考慮滲瀝液作用的垃圾填埋體組合破壞穩(wěn)定分析

欒金龍，施建勇

(河海大學(xué)教育部巖土力學(xué)與堤壩工程重點實驗室，江蘇南京 210098)

現(xiàn)代城市生活垃圾填埋場，特別是使用多層復(fù)合襯里的垃圾填埋場，填埋體失穩(wěn)破壞的主要形式是由襯里剪切強度控制的平移滑動破壞［1-2］。垃圾填埋體沿底坡和背坡襯里軟弱界面滑動是已得到工程界認同的平移滑動破壞形式。錢學(xué)德等［3-4］利用極限平衡理論先后建立了填埋體雙楔體、三楔體平移滑動破壞分析計算方法;馮世進等［5］對這一方法進行了發(fā)展和完善，同時許多學(xué)者也相繼研究了復(fù)合襯里軟弱界面的強度特性［6-7］。施建勇等［8］根據(jù)垃圾填埋體邊坡可能出現(xiàn)的組合破壞形式，即滑動面穿過垃圾填埋體內(nèi)部和底部襯里界面，推導(dǎo)出考察組合平移滑動破壞的穩(wěn)定計算公式，得出組合破壞是垃圾填埋體可能破壞形式之一的結(jié)論，但該方法并沒有考慮滲瀝液的影響，而垃圾填埋場中滲瀝液普遍存在，且是誘發(fā)垃圾填埋體失穩(wěn)破壞的最主要原因。在我國，根據(jù)GB16889—2008《生活填埋場污染控制標準》［9］規(guī)定，垃圾填埋場內(nèi)滲瀝液的最大水位應(yīng)控制在30 cm以下。由于一些老垃圾填埋場內(nèi)沒有滲瀝液收集和排放系統(tǒng)，或這些系統(tǒng)不能正常運行，或突發(fā)高強度降雨等因素均會造成垃圾填埋場內(nèi)滲瀝液水位過高，因此在分析研究垃圾填埋體的穩(wěn)定性時考慮滲瀝液的影響非常必要。本文在文獻［8］分析方法的基礎(chǔ)上，對垃圾填埋體在滲瀝液影響下的組合平移滑動破壞進行分析。

圖1 組合破壞滑動楔體受力示意圖Fig.1 Sketch of forces on composite failure slip wedge

1 考慮滲瀝液作用的組合破壞穩(wěn)定分析方法

1.1 組合破壞楔體的受力分析及滲瀝液位置

在圖1中，五邊形OQCDE為垃圾填埋體截面示意圖［8］。α、ξ分別為填埋體前后坡面與水平面的夾角;坡頂DE的長度為BT;背坡OQ的高度為HQ，與水平面的夾角為β0，背坡以上填埋體的高度為HT;底坡QC與水平面的夾角為θ0;B點為滑動楔體ABCDE底坡滑動面的端點，處于底坡CQ上。設(shè)λ=LBQ/LCQ(L為長度，下標為線段2個端點)，過B點的水平線與CD交于G，背坡坡頂?shù)紹處的高度為HS;填埋體內(nèi)部主動破壞面BF與水平面的夾角為θ，BF上受到的總凝聚力為cBF，受到的支撐力為R;滑動破壞面AB上的摩擦角為φ，與水平面的夾角為γ，AB上受到的凝聚力為cAB，受到的主動土壓力為E;底坡滑動面BC上受到的總凝聚力為cBC、正壓力為NP，摩擦力為f;OB與水平面的夾角為β;垃圾填埋體的凝聚力為csw，內(nèi)摩擦角為φsw，密度為ρsw。不考慮滲瀝液影響時滑動楔體ABCDE的重力為W，破壞楔體ABFDE的重力為W1［8］，考慮滲瀝液的影響后，分別變?yōu)閃+ΔW與W1+ΔW1。

圖2 簡化滲瀝液水位及水壓力示意圖Fig.2 Sketch of simplified leachate water levels and water pressures

