產(chǎn)生封閉氣壓，濕潤(rùn)區(qū)以下的封閉氣壓產(chǎn)生的頂托作用使得堆場(chǎng)極有可能沿著濕潤(rùn)鋒滑移。因此基于非飽和土滲流理論，建立考慮暴雨入滲的氣-液-固多場(chǎng)耦合的堆場(chǎng)穩(wěn)定分析模型。通過(guò)耦合軟件COMSOL，結(jié)合所建立的數(shù)學(xué)模型綜合分析隨著暴雨的持續(xù)堆場(chǎng)安全系數(shù)的變化趨勢(shì)，并與傳統(tǒng)圓弧滑面搜索算法進(jìn)行比較，結(jié)果表明該模型適用于短時(shí)強(qiáng)降雨工況下的垃圾堆場(chǎng)穩(wěn)定性分析。

關(guān)鍵詞 垃圾堆場(chǎng);LFG氣壓力;暴雨工況;穩(wěn)定性分析

引言

值得注意的是生活垃圾中所含的有機(jī)物在微生物作用下降解，其過(guò)程產(chǎn)生大量的填埋氣體-Land Fill Gas（LFG）。填埋氣如不及時(shí)排出，會(huì)使垃圾堆場(chǎng)體內(nèi)氣壓增大，導(dǎo)致垃圾體有效應(yīng)力減小，從而對(duì)垃圾堆場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，使垃圾堆體坍塌，甚至危及填埋場(chǎng)周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。可見(jiàn)LFG氣壓力是影響垃圾堆場(chǎng)穩(wěn)定性的重要因素之一。

在暴雨條件下，大量滲入堆場(chǎng)的雨水堵塞LFG運(yùn)移通道，使得堆場(chǎng)內(nèi)部出現(xiàn)一個(gè)封閉氣壓力場(chǎng)，封閉氣壓會(huì)隨著濕潤(rùn)線的推進(jìn)不斷升高直至突破孔隙水頭值。因此本文考慮到暴雨條件下堆場(chǎng)內(nèi)部封閉氣壓場(chǎng)的存在，建立了暴雨入滲的氣-液-固多場(chǎng)耦合的堆場(chǎng)破壞預(yù)測(cè)模型，研究暴雨條件下LFG氣壓力對(duì)垃圾堆場(chǎng)的穩(wěn)定性影響，可為暴雨條件下垃圾堆場(chǎng)安全評(píng)價(jià)提供理論保障。

1暴雨條件下堆場(chǎng)穩(wěn)定分析模型

如圖1所示的垃圾填埋場(chǎng)邊坡，暴雨入滲過(guò)程中，土體濕潤(rùn)鋒也就是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面為ABCD。由于滑動(dòng)面為非直線非圓弧的不規(guī)則形狀，故先將滑動(dòng)土體分成若干豎向土條，其中任一土條上的作用力如圖2所示：

圖中：為滑動(dòng)面切向反力;為條塊寬度;為條塊重力;為條塊滑移面的法向反力;、為條塊兩側(cè)的法向力;、為條塊兩側(cè)的豎向力;為條塊滑移面長(zhǎng)度。

根據(jù)圖2所示土條在豎向及水平向的靜力平衡條件，可求得土條的水平法向力增量的表達(dá)式為：

其中：

對(duì)整個(gè)邊坡而言，均為內(nèi)力且滑動(dòng)土體無(wú)水平外力作用，然后根據(jù)=0可得堆場(chǎng)安全系數(shù)的表達(dá)式為：

運(yùn)用有限元軟件COMSOL求解垃圾土固-液-氣三相耦合計(jì)算模型，將邊坡模型不同時(shí)間步濕潤(rùn)鋒處的孔隙水壓、氣壓分布作為已知條件，采用本節(jié)所建立暴雨條件下垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定分析模型式（2），即可求出不同時(shí)間點(diǎn)的堆場(chǎng)安全系數(shù)。

