某危險廢物安全填埋場擴容穩(wěn)定性分析與應用

易平

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

截至2017 年12 月， 杭州市危險廢物處置中心安全填埋場一期工程已經(jīng)填埋至+76.80 m 標高，接近設計的+80 m 標高和預期庫容量， 需準備進行填埋區(qū)二期擴容設計。 依據(jù)規(guī)劃，二期堆體將擴容至+96 m。 為保證二期擴容后堆體的穩(wěn)定性和安全性，自2018 年5 月起某勘察單位對填埋場現(xiàn)狀進行了勘查測量。經(jīng)過穩(wěn)定性分析和計算論證，認為該擴容工程在整體上是穩(wěn)定安全的。

1 填埋場工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

杭州市危險廢物處置中心安全填埋場工程是杭州市危險廢物處理處置系統(tǒng)的重要組成部分。 該項目位于杭州市余杭區(qū)崇賢鎮(zhèn)南山林場佛日塢西塢山半山腰，交通和運輸條件較為便利。所在場地屬丘陵貌，填埋場地形為三面環(huán)山，東南面方向開口狀，主要呈兩個V 字形的溝谷。 場區(qū)周圍植物生長茂盛，植被覆蓋率達90%。場地的地形地貌較復雜，人類工程活動破壞地質(zhì)環(huán)境程度強烈[1]。 一期工程設計基底高程為+50 m，頂高程為+80 m，安全填埋總建設規(guī)模（庫容）為 65.7×104m3。

1.2 水文氣象

填埋場位于東南沿海的亞熱帶邊緣地區(qū)， 屬溫暖濕潤季風氣候區(qū)，受海洋性氣候影響明顯，冬夏季風交替明顯， 冬季寒潮多， 夏季受臺風侵襲影響較大。 該地區(qū)降水主要集中在5 月到6 月以及9 月到來年1 月間，年平均氣溫為 16.3 ℃，多年平均降雨量為1 489.7 mm，風向以東北東南風為主，平均風速為 1.7 m/s，最大風速為 3.4 m/s。

1.3 工程地質(zhì)

該區(qū)域原始地層以強～中風化泥質(zhì)粉砂巖為主，紫紅色，局部灰白色。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，多呈碎塊及短柱狀，巖石主要成分為石英、云母，夾雜粉砂質(zhì)泥巖，局部泥巖呈魚鱗片狀。 巖石為軟巖，巖體較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ。 整體而言，該區(qū)域地質(zhì)條件較好，無斷層、滑坡、崩塌及巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

1.4 地震效應

所在場地抗震設防烈度為7 度， 地震峰值加速度為 0.10 g，地震反應譜特征周期值為 0.45 s，故設計地震分組為第一組， 屬于可進行建設的一般性地段，須進行抗震計算。

2 填埋庫區(qū)現(xiàn)狀

根據(jù)實地踏勘和現(xiàn)場實測， 一期堆體主要由主壩、分區(qū)壩、固廢堆積體及防滲系統(tǒng)組成。 主壩下游分為三級坡，排水棱體坡率約為1∶1.50，上面兩級坡率均為 1∶2.00。 固廢堆積體在標高約+70 m 以下采用約1∶3.40 斜坡坡率分層填埋而成， 表面采用橡膠雨布覆蓋。固廢堆積體在標高+70 m 以上，坡度相對較陡。填埋區(qū)外圍均已修建截洪溝與排水溝，并通過導排系統(tǒng)排至主壩下游。

一期堆積體長約170 m，目前坡高約33 m，坡角為 15°～30°，頂部局部坡角約 70°。 堆積體主要由主壩及固廢堆積體組成，主壩壩頂標高約+59.80 m，壩高 15.50 m；下游壩坡中部設置馬道，馬道標高+54.80 m，下游壩坡以坡度約為26°。 主壩兩岸壩肩設置排水溝，下游壩坡草皮護坡。 堆積體在標高約+68 m 以下均采用橡膠雨布熱焊形成整體，能將降雨排至主壩壩頂截水溝。一期堆體頂部呈倒扣臉盆形，堆積體頂部不填埋時采用雨布與廢棄汽車輪胎蓋住， 堆積體四周均設置有截洪溝。