根據(jù)垃圾填埋場內(nèi)滲瀝液的各種分布情況，總結(jié)歸納后統(tǒng)一簡化為如圖2所示，背坡水位PK平行于背坡，底坡水位PM與水平面成θw角。事實上滲瀝液的浸潤線既不成直線也不平行于背坡，但上述簡化水位假設(shè)偏于安全［3］。若θw=0，即滲瀝液的水面平行于底部的坡度，這是垃圾填埋場正常運行時滲瀝液的水位情況;如果θw=θ0，即垃圾填埋場內(nèi)滲瀝液的水面在底部是水平的，在背坡面是平行于背坡的，這種情況會發(fā)生于一個運行中的垃圾填埋場，前坡已經(jīng)鋪設(shè)了部分臨時或最終覆蓋，而滲瀝液抽水泵發(fā)生故障或斷電的情況。背坡水位線到背坡的豎直距離記為背坡水位hwb，底坡上Q點到底坡水位線的豎直距離記為底坡水位hw，考慮滲瀝液水位的影響時，底坡和背坡上的滲瀝液水頭通常是不相同的，考慮到背坡比底坡坡度大，排水速度快，可以認為hw≥hwb，由滲瀝液水頭產(chǎn)生的孔隙水壓力分別作用于BF面、背坡AB面和填埋體底部BC面，分別被記為U1、U2和UP。O處的水平線、K處PK的垂線、P處PK的垂線分別交AB于A'、K'、P'。在滑動面AB上，A'K'段受到的水壓力計為U21，P'K'段受到的水壓力計為U22，BP'段受到的水壓力計為U23，則AB面受到總水壓力U2=U21+U22+U23。

如圖2所示，在底坡BC面上，因底坡滲瀝液水位的存在，而使得BC面受到的水壓力UP的表達式為

1.2 滑動面AB上滲瀝液的作用力和滑動楔體重力的變化

考慮滲瀝液作用，要獲得與γ角對應(yīng)的滑動面AB上滲瀝液的作用力U2和滑動楔體重力W變化ΔW的表達式，需要根據(jù)由γ角和λ確定的AB面的位置進行分類，S表示滑動楔體浸沒在滲瀝液中的面積。

a.如圖3(a)所示，當AB面在背坡滲瀝液水位PK以下時:

圖3 滑動破壞面與水位線的不同位置關(guān)系Fig.3 Different locational relationships between failure surface and leachate level

b.如圖3(b)所示，當AB面在背坡滲瀝液水位PK以上時:

該情況下若AB面都在底坡水位以下時，如圖4所示:

圖4 底坡水位淹沒背坡破壞面Fig.4 Water level of bottom slope inundates bacKslope of failure surface

c.如圖3(c)所示，當AB面穿過背坡和底坡滲瀝液水位PK時:

d.如圖3(d)所示，當AB面僅穿過背坡滲瀝液水位PK時:

1.3 破壞面BF上滲瀝液的作用力和填埋體ABFDE重力的變化

要獲得與θ角對應(yīng)BF面上滲瀝液的作用力U1和填埋體ABFDE重力W1變化ΔW1的表達式，需要根據(jù)由θ角確定的F點的位置進行分類。

a.當F點在底坡滲瀝液水位以下時:

b.當F點在底坡滲瀝液水位以上時:

1.4 安全系數(shù)的計算及破壞面的確定

W、LAB、LΔAB、W1、LBF、LΔBF的計算公式參考文獻［8］，根據(jù)庫倫主動土壓力理論，由填埋體ABFDE的受力平衡，可得背坡滑動面AB上的土壓力BF面上的土壓力:

式中:c、φ——與水平面成γ角的滑動面AB的凝聚力、摩擦角，當AB面處于填埋體內(nèi)部時，取為垃圾填埋體的凝聚力和摩擦角。當θ角從0°到(180°-β)變動的過程中，得到E(θ)的最大值Emax即為AB面上的主動土壓力E。再運用剛體極限平衡理論［10］研究滑動楔體ABCDE的受力，推得BC破壞面上的NP與f的表達式，進而可以得到安全系數(shù):

當γ角在β到90°，以及BC在O～LCQ長度范圍內(nèi)變動，F(xiàn)S(γ)取得最小值(只在正值范圍內(nèi)考慮)時，對應(yīng)的BC和γ即確定了安全最不利滑動面BC和AB的傾斜角，此時的FS(γ)即為填埋體安全系數(shù)FS。

