下臥軟土層填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析方法

劉玉江

（1．湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2．上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

下臥軟土層填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析方法

劉玉江1，2

（1．湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2．上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

根據(jù)上海老港垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的分析，研究了軟土地基強(qiáng)度增長(zhǎng)、滲瀝液主水位、滯水位對(duì)填埋場(chǎng)邊坡沿垃圾邊坡及下覆軟弱土層失穩(wěn)破壞的影響，通過參數(shù)分析得到結(jié)論：軟土地基排水固結(jié)引起的地基強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性提高有一定促進(jìn)作用；每一階段的填埋結(jié)束點(diǎn)均為該階段的邊坡穩(wěn)定性危險(xiǎn)點(diǎn)，故需以該時(shí)間點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定分析，指導(dǎo)填埋作業(yè)的填埋速度與高度。

填埋場(chǎng)；邊坡穩(wěn)定；軟土地基；強(qiáng)度增長(zhǎng)

邊坡穩(wěn)定問題是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工、填埋和封閉過程中的關(guān)鍵問題之一［1］。建造于軟土地基上的南方垃圾填埋場(chǎng)［2］，軟土地基強(qiáng)度增長(zhǎng)是該類型填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定問題的關(guān)鍵因素［3-4］。筆者根據(jù)上海老港垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的分析，提出考慮含下覆軟弱土層地基的邊坡穩(wěn)定性分析方法。

1 1B單元地基分區(qū)方法及地基強(qiáng)度增長(zhǎng)

老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)四期工程位于上海市南匯區(qū)老港鎮(zhèn)東側(cè)的東海灘涂邊，距市中心約60 km，長(zhǎng)4 200 m，寬800 m，占地361 hm2，填埋場(chǎng)總庫(kù)容8 000萬(wàn)m3，如圖1所示。項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為日處理生活垃圾4 900 t，按此填埋速率該填埋區(qū)域使用年限可達(dá)45 a，是我國(guó)目前最大的生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)。四期工程1A和1 B單元2005年2月投入試運(yùn)行，到目前為止1A和1 B、2A和2 B單元大部庫(kù)容已使用，已進(jìn)入3A和3B單元庫(kù)區(qū)。根據(jù)2010年的統(tǒng)計(jì)，日填埋生活垃圾已達(dá)10 000 t，是初步設(shè)計(jì)的2倍，可見填埋速率較大，填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性控制十分重要。

老港四期是平原型填埋場(chǎng)，建造于沿海灘涂軟土地基上，最終填埋高度可達(dá)45 m，其地基主要包括1層厚10 m的淤泥質(zhì)黏土以及1層厚約7 m的黏土。垃圾場(chǎng)下地基各層土強(qiáng)度參數(shù)見表1。

圖1 老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)四期工程

表1 老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)四期工程地基各層土強(qiáng)度參數(shù)

老港四期1B單元南北向長(zhǎng)為600 m，東西向?qū)挒?00 m，其主要危險(xiǎn)邊坡為東側(cè)邊坡。至2010年8月，東側(cè)邊坡頂部已填埋至21．5 m高程。為了合理評(píng)價(jià)1B單元現(xiàn)狀地基的穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于計(jì)算其地基土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)，如圖1所示。堆體邊坡部分軟土地基因垃圾厚度不同而造成附加應(yīng)力有所不同，造成其固結(jié)引起的地基抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)也相差較大，為合理考慮各部位地基強(qiáng)度，提高穩(wěn)定分析準(zhǔn)確性，按上覆垃圾厚度的不同，對(duì)地基土進(jìn)行分區(qū)，共分成6個(gè)區(qū)，第1分區(qū)表示其附加應(yīng)力為零，為便于后續(xù)填埋分析，將邊坡位置分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)長(zhǎng)為30 m，垃圾中心位置為第6分區(qū)，其附加應(yīng)力為上覆垃圾荷載，如圖2所示。邊坡部分垃圾荷載作簡(jiǎn)化處理，即將各個(gè)分區(qū)中心點(diǎn)垃圾填埋高度作為垃圾荷載的簡(jiǎn)化等效高度，計(jì)算各分區(qū)附加應(yīng)力。

圖2 老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)四期1B單元地基分區(qū)

根據(jù)垃圾填埋高度，選取填埋高度最高的東側(cè)邊坡中間剖面進(jìn)行穩(wěn)定分析。首先根據(jù)中間剖面的每月填埋進(jìn)度計(jì)算各個(gè)位置的地基固結(jié)度。地基固結(jié)度是判斷地基是否穩(wěn)定的重要標(biāo)志，也是進(jìn)行地基穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。老港填埋場(chǎng)地基中的第4層淤泥質(zhì)黏土及第5層黏土滲透系數(shù)較低，導(dǎo)致填埋場(chǎng)地基沉降難以在短時(shí)間內(nèi)完成。為加速老港填埋場(chǎng)地基沉降，填埋場(chǎng)底部按1．5 m間距打入塑料排水板，插入深度達(dá)淤泥質(zhì)黏土的底層，約為18 m。塑料排水板由1條10 cm寬、1 cm厚的扁平塑料芯組成。為了評(píng)價(jià)老港填埋場(chǎng)地基在2006—2010年的固結(jié)情況，采用規(guī)范推薦的改進(jìn)高木俊介法進(jìn)行地基固結(jié)分析。在多級(jí)等速加載條件下，當(dāng)固結(jié)時(shí)間為t時(shí)，對(duì)應(yīng)總荷載的地基平均固結(jié)度按下式計(jì)算，式中參數(shù)取值見表2。

