羅衛(wèi)華

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

邊坡失穩(wěn)對于高速公路運營有非常大的影響，當(dāng)邊坡失穩(wěn)后可能引起大范圍破壞［1］，是一種地質(zhì)災(zāi)害［2］。垃圾填埋場的庫區(qū)由挖方邊坡和垃圾擋壩構(gòu)成，在垃圾填埋過程中和封場后，可能會因垃圾堆體的作用，造成邊坡和擋壩失穩(wěn)，導(dǎo)致滲濾液泄漏、填埋氣體外散以及堆體坍塌等一系列環(huán)境污染和安全事件。因此對大型生活垃圾填埋場庫區(qū)鄰近高速公路的垃圾擋壩和挖方邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性的分析至關(guān)重要。

1 工程概述

廣州某應(yīng)急填埋場承擔(dān)著廣州市中心城區(qū)生活垃圾的處理任務(wù)，是特大型生活垃圾填埋場，設(shè)計總庫容量約為1 190萬m3，總投資約7.8億元。其北側(cè)填埋庫區(qū)緊鄰廣河高速公路，此高速公路是廣州市重要的東北出入口。填埋場北部布局與廣河高速公路的位置關(guān)系如圖1所示。項目北側(cè)工程與廣河高速公路的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖1 填埋場北側(cè)邊坡、擋壩斷面位置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the North Side Slope and Dam Section of the Landfill

表1 填埋場北側(cè)工程與高速公路地理位置對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding Relationship between the Project on the North Side of the Landfill Site and the Geographical Location of the Expressway

2 工程地質(zhì)條件

本項目場地為低山丘陵地帶，地層主要為第四系覆蓋層和下臥混合花崗巖，第四系覆蓋層分布整個場地，主要為坡積土和殘積土。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，該場地自上而下各類巖土特征如下：

〈1〉人工填土層：主要為素填土，松散，稍濕～濕。主要成分為粉質(zhì)粘土含砂及花崗片麻巖風(fēng)化殘積土夾碎石塊等。

〈2-1〉淤泥質(zhì)土：流塑，飽和，見腐殖質(zhì)。

〈2-2〉淤泥質(zhì)細砂：松散，飽和，含少量腐殖質(zhì)，局部混少量粘土。

〈3-1〉細砂：稍密～密實，局部松散，飽和。

〈3-2〉粗砂：中密～密實，飽和，含石英質(zhì)礫砂及局部混石英質(zhì)碎石。

〈4〉粉質(zhì)性土：由坡積作用而形成的粉質(zhì)粘土，可塑～硬塑。

〈5-1〉可塑狀砂質(zhì)粘性土：花崗片麻巖風(fēng)化殘積而成，長石、云母及暗色礦物已完全土化，巖芯手捏易碎，遇水變軟。

〈5-2〉硬塑狀砂質(zhì)粘性土：含少量石英質(zhì)粗砂及礫石，巖芯手捏易碎，遇水變軟。

〈6〉全風(fēng)化混合花崗巖：巖芯呈土柱狀、土塊狀，堅硬，巖石組織結(jié)構(gòu)已基本破壞，但尚可辨認，遇水易崩解軟化。

〈7〉強風(fēng)化混合花崗巖：巖芯呈土柱狀、碎塊狀，塊狀構(gòu)造及片麻狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖塊用手可折斷。

〈8〉中等風(fēng)化混合花崗巖：巖芯呈短柱狀、碎塊狀，巖塊錘擊聲脆，且不易擊碎，不能用鎬挖掘，巖芯鉆方可鉆進。

3 計算斷面基本概況

填埋場庫區(qū)北側(cè)設(shè)有環(huán)場道路，路面標(biāo)高約為135～140 m，道路內(nèi)側(cè)為填埋庫區(qū)，按照1∶2 的坡率構(gòu)建邊坡，每級不超過10 m，平臺寬3.0 m，構(gòu)建至庫底底標(biāo)高約為115.2～110.0 m 處。庫區(qū)內(nèi)生活垃圾按1∶3 坡率從道路邊填高至145 m 標(biāo)高。根據(jù)原狀地形和庫區(qū)的建設(shè)要求，按道路里程將庫區(qū)北側(cè)劃分為挖方邊坡和垃圾擋壩，如圖1所示。其中道路里程R2 K0+500～R2 K0+300 為挖方邊坡，R2 K0+300～140 為垃圾擋壩?，F(xiàn)選取8個代表性斷面分別計算其穩(wěn)定性，選取斷面平面位置如圖1所示。各斷面的基本特征如表2所示。