2 滲瀝液影響下填埋體組合破壞穩(wěn)定分析計算實例

2.1 有滲瀝液水位的雙復(fù)合襯里案例

選用文獻［11］中的假定雙復(fù)合襯里案例進行有滲瀝液情況(背坡和底坡的水位均與坡面平行)的穩(wěn)定分析，使用相同的填埋體力學(xué)和幾何特性等參數(shù)。垃圾填埋體土的飽和密度參照經(jīng)驗取為(ρsw)sat=1430 kg/m3。取hwb為0.30 m，底坡水位從0 m逐漸增加到15 m，使用本文算法可以得到破壞面經(jīng)過各個底坡襯里界面的安全系數(shù)變化趨勢，見圖5(a)。結(jié)果表明，破壞面經(jīng)過界面Ⅰ和界面Ⅱ的安全系數(shù)隨著底坡水位的升高而減小。文獻［11］雙楔體法以及常規(guī)極限平衡分析軟件GeoStudio中SLOPE/W模塊的Janbu法(Geoslope算法)［12］計算結(jié)果對比見圖5(b)。由圖5(b)可以看出:對于使用襯里系統(tǒng)的垃圾填埋體，本文算法計算的安全系數(shù)與Geoslope軟件計算的結(jié)果比較接近。在水位較低時滑動破壞發(fā)生在襯里界面，而水位較高時破壞面為穿過垃圾填埋體內(nèi)部和底部襯里的組合破壞面，且是垃圾填埋場邊坡最危險的情況，滲瀝液對垃圾填埋體邊坡組合破壞的影響應(yīng)引起關(guān)注。

圖5 安全系數(shù)計算值隨0～15 m底坡水位的變化Fig.5 Calculated safety factors changing with leachate level of bottom slope(from 0 to 15 m)

圖6 簡化垃圾填埋場剖面及幾種水位示意圖Fig.6 Sketch of simplified profile of landfill and several water levels

2.2 某垃圾填埋場滑坡工程實例［13-14］

某垃圾填埋場位于深圳市郊的丘陵地帶。自垃圾填埋場建設(shè)和生產(chǎn)以來，其北側(cè)的山體斜坡區(qū)曾發(fā)生坡面裂縫擴展、延伸等滑坡演變跡象。

圖6是滑坡所在區(qū)域的一個典型剖面的簡化示意圖，根據(jù)實際滑坡情況取λ為0。垃圾填埋體α=13.4°，β0=22.1°，θ0=-1.9°，HQ=35.00 m，HT=0，BT=0.90 m，失穩(wěn)時現(xiàn)場底坡水位hw達到32.00 m以上。垃圾填埋體土的凝聚力取 0，摩擦角取 35.0°［13］，ρsw=1 710 kg/m3，(ρsw)sat=1910 kg/m3，根據(jù)實際情況反分析的結(jié)果［14］，襯里系統(tǒng)凝聚力取為 0.0 kPa，摩擦角為 20°。

按照圖6所示典型剖面的簡化情況，坡底水位最低為1.79 m，計算分析時，設(shè)背坡水位采用規(guī)范中的最高允許水位30 cm，且平行于背坡，分析底坡水位從2.00 m增大到32.00m坡體的穩(wěn)定性，計算結(jié)果如圖7所示。

對于此工程實例，運用本文算法，依照規(guī)范［15］，與安全系數(shù)1.3對應(yīng)的警戒水位接近22.00 m，當?shù)灼滤桓哂?5.00 m時計算的安全系數(shù)開始降低到臨界值1.0以下，見圖7。而此案例的水位接近坡面，比25.00 m還高，顯然不穩(wěn)定，實際工程已經(jīng)發(fā)生破壞跡象。計算結(jié)果還表明，隨著底坡水位的升高，填埋體背坡滑動面通過填埋體內(nèi)部的安全系數(shù)降低，在垃圾填埋場的設(shè)計中，建議使用包括本文算法在內(nèi)的多種算法進行邊坡穩(wěn)定性檢驗。

3 結(jié) 論

a.破壞面背坡沿垃圾填埋體內(nèi)部、底坡沿襯里界面的組合破壞是垃圾填埋體可能的破壞形式之一，滲瀝液作用下組合破壞的穩(wěn)定計算方法得到了完善。

b.在滲瀝液水位較低時滑動破壞發(fā)生在襯里界面，而水位較高時破壞面背坡將處于填埋體內(nèi)部，即破壞面為穿過垃圾填埋體內(nèi)部和底部襯里的組合破壞面;實際工程穩(wěn)定分析時，組合破壞也應(yīng)進行穩(wěn)定驗算。

c.通過某固體廢棄物填埋場失穩(wěn)邊坡計算分析，結(jié)果表明，隨著底坡水位的升高，垃圾填埋體背坡滑動面通過填埋體內(nèi)部的安全系數(shù)不斷降低，當?shù)灼滤簧叩揭欢ǚ秶鷷r，安全系數(shù)降低至失穩(wěn)破壞，滲瀝液水位過高是引起實際垃圾填埋場邊坡失穩(wěn)的主要原因之一。

圖7 安全系數(shù)F S隨底坡水位h w的變化趨勢Fig.7 Change trend of safety factor F S with variation of water level h w of bottom slope

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