城鎮(zhèn)固廢填埋場自身穩(wěn)定可靠度研究

張建國 寧培

摘要：隨城鎮(zhèn)化進程加快，日益增長的城鎮(zhèn)固廢物處理將引起政府高度重視，但目前就固廢堆積物堆存設計仍沿用傳統(tǒng)巖土行業(yè)規(guī)范，未有專業(yè)設計規(guī)范，研究成果的可靠性有待商酌。本文針對固廢堆積物自身較大變異性的特點，在垃圾壩和固廢堆積物整體數(shù)值模型基礎上，進行固廢堆積物自身穩(wěn)定可靠性研究，并與傳統(tǒng)巖土行業(yè)設計成果比對，說明現(xiàn)行固廢處置場設計安全存在的不確定性，為今后固廢填埋場設計提供參考。

關鍵詞：固廢堆積物;變異性;可靠性研究

Abstract：According to the characteristics of solid waste accumulation itself larger variability， On the basis of the numerical model of waste dam and solid waste accumulation， Study on the accumulation of its stability and reliability of solid waste，Compared to the traditional industry design results，and explain the uncertainties in security of the current design of solid waste disposal field. It provides a reference design for future solid waste landfill.

Keywords：solid waste accumulation;variability;reliability study

隨我國城鎮(zhèn)化進程加快，產(chǎn)生的城鎮(zhèn)固體廢棄物（MSW）急劇增長，由于其對環(huán)境的不利影響，其統(tǒng)一收集和無害化處置也便越來越引起環(huán)境管理部門的重視。當前國內(nèi)外城鎮(zhèn)固體廢棄物處理方式主要由填埋、焚燒等方式，其中填埋技術由于處理類型廣、處理量大、實施簡單且費用較低，成為固廢處理的主要方式。

一、固廢處理個別案例

2015年12月20日，在中國最發(fā)達的城市發(fā)生了最不可思議的泥石流，廣東深圳市光明新區(qū)鳳凰社區(qū)恒泰裕工業(yè)園發(fā)生山體滑坡，附近西氣東輸管道發(fā)生爆炸。根據(jù)現(xiàn)場指揮部21日上午9時發(fā)布的最新消息，失聯(lián)91人，其中59名男性，32名女性。初步查明深圳光明新區(qū)垮塌體為人工堆土，原有山體沒有滑動。人工堆土垮塌的地點屬于淤泥渣土受納場，主要堆放渣土和建筑垃圾。由于堆積量大、堆積坡度過陡，導致失穩(wěn)垮塌，造成多棟樓房垮塌。

填埋技術由于處理類型廣、處理量大、實施簡單且費用較低，成為固廢處理的主要方式。城鎮(zhèn)固廢處置場一般規(guī)模較大，多位于城鎮(zhèn)周邊，一旦失事不但影響環(huán)境，還會造成嚴重的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。2002年重慶沙坪壩區(qū)涼楓埡垃圾處置場因邊坡失穩(wěn)而滑塌，40萬m3垃圾將山坳碎石廠的三層樓宿舍瞬間吞沒，造成10人死亡;國外如英國244m的威爾士阿伯芬垃圾場曾滑入城里，導致800多人傷亡;2000年，菲律賓首都馬尼拉附近的一座大型垃圾填埋場發(fā)生滑塌，造成100多人喪生，數(shù)千人受傷;據(jù)不完成統(tǒng)計，僅60年代中期美國就曾有500多處垃圾堆發(fā)生災害。為何同類事件會如此頻繁發(fā)生，當我們不斷查找、分析施工或運行管理紕漏的同時，對垃圾處置場整體穩(wěn)定性研究同樣需要引起我們的重視。