表2 斷面及其特征Tab.2 Section Selection and Characteristics

3.1 挖方邊坡D-D剖面如圖2?所示。

構(gòu)建邊坡以上原狀山體標(biāo)高約為137～150 m，挖方高度約為10～17 m。

設(shè)計道路標(biāo)高為137 m，道路內(nèi)側(cè)為填埋場構(gòu)建邊坡，坡率為1∶2，每級邊坡不超過10 m，每兩級邊坡間設(shè)置寬3 m 的平臺，庫底標(biāo)高約為115 m；道路外側(cè)為原狀山體，坡率約為1∶2.5。垃圾按1∶3 坡率從道路邊填埋至高度145 m標(biāo)高處，滲濾液水位最高時達143 m。垃圾堆體與邊坡之間設(shè)置兩層2.0 mm的雙糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防滲層［3］，防止庫區(qū)內(nèi)的垃圾滲濾液滲漏。

邊坡的土層組成，從路面標(biāo)高（137 m）往下依次為砂質(zhì)粘性土（原狀，厚度2 m）、全風(fēng)化花崗巖（原狀，厚度6 m）、強風(fēng)化混合花崗巖（原狀，原狀厚度6.9 m）和中風(fēng)化混合花崗巖（原狀）。

3.2 垃圾擋壩G-G剖面如圖2?所示。

圖2 典型邊坡剖面Fig.2 Profile View of Typical Slope （mm）

原狀地形標(biāo)高約為125～127 m，低于構(gòu)建邊坡標(biāo)高。擋壩高度約13～15 m。

設(shè)計道路標(biāo)高為140 m，道路內(nèi)側(cè)為填埋場構(gòu)建邊坡，坡率為1∶2，每級邊坡不超過10 m，每兩級邊坡間設(shè)置寬3 m 的平臺，庫底標(biāo)高約為115 m；道路外側(cè)按1∶2 的坡率填方構(gòu)建至坡腳標(biāo)高125 m 處。坡面采用菱形骨架護坡并植草防護，漿砌片石護腳［4］。腳線距離廣河高速道路邊線約36 m。垃圾按1∶3 的坡率從道路邊填埋至高度145 m 標(biāo)高處。在擋壩的內(nèi)側(cè)，垃圾堆體與擋壩之間設(shè)置兩層2.0 mm 的雙糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防滲層［3］，防止庫區(qū)內(nèi)的垃圾滲濾液滲漏。擋壩采用砂質(zhì)粘性土碾壓夯實回填，回填要求分層夯實，每層厚度不超過300 mm，壓實度不小于0.96。

垃圾擋壩的土層組成，從路面標(biāo)高（140 m）往下依次為填方砂質(zhì)粘性土（填方土，厚度約15 m）、全風(fēng)化混合花崗巖（原狀土，厚度約3.4 m）、強風(fēng)化混合花崗巖（原狀，厚度6.15 m）和中風(fēng)化混合花崗巖（原狀）。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 力學(xué)參數(shù)及計算模型

4.1.1 垃圾堆體力學(xué)參數(shù)

《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范：CJJ 176—2012》［5］中給的垃圾土體力學(xué)參數(shù)建議值如表3所示。

表3 垃圾抗剪強度指標(biāo)建議值Tab.3 Recommended Values of Garbage Shear Strength Indexes

本項目的垃圾堆體的力學(xué)參數(shù)參考文獻［5］及陳位洪等人［6］的研究成果，按埋深及滲濾液水位來取值：埋深小于10 m的淺層垃圾分為滲瀝液水位線以上，滲瀝液水位線以下兩種；埋深大于10 m的深層垃圾。其力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 本項目垃圾堆體力學(xué)參數(shù)Tab.4 Mechanical Parameters of Garbage Dump of the Project

4.1.2 相關(guān)巖土參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報告，相關(guān)巖土參數(shù)如表5所示。

表5 地勘報告相關(guān)巖土參數(shù)Tab.5 Relevant Geotechnical Parameters of Geological Survey Report