式中：t為固結(jié)時(shí)間；Ut為豎井地基徑向排水平均固結(jié)度；qi為第i級(jí)荷載的加荷速率；ΣΔp為各級(jí)荷載的累加值；Ti、Ti-1分別為第i級(jí)荷載加載的起始和終止時(shí)間（從零點(diǎn)起算）；n為井阻比，塑料排水帶的有效影響直徑與當(dāng)量換算直徑的比值，n=de/dp；de為塑料排水帶的有效影響直徑，de=1．05L；L為塑料排水帶間距；dp為塑料排水帶的當(dāng)量換算直徑，dp=2（b+δ）/3．14；b和 δ分別為塑料排水帶的寬度和厚度；Cv和Ch分別為豎向和水平向固結(jié)系數(shù)；kh為天然上層水平向滲透系數(shù)；ks為涂抹區(qū)土的水平向滲透系數(shù)；S為涂抹區(qū)直徑與豎井直徑的比值；H為豎井深度；qw為井縱向通水量，為單位水力梯度下單位時(shí)間的排水量。

表2 固結(jié)分析計(jì)算參數(shù)

計(jì)算得出各分區(qū)固結(jié)度后，結(jié)合強(qiáng)度增長(zhǎng)公式Δτ=Δσtan φ，可計(jì)算任意時(shí)間點(diǎn)東側(cè)邊坡的各個(gè)分區(qū)強(qiáng)度增長(zhǎng)值，其中Δσ為上覆超載荷載值，分區(qū)2淤泥質(zhì)黏土層從2008年2月至2012年2月強(qiáng)度變化情況如圖3。

圖3 分區(qū)2淤泥質(zhì)黏土層強(qiáng)度值增長(zhǎng)情況

2 垃圾強(qiáng)度參數(shù)取值及邊坡穩(wěn)定分析模型

考慮垃圾抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨填埋齡期發(fā)生變化。邊坡穩(wěn)定分析模型如圖4所示，由于垃圾產(chǎn)生壓縮，每層垃圾厚度約為7 m（底層和上層除外），上層垃圾至底層垃圾的強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)上述研究成果，其中淺層取c=10 kPa，φ=15°，下臥層根據(jù)浙江大學(xué)巖土所的經(jīng)驗(yàn)可依次取c=5 kPa，φ=20°；c=5 kPa，φ=25°；c=5 kPa，φ=28°，如表 3所示。

圖4 上海老港生活垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響的分析模型

3 1B單元垃圾堆體邊坡軟土地基強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)穩(wěn)定性的影響

本文分析了東側(cè)邊坡在不同固結(jié)度情況下的穩(wěn)定性，邊坡穩(wěn)定分析方法采用目前國(guó)內(nèi)外邊坡工程設(shè)計(jì)常用的極限平衡分析法，采用GEOSLOPE軟件包中Slope/W進(jìn)行計(jì)算。

1B單元自2007年開始填埋至今分為2個(gè)階段：第1層填埋作業(yè)至2008年3月28日結(jié)束，地基排水固結(jié)2 a；2010年3月28日開始第2層填埋，大約在127 d后結(jié)束第2層填埋作業(yè)，地基排水固結(jié)從2010年8月2日至今約18個(gè)月。

第1層填埋作業(yè)完成時(shí)，地基上覆荷載增加，而地基排水固結(jié)剛開始，強(qiáng)度增長(zhǎng)很小，故該時(shí)刻為第1階段的危險(xiǎn)時(shí)刻，采用Slope/W進(jìn)行計(jì)算可得2008年3月28日的安全系數(shù)Fs=2．359，邊坡處于穩(wěn)定階段，見圖5。主水位取高程3 m，為2010年7月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所得的主水位高程。垂直防滲帷幕外側(cè)地下水水位取高程3 m，為工程勘測(cè)資料數(shù)據(jù)。

第2層填埋作業(yè)開始時(shí)，邊坡地基中淤泥質(zhì)黏土層和黏土層在塑料排水板作用下加速排水固結(jié)2 a，固結(jié)度和強(qiáng)度增長(zhǎng)值均隨時(shí)間遞增，由分區(qū)1強(qiáng)度增長(zhǎng)分析方法可算得東側(cè)邊坡地基各分區(qū)的固結(jié)度和強(qiáng)度增長(zhǎng)值，至2010年3月28日，地基各分區(qū)的固結(jié)度均達(dá)到96%以上。由圖6可知，處于危險(xiǎn)滑動(dòng)面上分區(qū)2的淤泥質(zhì)黏土層強(qiáng)度從20．6 kPa增長(zhǎng)至28．6 kPa，故邊坡安全系數(shù) Fs增長(zhǎng)至 2．543。