二、固廢處置研究現(xiàn)狀

我國已建的固廢處置場多數(shù)屬山谷型處置場，它主要由襯墊系統(tǒng)、滲濾液收集和排放系統(tǒng)、氣體收集和導排系統(tǒng)及封頂系統(tǒng)等幾部分組成，由于山谷型其獨有的地形地貌、降雨匯集條件和堆存量要求，其堆積物自身失穩(wěn)是該類型填埋場最為常見的破壞形式。當前對垃圾堆積物自身的穩(wěn)定性研究，國內(nèi)沒有一套專門的規(guī)范可參照，就目前新編的《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術規(guī)范》也僅提及了垃圾壩壩體、庫區(qū)地基邊坡相關設計條款，而且還是參照其他巖土行業(yè)規(guī)范執(zhí)行，而關于堆積體自身的穩(wěn)定性問題更無跡可循。基于此，國內(nèi)研究學者和設計人員一般參照其他巖土行業(yè)邊坡穩(wěn)定分析方法來處理堆積物自身穩(wěn)定問題，主要的計算方法有剛體極限平衡法、有限元和有限差分法等，其中剛體極限平衡安全系數(shù)法由于概念清晰、操作簡單，且在土木和水利等傳統(tǒng)行業(yè)普遍應用，因而也在固廢堆積物自身穩(wěn)定研究中得以廣泛應用。

傳統(tǒng)巖土行業(yè)涉及到的邊坡穩(wěn)定問題，由于其歷經(jīng)大量工程實例，所采用的計算方法及其評價標準都積累于豐富的工程經(jīng)驗考證;而針對固廢填埋場不同于一般巖土體的新型特殊填土，物質組織主要包括有食品、動植物殘骸、皮革、橡膠、塑料、木料、玻璃及石塊等生活垃圾，由于其特定的物質組成、填埋工藝和生物降解作用等，其力學特性不僅與傳統(tǒng)行業(yè)碾壓土壩、土質邊坡等一般巖土體存在差異較大，而且其自身隨時間推移其力學特性也隨之變化?；诖?，將其他積累了豐富經(jīng)驗的傳統(tǒng)行業(yè)安全系數(shù)法及其評價標準直接應用于固廢堆積物穩(wěn)定研究上，是否能說明二者具有相同可靠程度，便值得固廢填埋場設計人員考證。

三、固廢堆積物可靠度分析理論

1.固廢堆積物自穩(wěn)可靠度理論

可靠度理論是描述預測過程中所包含的重要不確定性，并把這些不確定性納入可靠性分析，來評價結構破壞風險的計算理論。其不同于單一安全系數(shù)法采用“絕對安全”或“必然破壞”兩種絕對的表述來研判，而是采用“可能性”能表述立場，其表現(xiàn)形式通常有失效概率Pf、穩(wěn)定概率Ps、可靠指標β。失效概率是指達到或超過承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)中的某一極限的概率，與穩(wěn)定概率是互補的，是實際工程中應用最為廣泛的。可靠指標是用以度量結構構件可靠度的指標。固廢堆積物自身穩(wěn)定性或其可靠度，可用功能函數(shù)Z表示：

Z=g（X1，X2，…，Xn）

式中：Z—穩(wěn)定系數(shù)或安全儲備，在確定性分析方法下認為是安全系數(shù)，在可靠性分析下便是隨機變量;X—影響固廢堆積體穩(wěn)定的相關變量，包括容重、摩擦角、黏聚力、地下水位等。當Z=0時，表示穩(wěn)定性達到極限狀態(tài)，當Z>0時，表示穩(wěn)定，當Z<0時，表示不穩(wěn)定。為直觀說明失效概率，在采用剛體極限平衡法進行固廢堆積物穩(wěn)定分析時，可以將功能函數(shù)Z簡化用荷載效應S和抗力作用R兩個隨機變量來表示：

Z=g（R，S）=R-S

圖1表示R與S的概率密度函數(shù)曲線，在曲線重疊區(qū)內(nèi)，如果R<S，則失效，其失效概率與重疊區(qū)的大小有關。當R>0，S>0時，失效概率可以表示為：

當采用剛體極限平衡簡化Bishop法進行固廢堆積物穩(wěn)定計算時，可簡化擬定荷載效應S和抗力作用R分別為：

式中：Wi—第i個滑動條塊自重;μi—第i滑動條塊底部的孔隙壓力; ? ? ? αi—第i滑動條塊底滑面的傾角;bi—第i滑塊條塊寬度;ci、φi—第i滑動條塊底面的有效凝聚力和內(nèi)摩擦角;K—安全。

在工程評價和設計過程中，以上涉及的容重、孔隙水壓及抗剪斷參數(shù)均可以按變量考慮，并通過統(tǒng)計和樣本觀察推斷其概率分布、變異性，由此來進行失效概率的推求（圖1、2）。

