暴雨條件下LFG氣壓力對垃圾堆場穩(wěn)定性的影響分析

陳俊禮 姚夏蘭

摘 要 垃圾堆場由于特殊的物質(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，大量滲入堆場的雨水堵塞填埋氣體-LFG運(yùn)移通道，導(dǎo)致堆場內(nèi)部產(chǎn)生封閉氣壓，濕潤區(qū)以下的封閉氣壓產(chǎn)生的頂托作用使得堆場極有可能沿著濕潤鋒滑移。因此基于非飽和土滲流理論，建立考慮暴雨入滲的氣-液-固多場耦合的堆場穩(wěn)定分析模型。通過耦合軟件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)堆場安全系數(shù)的變化趨勢，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強(qiáng)降雨工況下的垃圾堆場穩(wěn)定性分析。

關(guān)鍵詞 垃圾堆場;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，其過程產(chǎn)生大量的填埋氣體-Land Fill Gas（LFG）。填埋氣如不及時排出，會使垃圾堆場體內(nèi)氣壓增大，導(dǎo)致垃圾體有效應(yīng)力減小，從而對垃圾堆場的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，使垃圾堆體坍塌，甚至危及填埋場周圍居民的生命財產(chǎn)安全[1]?？梢奓FG氣壓力是影響垃圾堆場穩(wěn)定性的重要因素之一。

在暴雨條件下，大量滲入堆場的雨水堵塞LFG運(yùn)移通道，使得堆場內(nèi)部出現(xiàn)一個封閉氣壓力場，封閉氣壓會隨著濕潤線的推進(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內(nèi)部封閉氣壓場的存在，建立了暴雨入滲的氣-液-固多場耦合的堆場破壞預(yù)測模型，研究暴雨條件下LFG氣壓力對垃圾堆場的穩(wěn)定性影響，可為暴雨條件下垃圾堆場安全評價提供理論保障。

1暴雨條件下堆場穩(wěn)定分析模型

如圖1所示的垃圾填埋場邊坡，暴雨入滲過程中，土體濕潤鋒也就是最危險滑動面為ABCD。由于滑動面為非直線非圓弧的不規(guī)則形狀，故先將滑動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：

對整個邊坡而言，均為內(nèi)力且滑動土體無水平外力作用，然后根據(jù)=0可得堆場安全系數(shù)的表達(dá)式為：

運(yùn)用有限元軟件COMSOL求解垃圾土固-液-氣三相耦合計算模型，將邊坡模型不同時間步濕潤鋒處的孔隙水壓、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穩(wěn)定分析模型式（2），即可求出不同時間點(diǎn)的堆場安全系數(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破壞預(yù)測模型對堆場進(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，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建立垃圾堆場的計算模型：

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穩(wěn)定性有一定風(fēng)險，本文方法偏于安全。在降雨中期，雖然本文方法計算得到的安全系數(shù)降低幅度較前期放緩，但總體數(shù)值仍小于傳統(tǒng)方法，可見本文方法在這一階段仍然適用。

在降雨后期，隨著濕潤鋒不斷下移，濕潤區(qū)產(chǎn)生更多的封閉氣泡，從而使土體滲透系數(shù)下降，濕潤鋒上方的非飽和區(qū)不斷加寬，濕潤鋒處基質(zhì)吸力增長幅度逐漸減小，同時封閉氣泡的擠壓作用會使?jié)駶檯^(qū)產(chǎn)生附加孔壓，大大降低有效應(yīng)力，這時堆場很可能會出現(xiàn)一個沿濕潤區(qū)內(nèi)部圓弧面的滑動破壞。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，對堆場的穩(wěn)定分析更加準(zhǔn)確[2]。

3結(jié)束語

（1）雨水入滲垃圾填埋場過程中會占據(jù)土體孔隙，使得填埋氣發(fā)生運(yùn)移，且雨水會增加上部土體容重，使得堆場進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整從而發(fā)生變形，因此本文在對暴雨工況下的填埋場穩(wěn)定性分析時，首先基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，建立了垃圾堆場固-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鋒與襯墊層之間，在堆場內(nèi)形成一個封閉且不穩(wěn)定的氣壓場。隨著濕潤鋒的不斷推進(jìn)，封閉氣壓不斷增大，氣體產(chǎn)生的頂托作用使得堆場在暴雨工況下的破壞模式極有可能是沿著坡面濕潤鋒的滑移破壞?；诖?，本文建立考慮暴雨入滲的氣-液-固多場耦合的堆場破壞預(yù)測分析模型。通過算例，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強(qiáng)降雨工況下的垃圾堆場穩(wěn)定分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝焰，陳云敏.考慮氣固耦合填埋場沉降數(shù)學(xué)模型[J].巖土工程學(xué)報，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水分運(yùn)移及其穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué)，2012（33）：3153-3154.