山谷型生活垃圾衛(wèi)生填埋場封場后堆體穩(wěn)定性研究

王鳳俠，蘭 天，戴世金，杜玉鳳，宋迎春，張煥偉

（1. 深圳市寶安區(qū)市容環(huán)境綜合管理服務(wù)中心, 廣東 深圳 518101；2. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京100084）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長和人民生活水平的逐步提高，產(chǎn)生了大量的生活垃圾，目前我國城市生活垃圾的產(chǎn)生量仍然以8%～15% 的速率不斷增加［1］。多年來我國衛(wèi)生填埋占清運(yùn)量的比例較高，2020 年填埋生活垃圾量為7.77×107t，占清運(yùn)總量的33.05%［2］。然而，填埋處置可能會產(chǎn)生堆體穩(wěn)定性的問題，進(jìn)而導(dǎo)致滲濾液泄漏、填埋氣體散逃以及堆體坍塌等一系列污染和安全事件［3］。近30 年來，國內(nèi)外已發(fā)生了多起大型垃圾填埋場失穩(wěn)破壞事故，嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，甚至造成了大規(guī)模的人員財產(chǎn)損失［1］。因此，關(guān)注堆體穩(wěn)定性的問題對保障填埋場安全運(yùn)行具有重要意義。

1965 年，Newmark［4］最先提出用壩體永久變形作為分析壩體動力穩(wěn)定控制參數(shù)。1992 年，Mitchell 等［5］以美國加州Kettleman 山的垃圾填埋場為研究對象，首次開展了土工穩(wěn)定性分析，并針對性地提出了填埋場設(shè)計施工指導(dǎo)建議。20 世紀(jì)90 年代起，我國學(xué)者逐漸開始進(jìn)入相關(guān)研究領(lǐng)域。1994 年，趙由才等［6］在我國最早開展了垃圾填埋場穩(wěn)定性的研究，并提出了填埋場穩(wěn)定化的具體措施。陳云敏等［7］最先進(jìn)行了填埋場堆體穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究，并在2000 年前后，結(jié)合衛(wèi)生填埋場工程，計算分析了填埋場邊坡穩(wěn)定性，討論了填埋場中滲濾液的飽和度、邊坡角度和浸潤線埋深對填埋場邊坡穩(wěn)定性的影響。垃圾填埋堆體穩(wěn)定性的影響因素包括廢物組成、壓實(shí)程度、填埋方式和填埋年限，同時還包括堆體工程力學(xué)特性、坡高、坡角以及孔隙水應(yīng)力等物理特性［8］。詹良通等［9］研究監(jiān)測了垃圾填埋場堆體邊坡失穩(wěn)過程，發(fā)現(xiàn)邊坡滲濾液水位高是導(dǎo)致堆體失穩(wěn)的重要因素，通過抽排豎井降低水位可以達(dá)到直接有效的搶險效果。朱文明等［10］對老港綜合填埋場生活垃圾填埋堆體穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。發(fā)現(xiàn)主水位上升顯著降低堆體沿地基的穩(wěn)定及內(nèi)部穩(wěn)定，滯水位埋深上升會引起垃圾堆體淺層和后續(xù)填高堆體滑動。陳赟［11］利用三維建模計算分析，對堆體穩(wěn)定性進(jìn)行了評估，并提出了警戒水位及治理建議。目前國內(nèi)外對垃圾堆體穩(wěn)定性的相關(guān)研究主要側(cè)重于復(fù)合襯墊系統(tǒng)軟弱界面強(qiáng)度特性的測試、填埋垃圾抗剪強(qiáng)度特性的測試和垃圾堆體的靜動力穩(wěn)定性分析［12］。關(guān)于山谷型填埋場堆體穩(wěn)定性缺乏長期連續(xù)監(jiān)測以及綜合評估方面的研究。

本研究以我國南方某已封場的垃圾填埋場為研究對象，圍繞可能存在的堆體水位高導(dǎo)致失穩(wěn)滑坡的安全問題，監(jiān)測封場覆蓋膜上土體水分飽和情況、表面位移、垃圾壩深層水平位移，結(jié)合覆土和堆體穩(wěn)定性分析，綜合評價衛(wèi)生填埋場封場后的穩(wěn)定性。本研究的特色在于通過連續(xù)3 a 跟蹤檢測從土體含水率、水平位移變化以及安全系數(shù)方面綜合評價填埋場的堆體穩(wěn)定性，同時針對性地提出提高填埋場穩(wěn)定性的措施建議，可為已封場垃圾填埋場的安全性評價體系的建立提供理論依據(jù)。