2.設計參數(shù)分布

巖土失穩(wěn)可靠度評價過程中，容重相對其他指標而言，因變異系數(shù)在3%-7%之間，小于0.1%，在《地質災害防治工程勘察規(guī)范》（DB50/14-2003）中巖土體參數(shù)指標變異性級別為很低，可以將其同結構尺寸參數(shù)等同視為定值處理。根據(jù)國外Duncan對近二十年一般巖土體參數(shù)變異系數(shù)統(tǒng)計，結合國內(nèi)李鏡培和高大釗對40多個場地勘察資料的收集分析，黏土體抗剪斷參數(shù)f、c變異系數(shù)分別在0.1、0.3左右。而垃圾堆積物由于其組成的特殊性，其力學特性與其他一般巖土體之間存在一定的差異，筆者應用文獻針對北京某一垃圾填埋場工程的物理力學性質指標試驗成果，初步擬定摩擦系數(shù)、黏聚力變異系數(shù)分別為0.17、0.41，概率模型均服從正態(tài)分布?？紫端畨浩涓怕史植技白儺愋杂捎诖嬖凇⒆饔眯问降牟町?，變異性存在很大不同，是一個相當復雜的問題，針對本文的重點在于研究固廢堆積物自穩(wěn)是否能用常規(guī)巖土體評價標準衡量，所以本文中對孔隙水壓概率分布及變異性也不進行深入研究，暫按正態(tài)分布，變異系數(shù)0.1考慮。

四、工程實例

某城鎮(zhèn)一大型垃圾填埋場，垃圾壩采用碾壓土石壩，壩頂寬4.5m，內(nèi)坡1∶1.8，外坡1∶2.0，壩頂高程275.00m，最大壩高10m。堆積體物以1：3放坡，最大堆積體高度24m，每隔8m布置1平臺，平臺寬度3m。填埋場典型結構模型如圖3，垃圾填埋場自穩(wěn)可靠度穩(wěn)定性分析相關物理力學參數(shù)參見表1。

為剖析垃圾堆積物與一般性巖土體可靠度的差異，特建立抗剪斷標準值模型進行計算成果的對比，來說明采用與一般巖土體同一套設計標準來評價垃圾堆積物自穩(wěn)的合理性（圖4、5）。

從圖4、5成果可知：（1）在相同重度、孔隙水壓及抗剪斷均值情況下，同一計算模型垃圾堆積物和一般巖土體自穩(wěn)安全系數(shù)同為1.30，均滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》Ⅰ級邊坡和《碾壓式土石壩設計規(guī)范》Ⅰ級壩坡正常運行狀況下的安全系數(shù)要求。（2）但可靠度分析成果同時顯示，二者可靠指標相差近兩倍，垃圾堆積物失效概率為14.35%，穩(wěn)定概率僅為85.65%，簡而言之，建造100座同類型垃圾堆積物處置場，存在近15座失穩(wěn)的可能。而同樣類型的一般巖土體，其失效概率僅為1.85%，穩(wěn)定概率達98.15%。通過失效概率的對比，可以發(fā)現(xiàn)同一計算模型下，一般巖土體有相當大的可靠保證，這也驗證了常規(guī)行業(yè)一般巖土體穩(wěn)定評價采用定值K=1.3標準的合理性，然而固廢行業(yè)同樣采用定值K=1.3來評價其垃圾堆積物自穩(wěn)，便顯得不盡合理。

五、結論

根據(jù)固廢可靠度分析理論的深入研究，并通過實際工程案例的分析比較，研究成果表明由于固廢堆積物自身的變異性，固廢行業(yè)采用與傳統(tǒng)巖土行業(yè)一致的邊坡安全評價標準進行工程設計是不合時宜的，固廢行業(yè)設定符合其自身特點的堆積物穩(wěn)定評價標準是必要的。但受固廢堆積物自身組成的復雜性，且國內(nèi)對相關基本參數(shù)統(tǒng)計研究工程的缺乏，目前并沒有值得信賴可靠的基本物理力學統(tǒng)計參數(shù)可以使用，所以后期進行詳實的城鎮(zhèn)固廢土性指標概率特性研究是非常有必要的。也只有基于此，才能制定一套合理而經(jīng)濟的固廢堆積物穩(wěn)定評價標準。

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作者簡介

張建國（1983.01-），男，漢族，湖南省長沙市人，碩士研究生學歷，中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司高級工程師，主要研究方向：水利水電工程、巖土工程。