2算例分析與討論

為深入了解暴雨工況下，采用本文考慮封閉氣壓的堆場(chǎng)破壞預(yù)測(cè)模型對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定分析的必要性以及可行性，現(xiàn)假定一垃圾堆場(chǎng)，坡高50米，坡比1：1.5，下部為滲透系數(shù)近似為0的襯墊層，利用COMSOL建立垃圾堆場(chǎng)的計(jì)算模型：

本次算例中降雨共持續(xù)3h，分別運(yùn)用傳統(tǒng)的圓弧滑面搜索算法和本文考慮封閉氣壓的穩(wěn)定分析方法式（24）進(jìn)行計(jì)算。

降雨前期本文穩(wěn)定分析方法所得安全系數(shù)明顯小于傳統(tǒng)方法，且隨著降雨的進(jìn)行，安全系數(shù)降低幅度高于傳統(tǒng)方法，因此在這一階段采用傳統(tǒng)的圓弧滑面搜索算法分析堆場(chǎng)穩(wěn)定性有一定風(fēng)險(xiǎn)，本文方法偏于安全。在降雨中期，雖然本文方法計(jì)算得到的安全系數(shù)降低幅度較前期放緩，但總體數(shù)值仍小于傳統(tǒng)方法，可見(jiàn)本文方法在這一階段仍然適用。

在降雨后期，隨著濕潤(rùn)鋒不斷下移，濕潤(rùn)區(qū)產(chǎn)生更多的封閉氣泡，從而使土體滲透系數(shù)下降，濕潤(rùn)鋒上方的非飽和區(qū)不斷加寬，濕潤(rùn)鋒處基質(zhì)吸力增長(zhǎng)幅度逐漸減小，同時(shí)封閉氣泡的擠壓作用會(huì)使?jié)駶?rùn)區(qū)產(chǎn)生附加孔壓，大大降低有效應(yīng)力，這時(shí)堆場(chǎng)很可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)沿濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)部圓弧面的滑動(dòng)破壞。因此在這一階段采用傳統(tǒng)的滑面搜索算法得到的安全系數(shù)低于本文方法，對(duì)堆場(chǎng)的穩(wěn)定分析更加準(zhǔn)確[2]。

3結(jié)束語(yǔ)

（1）雨水入滲垃圾填埋場(chǎng)過(guò)程中會(huì)占據(jù)土體孔隙，使得填埋氣發(fā)生運(yùn)移，且雨水會(huì)增加上部土體容重，使得堆場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整從而發(fā)生變形，因此本文在對(duì)暴雨工況下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析時(shí)，首先基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，建立了垃圾堆場(chǎng)固-液-氣耦合數(shù)學(xué)模型。

（2）暴雨工況下，填埋氣被壓縮在基質(zhì)吸力降低明顯的濕潤(rùn)鋒與襯墊層之間，在堆場(chǎng)內(nèi)形成一個(gè)封閉且不穩(wěn)定的氣壓場(chǎng)。隨著濕潤(rùn)鋒的不斷推進(jìn)，封閉氣壓不斷增大，氣體產(chǎn)生的頂托作用使得堆場(chǎng)在暴雨工況下的破壞模式極有可能是沿著坡面濕潤(rùn)鋒的滑移破壞?；诖?，本文建立考慮暴雨入滲的氣-液-固多場(chǎng)耦合的堆場(chǎng)破壞預(yù)測(cè)分析模型。通過(guò)算例，與傳統(tǒng)的圓弧滑面搜索算法進(jìn)行比較分析，認(rèn)為本文方法適用于短時(shí)強(qiáng)降雨工況下的垃圾堆場(chǎng)穩(wěn)定分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝焰，陳云敏.考慮氣固耦合填埋場(chǎng)沉降數(shù)學(xué)模型[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006（3）：602-603.

[2] 邱戰(zhàn)洪，何春木.不同降雨模式下山谷型垃圾填埋場(chǎng)水分運(yùn)移及其穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué)，2012（33）：3153-3154.