2 監(jiān)測與分析方法

2.1 監(jiān)測對象

本研究選取南方某山谷型衛(wèi)生填埋場為監(jiān)測對象，填埋場所屬區(qū)域?yàn)閬啛釒ШＱ笮詺夂?，全年氣溫高，濕度大，雨量充沛，但年際變化較大。4 月至9 月為雨季，10 月至次年3 月為旱季，多年平均降雨量為1 667.0 mm，年平均降水天數(shù)為144.7 d。該填埋場設(shè)計總庫容約8.70×106m3，總填埋量約9.26×106t，于2016 年完成封場，封場面積為2.64×105m2，由相對獨(dú)立的兩個單元構(gòu)成，如圖1（a）所示。填埋庫區(qū)南北最大長度近1 500 m，東西寬度500～1 000 m；庫區(qū)西南側(cè)地勢高，東北側(cè)地勢低，一單元和二單元堆體整體最大高差超過60 m。庫區(qū)兩個單元西側(cè)建有1#垃圾壩和2#垃圾壩，庫區(qū)北側(cè)建有3#垃圾壩、4#垃圾壩和5#垃圾壩。填埋場封場覆蓋結(jié)構(gòu)層由下往上依次為厚度6.3 mm 土工復(fù)合排水網(wǎng)、黏土層、1.0 mm 厚LLDPE 膜、厚度9.5 mm 土工排水網(wǎng)、壓實(shí)黏土層和植被層。該場坡頂黏土層實(shí)際最小厚度約0.8 m，部分區(qū)域因工程需要，最大填土厚度約3.0 m，整體封場坡度為1∶5～1∶3。

圖1 已封場填埋場監(jiān)測點(diǎn)平面分布和剖面分布Figure 1 Horizontal distribution and profile distribution of the monitoring points for closed landfill

2.2 封場覆蓋膜上土體飽和情況

封場覆蓋膜上土體含水量和土體飽和狀況直接關(guān)系膜上土體的安全和穩(wěn)定。為掌握已封場填埋場膜上覆土的穩(wěn)定情況，在土體內(nèi)不同深度埋設(shè)時域反射儀（TDR 探頭）［13］，連續(xù)監(jiān)測和掌握土體的飽和狀況。如圖1（a）所示，在已封場填埋場一單元、二單元堆體內(nèi)各設(shè)置兩個剖面，每個剖面根據(jù)覆土實(shí)際深度埋設(shè)TDR 探頭，挖孔11 個共埋設(shè)TDR18只，每只埋設(shè)深度分別為0.3、0.8、1.5 m，不同TDR 探頭的埋設(shè)位置和深度如圖1（b）所示，監(jiān)測頻率為每月1 次。

2.3 填埋場表面位移監(jiān)測

為進(jìn)一步實(shí)時掌握堆體穩(wěn)定性情況，在填埋場堆體表面和1#～5#垃圾壩之上設(shè)置表面位移監(jiān)測點(diǎn)，共設(shè)置135 個表面水平位移監(jiān)測點(diǎn)，如圖1（a）所示，開展堆體和壩體表面水平位移和沉降監(jiān)測。利用徠卡TCR402 全站型電子測速儀（全站儀）監(jiān)測表面水平位移，掌握填埋堆體的位移和沉降情況，監(jiān)測頻率為每月1 次。

2.4 垃圾壩深層水平位移監(jiān)測

垃圾壩體的安全對于填埋堆體來說至關(guān)重要。在1#垃圾壩和2#垃圾壩前各設(shè)置1 口深層水平位移監(jiān)測井，井深分別為15 m 和25 m，安裝測斜管，兼做水位和深層水平位移監(jiān)測。利用堆體內(nèi)的氣井等設(shè)施，監(jiān)測堆體水位，為堆體穩(wěn)定評估提供依據(jù)，監(jiān)測頻率為每月1 次。

2.5 封場覆蓋膜上土體穩(wěn)定性評估

由于該場封場覆土實(shí)際最小厚度約0.8 m，最大厚度3.0 m，較封場規(guī)范要求（0.75 m），部分區(qū)域存在“超填”情況，因此需要進(jìn)行封場覆土后的覆土穩(wěn)定評估。參照CJJ 176—2012 生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范［14］和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，主要評估覆蓋膜填土自身穩(wěn)定。為了計算覆土穩(wěn)定性，必須知道覆蓋系統(tǒng)所有的組成部分界面的剪切特征和所有土層的內(nèi)部剪切參數(shù)。表1 是垃圾填埋場土工參數(shù)設(shè)置情況。此處結(jié)合表面水位管和TDR 監(jiān)測數(shù)據(jù)，選用土工膜上無滲流水流工況進(jìn)行分析。

表1 垃圾填埋場土工參數(shù)Table 1 Landfill geotechnical parameters

圖1（b）是填埋場最終覆蓋的一個截面示意，包括壓實(shí)土層、土工膜，對于在土工膜上沒有孔隙水壓力的條件，可列出沿坡腳β方向力的綜合方程，抵抗破壞的安全系數(shù)為［3,15］：