3 勘察測量成果

建設方于2018 年5 月委托勘察單位在堆體上取樣進行土工試驗。試驗共布設鉆孔6 個，各孔均進行現(xiàn)場剪切試驗。

根據(jù)鉆探結(jié)果， 已填廢物填埋體及場地地層主要分為4 層，自上而下分別為：

1）①-1 層雜填土。 該層呈灰黑色、淺灰色，干～稍濕狀，稍密，主要由危廢焚燒后的固體廢物及生銹的鐵皮組成， 局部鉆探揭露該層含有廢棄的化學試劑瓶。該層固廢中摻了固化劑，強度較高，含水率、孔隙比、干密度及密實性在空間分布極不均勻，且為近期堆填，在自重下尚未完成固結(jié)，層厚約 2.70～5.40 m。

2）①-2 層雜填土。 該層呈灰黑色、淺灰色，局部黃褐色，稍濕狀局部濕，松散狀態(tài)，主要由危廢焚燒后的固體廢物及生銹的鐵皮組成， 局部鉆探揭露該層含有廢棄的化學或者醫(yī)用試劑瓶。該層密實性、成分較為復雜且在空間差異性較大，為近期堆填，在自重下尚未完成固結(jié)，揭露層厚 3.40～8.10 m。

3）①-3 層素填土。 該層呈紅褐色，稍濕狀，稍密，主要由泥質(zhì)粉砂巖風化料組成，風化巖粒徑約為40～100 mm，為修建主壩分層碾壓填筑而成。 在主壩揭露該層，層厚 8.50～10.20 m。

4）②層強風化泥質(zhì)粉砂巖。該層呈紫紅色，局部灰白色，節(jié)理裂隙發(fā)育；巖芯破碎，多呈碎塊及短柱狀。 巖石主要成分為石英、云母，夾雜粉砂質(zhì)泥巖，局部泥巖呈魚鱗片狀。 巖石多為軟巖，巖體較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ。 本次勘查揭露層厚為8.00～8.90 m，未揭穿，巖石質(zhì)量指標 RQD 為 45～55。

場地未見地表水匯集，堆體范圍內(nèi)未見地表水。鉆探揭露發(fā)現(xiàn)有上層滯水、 第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。 上層滯水主要分布在素填土中，水量較小，無統(tǒng)一地下水位，主要由大氣降水下滲補給。 在壩體鉆孔處揭露第四系孔隙潛水，勘查期間測得其初見水位埋深為 7.80～8.30 m，標高為+47.03～+51.48 m；穩(wěn)定水位為 8.10～8.70 m，標高為+46.73～+51.08 m；水量一般，含水層貯水、透水性一般，主要由地下徑流、上層滯水下滲補給。由于設置有地下水導排管，水位年變幅較小?；鶐r裂隙水則賦存于巖石風化層中，主要由大氣降水下滲補給，含水層貯水性較差，水量較小。

堆體及地基土層巖土力學指標建議值見表1。

表1 堆體及地基土層巖土力學指標

通過勘測查明現(xiàn)有的廢物堆體分層結(jié)構(gòu)， 以及廢物填埋體的容重、剪切強度、承載力等有關物理力學指標，為計算堆體穩(wěn)定性分析提供基礎依據(jù)。

4 填埋場堆體邊坡穩(wěn)定性分析論證思路

4.1 失穩(wěn)破壞模式[2]

填埋場堆體邊坡失穩(wěn)破壞模式主要包括沿堆體內(nèi)部失穩(wěn)破壞、沿邊坡及坡底破壞、貫穿廢棄物與地基發(fā)生破壞、沿復合襯墊系統(tǒng)薄弱界面滑動破壞等4 種。

4.2 填埋場穩(wěn)定性分析方法

依據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術規(guī)范》第 6.4.1 條第 3 款[3]，填埋場邊坡穩(wěn)定驗算應采用摩根斯坦—普賴斯法（Morgenstern-Price 法）。 該法適用于任意形狀的滑裂面， 可對任意復雜滑動面的邊坡進行穩(wěn)定性分析， 在分析固體廢棄物填埋場穩(wěn)定性時， 可計算沿廢物內(nèi)部的圓弧形滑動或非圓弧形滑動，以及沿土工材料界面的折線滑動。它考慮了坡體自重、地表荷載、動水壓力、暴雨、地震和邊坡巖土體與潛在滑動面的抗剪強度等參數(shù)差異對邊坡穩(wěn)定性的相互作用， 是一種通用的二維邊坡穩(wěn)定性分析方法。 由于摩根斯坦—普賴斯法計入了土條間作用力的影響，因此多數(shù)情況下求得的Fs值較接近實際。