填埋第2階段，1B單元經(jīng)過約127 d的快速加載，地基上覆荷載大幅增加，而地基排水固結(jié)在新荷載下無法短時(shí)間固結(jié)完成，即地基強(qiáng)度增長(zhǎng)很小，第2層填埋結(jié)束時(shí)為第2階段的危險(xiǎn)階段，計(jì)算得2010年8月2日的安全系數(shù)Fs=1．532，邊坡處于穩(wěn)定階段，見圖7。第2層填埋后，危險(xiǎn)滑動(dòng)面向邊坡內(nèi)部延伸，其經(jīng)過2、3分區(qū)的淤泥質(zhì)黏土層。

圖7 2010年8月2日上海老港生活垃圾填埋場(chǎng)東側(cè)邊坡地基穩(wěn)定性分析結(jié)果

在第2階段加載完后1．5 a內(nèi)沒有繼續(xù)加載，東側(cè)邊坡地基處于恒載排水固結(jié)，至2012年2月2日，地基各分區(qū)固結(jié)度均達(dá)到97%以上，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs為1．578，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，見圖8。

圖8 2012年2月2日上海老港生活垃圾填埋場(chǎng)東側(cè)邊坡地基穩(wěn)定性分析結(jié)果

1B單元東側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。軟土地基排水固結(jié)引起的地基強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性提高有一定的促進(jìn)作用。第1階段通過2 a的地基排水固結(jié)使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)增長(zhǎng)了0．181，第2階段通過1．5 a的地基排水固結(jié)使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)增長(zhǎng)了0．046。第2階段安全系數(shù)增長(zhǎng)不明顯的主要原因是危險(xiǎn)滑動(dòng)面經(jīng)過的分區(qū)2上覆荷載在第2層填埋時(shí)未改變，分區(qū)2在第2階段填埋開始時(shí)固結(jié)度已達(dá)98%，地基強(qiáng)度增長(zhǎng)已基本完成。第2層填埋結(jié)束時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)從2．543驟降至1．532，若繼續(xù)在邊坡位置快速填埋，安全系數(shù)將接近警戒值1．3，故邊坡填埋速度與高度是決定邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的主要因素。每一階段的填埋結(jié)束點(diǎn)均為該階段的邊坡穩(wěn)定性危險(xiǎn)點(diǎn)，故需以該時(shí)間點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行分析來指導(dǎo)填埋作業(yè)的填埋速度與高度。1B單元東側(cè)邊坡從開始填埋至今，安全系數(shù)均大于1．3，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 上海老港生活垃圾填埋場(chǎng)東側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

建造于軟土地基上的南方垃圾填埋場(chǎng)，由于其地基的特殊性及南方垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液水位普遍較高，軟土地基強(qiáng)度增長(zhǎng)是該類型填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析的關(guān)鍵因素。垃圾場(chǎng)邊坡部分軟土地基因垃圾厚度不同而造成附加應(yīng)力有所不同，固結(jié)引起的地基抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)相差較大，宜進(jìn)行地基分區(qū)處理；軟土地基排水固結(jié)引起的地基強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性提高具有明顯作用；每一階段的填埋結(jié)束點(diǎn)均為該階段的邊坡穩(wěn)定性危險(xiǎn)點(diǎn)，故需分析該時(shí)間點(diǎn)為穩(wěn)定性指導(dǎo)填埋作業(yè)的填埋速度與高度。

［1］錢學(xué)德，郭志平，施建勇．現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)與施工［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001．

［2］ Zhang W J，Qiu Q W．Analysis of Contaminant Migration through Vertical Barrier Walls in a Landfill in China［J］．Environ Earth Sci，2010，61（4）：847-852．

［3］張文杰，林偉岸，陳云敏．垃圾填埋場(chǎng)孔壓監(jiān)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S2）：3628-3632．

［4］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．

Stability Analysis of Landfills Lying on Soft Soil Foundation

Liu Yujiang1，2
（1．Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430068；2．Shanghai Laogang MSW Treatment Co．，Ltd，Shanghai201302）

Based on slope stability analysis of Shanghai Laogang Waste Landfill Site,the effects of strength growth of soft soil foundation，main leachate level and perched leachate level on slope stability of the landfill site were researched．According to parameter analyses，the results showed that strength growth of soft soil foundation caused by drainage consolidation could improve slope stability．The end time of each landfilling operation is a dangerous point of the slope stability in each stage，so slope stability should be analyzed to guide landfilling speed and height by taking these points as the reference points．

landfill site；slope stability；soft soil foundation；strength growth

TU43；TU993．3

A

1005-8206（2012）04-0057-04

2012-03-06

劉玉江（1970—），在讀碩士，工程師，主要從事固體廢物填埋場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理。

（責(zé)任編輯：鄭雯）