針對擋壩段回填砂質(zhì)粘性土的粘聚力和內(nèi)摩擦角取值確定，毗鄰本項目的工程曾就砂質(zhì)粘性土填土（回填土分層夯實，每層厚度不超過300 mm，壓實度不小于0.96）進行現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，其土樣固結(jié)快剪下對應(yīng)的粘聚力和內(nèi)摩擦角最低的取值分別為62.3 kPa、37.8°。本項目考慮到填方區(qū)域的壩體暴露在室外條件中，可能存在吸水飽和狀態(tài)，所以在壩體安全穩(wěn)定性計算中，對回填的砂質(zhì)粘性土強度參數(shù)在原狀砂質(zhì)粘性土基礎(chǔ)上進行折減，其粘聚力和內(nèi)摩擦角分別取為20 kPa、20°。由此，確定北側(cè)擋壩、邊坡穩(wěn)定性計算分析的參數(shù)取值如表6所示。

表6 本項目相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù)Tab.6 Relevant Geotechnical Mechanical Parameters of the Project

4.2 計算方法及工況

根據(jù)文獻［5］的規(guī)定，垃圾填埋場邊坡穩(wěn)定性計算需滿足《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范：SL386—2007》［7］的要求。

根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范：GB 50869—2013》［3］擋壩及邊坡建筑級別為I級，按7度地震烈度設(shè)防［8］，頂設(shè)有15 m 寬道路，汽車荷載設(shè)計等級為公路-Ⅱ級。明確規(guī)定了3 種計算工況，分別為：①正常運用條件，即填埋場填埋過程、填埋場封場后以及填埋場正常運營狀況；②非常運用條件Ⅰ，即遭遇強降雨等引起的滲瀝液水位上升；③非常運用條件Ⅱ，即遭遇地震（烈度為7 度）。工況1、工況3 垃圾堆體里滲瀝液水位143 m（垃圾堆體頂面下2 m）；工況2 垃圾堆體里滲瀝液水位145 m（平垃圾堆體頂面下2 m）。對選取的8 個斷面分別進行以上3 種工況下的穩(wěn)定性計算。

驗算的破壞模式包括通過垃圾堆體內(nèi)部的滑動破壞和通過垃圾堆體內(nèi)部與下臥地基的滑動破壞。計算采用摩根斯坦-普賴斯法（穩(wěn)定計算采用有效應(yīng)力法）。

經(jīng)Plaxis 2D 有限元分析，擋壩及邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)計算結(jié)果如表7所示。

表7 填埋區(qū)北區(qū)擋壩及邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.7 Calculation Results of Retaining Dam and Slope Stability in the North of Landfill Area

通過上述穩(wěn)定分析計算，各斷面（A-A至H-H斷面）安全系數(shù)滿足文獻［7］、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》［9］的 最 小 安 全 系 數(shù) 要求，即正常使用工況下需滿足K正?！?.35，非正常運用條件1 滿足K非常1≥1.25，非正常運用條件2（地震工況下）滿足K非常2≥1.15。其中擋壩G-G斷面計算分析結(jié)果如圖3所示。根據(jù)填埋區(qū)北區(qū)擋壩、邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，證明本項目對于高速公路的影響極其有限。

圖3 Plaxis 2D有限元計算分析結(jié)果Fig.3 Plaxis 2D Finite Element Calculation and Analysis Results

為確保填埋場在建設(shè)和使用過程中的安全，在挖方邊坡、擋壩外側(cè)布設(shè)有監(jiān)測點［10］，北側(cè)邊坡、擋壩沉降和位移監(jiān)測布置平面如圖4所示。

圖4 北側(cè)邊坡、擋壩監(jiān)測點平面布置Fig.4 Layout Plan of Monitoring Points of North Side Slope and Retaining Dam

5 結(jié)語

為保證填埋庫區(qū)在施工和運營階段的安全性要求，結(jié)合以上邊坡、擋壩穩(wěn)定性計算結(jié)果，進一步加強整體安全穩(wěn)定性，就施工和填埋運營階段提出以下建議：

⑴施工時提前對填方所用的粘性土和風(fēng)化巖土進行壓實試驗并測試其在壓實度滿足設(shè)計要求的狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)值。

⑵選擇少雨期施工，嚴(yán)禁下雨施工，土石壩施工間歇期，確保及時在已壓填壩體表面鋪HDPE 土工膜，坡面和坡腳做好截排水措施，使得邊坡土質(zhì)盡量保持其天然狀態(tài)。

⑶建議運營過程中及時對垃圾進行日覆蓋、中間覆蓋以及階段性中間覆蓋，盡可能地減少由于降雨引起滲瀝液的增加。

⑷ 填埋區(qū)庫區(qū)運營單位要根據(jù)垃圾的填埋情況，及時布設(shè)滲瀝液抽水井，以便極端情況下可及時抽排降低填埋庫區(qū)內(nèi)滲瀝液的水位［11］。