采用摩根斯坦—普賴斯法計算見圖1。 圖中E及X 分別表示土條間的法向和切向條間作用力，W為土條自重力，Q 為土條的水平作用力，N、T 分別為土條底的總法向力和切向力。 G 表示土條垂直邊上的總作用力。

4.3 計算工況及荷載組合

結(jié)合填埋場堆體結(jié)構(gòu)特征及可能出現(xiàn)的荷載情況，擬定3 種工況，分別為：1）正常運用條件，填埋場滲瀝液處于正常水位（天然狀態(tài)）；2）非常運用條件Ⅰ，即遭遇強降雨等引起滲瀝液水位顯著上升（飽和狀態(tài)）；3）非常運用條件Ⅱ，即正常運用條件下遭遇地震。

5 現(xiàn)狀填埋場堆體邊坡穩(wěn)定性分析

現(xiàn)狀危險廢物堆體Ⅰ-Ⅰ′剖面總平面布置見圖2。

本次廢物堆體邊坡整體穩(wěn)定性分析選取垂直或者近于垂直堆填邊坡走向布置Ⅰ-Ⅰ′剖面，見圖3。

采用Slide v6.0 邊坡穩(wěn)定性分析軟件對現(xiàn)有廢物堆體區(qū)域Ⅰ-Ⅰ′剖面在3 種荷載組合工況下采用摩根斯坦—普賴斯法進行整體穩(wěn)定性分析計算，其結(jié)果如表2 所示。

分析結(jié)果表明，在3 種工況下，堆體內(nèi)部滑動抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)、 沿堆體襯墊滑動抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)均能夠滿足規(guī)范要求。

6 擴容后的填埋場堆體邊坡穩(wěn)定性分析

依據(jù)規(guī)劃， 二期工程擬擴容填埋至標高+96 m，繼續(xù)采用斜坡分層填埋工藝，分層的外坡坡度為1∶3，廢物堆體每升高2 m，設置1 個1 m 寬小平臺，總庫容增加 10.2×104m3，可服務約 5 年。依據(jù)二期擴容填埋加高總平面布置圖（圖4），本次廢物堆體邊坡整體穩(wěn)定性分析選取垂直或者近于垂直堆填邊坡走向布置Ⅱ-Ⅱ′剖面（圖 5）。

采用摩根斯坦—普賴斯法， 對二期堆體擴容至標高+96 m 平臺廢物堆積體Ⅱ-Ⅱ’剖面的整體穩(wěn)定性進行分析，得到了堆積體在正常運用條件、非常運用條件Ⅰ、 非常運用條件Ⅱ等3 種不同狀態(tài)下的穩(wěn)定狀況，見表3。

表3 二期堆體填埋擴容至+96 m 平臺穩(wěn)定分析計算結(jié)果

表3 的參數(shù)分析結(jié)果表明，在這3 種工況下，堆體內(nèi)部滑動抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)、 沿堆體襯墊滑動抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)均能夠滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)論及實施建議

根據(jù)杭州危險廢物處置中心安全填埋場現(xiàn)狀斷面和擴容后的斷面所進行的抗滑穩(wěn)定分析計算可知， 填埋場擴容前后幾種不同工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均在規(guī)范允許值范圍以內(nèi)， 因此本擴容工程在技術上是可行的。

根據(jù)本項目具體情況，對填埋區(qū)擴容實施提出如下要求：1）必須保證廢物堆填土邊坡體內(nèi)各處的地下水位不能超過設計計算值。 同時加強對填埋場內(nèi)滲瀝液液位的監(jiān)控，并隨時增加應急疏通作業(yè)，確保填埋場庫區(qū)滲瀝液排出。排水和放氣渠道通暢，能提高廢物堆填土的強度參數(shù)，保障填埋坡體的穩(wěn)定。2）因勘查數(shù)據(jù)取值的局限性，填埋場地的離散型、復雜性、不確定性很難逐一查清，這就要求建設方按規(guī)范要求在整個填埋系統(tǒng)布置完善的自動監(jiān)測系統(tǒng)，對填埋場的邊坡穩(wěn)定狀況進行全面的監(jiān)測和管理，及時掌握填埋場表面變形狀況，以便必要時及時采取相應的工程補救措施， 防止人身傷害事故和環(huán)保事故的發(fā)生。3）為保護環(huán)境和防止地質(zhì)災害的發(fā)生，已經(jīng)完成廢物填埋區(qū)域應及時進行封場設計和封場施工。