式中：N為垂直作用面的力；W為滑坡體的自重；β為坡角；δ為多層覆蓋系統(tǒng)中最小界面摩擦角。

以上分析中，需考慮的最重要參數(shù)是坡角和與斜坡平行的潛在破壞面的抗剪強(qiáng)度［16］。

3 結(jié)果與討論

3.1 封場覆蓋膜上土體體積含水量的變化

該封場填埋場（一單元、二單元）剖面的TDR監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2 所示。由圖2 可以看出，填埋場封場后第1 年一單元體積含水量為0.20～0.35 g/cm3，二單元體積含水量為0.15～0.35 g/cm3；第2 年一單元體積含水量為0.10～0.45 g/cm3，二單元體積含水量為0.10～0.45 g/cm3。含水量隨深度增加而增加。由于覆土層底部和填埋的堆體之間有防滲層，導(dǎo)致降水下滲的水分大量在覆土層底部聚集。越靠近表層，受蒸發(fā)作用的影響越顯著，含水量越低。封場第1 年后，表面覆土體積含水量總體呈下降趨勢，體積含水量降低幅度為0.05～0.10 g/cm3。

圖2 填埋場封場覆土3 a 內(nèi)體積含水量與降水量Figure 2 Volumetric water content and precipitation within three years after the landfill closure and covered with soil

封場第2 年和第3 年內(nèi)，兩個剖面體積含水量呈波動趨勢，體積含水量在0.15～0.45 g/cm3變動。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，覆蓋土含水量變化主要體現(xiàn)在雨季上升，旱季下降。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅繑?shù)據(jù)，2018 年4 月出現(xiàn)了強(qiáng)降雨，由此兩個剖面的覆土含水量都出現(xiàn)了短時上升的現(xiàn)象。由此可見，氣象條件是導(dǎo)致不同監(jiān)測時間體積含水量波動較大的主要原因，降水會影響到土體中水分的蓄積量和下滲量，從而影響到水分的蒸發(fā)。填埋場在封場初期，需要在降雨期間加強(qiáng)巡查，及時疏導(dǎo)雨水，防止其灌入堆體內(nèi)部。

封場第3 年后，表面含水量仍然變化較大。封場后表面覆土雖經(jīng)過了壓實(shí)處理，但仍然未達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，透水和蓄水性能較強(qiáng)。隨著封場時間的推移，覆土的土地結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，蓄水性能下降，導(dǎo)致體積含水量的下降。一期二單元剖面表面覆土體積含水量在封場后3 a 的監(jiān)測數(shù)據(jù)總體上波動不大，但是有個別監(jiān)測點(diǎn)觀測到了波動較大的情況。

3.2 表面水平位移

堆體表面水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3 所示。堆體表面水平位移整體呈現(xiàn)雨季上升、旱季下降的規(guī)律。根據(jù)CJJ 176—2012［14］的要求，以10 mm/d作為日均滑移速率警戒線。填埋場在封場第1 年超過10 mm/d 警戒標(biāo)準(zhǔn)，主要是因?yàn)?016 年受臺風(fēng)“妮妲”“莫蘭蒂”“海馬”的相繼影響，年中5月至6 月期間超限較大，其中2016 年6 月14 日監(jiān)測到的位移數(shù)據(jù)超限比較嚴(yán)重，上述超限點(diǎn)位的日均位移為10.69～21.65 mm/d。監(jiān)測點(diǎn)位W135在2016 年7 月5 日監(jiān)測時，位移達(dá)到了10.39 mm/d。監(jiān)測點(diǎn)位W105、W106 和W107 在2016 年12 月20 日監(jiān)測時，位移達(dá)到了10.27～11.61 mm/d。年中5 月至6 月日均位移超限范圍面積3 600 m2，年底11 月至12 月期間日均位移超限范圍面積1 000 m2。通過分析超限監(jiān)測點(diǎn)分布表明，圖3 中所示點(diǎn)位位移情況除W104 和W109（兩個對照點(diǎn)位）未出現(xiàn)位移超限外，其余17 個點(diǎn)位均出現(xiàn)了不同程度的超限情況，超限面積主要集中在一期二單元垃圾壩附近。造成超限的原因包括以下兩個方面：①填埋場地處南方某城市，降水比較集中。雨季到來，降水量激增，部分雨水滲入堆體內(nèi)部滲流至海拔較低的底部，造成該處水位雍高嚴(yán)重，堆體穩(wěn)定性差，出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，帶動表面位移大面積超限；②該處堆體坡度較大，雖底部有垃圾壩進(jìn)行支撐，受工程建設(shè)和逐層填埋影響，仍屬于易滑動區(qū)域。封場后第2 年、第3 年監(jiān)測期間日均位移無超限現(xiàn)象，堆體持續(xù)保持穩(wěn)定。但監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，表面水平位移也受現(xiàn)場填埋作業(yè)影響較大，如2017 年3 月29 日由于現(xiàn)場作業(yè)，車輛出入較多，也會造成表面位移增大。因此，為了更好地控制表面位移滑動，需要繼續(xù)嚴(yán)格控制進(jìn)場標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)巡邏，減少施工擾動。

圖3 超限點(diǎn)位位移情況Figure 3 The displacement of the overrun point

3.3 深層側(cè)向水平位移

圖4～圖6 為封場3 a 內(nèi)1#垃圾壩和2#垃圾壩深層側(cè)向水平位移速率。深層側(cè)向水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明填埋場封場后的3 a 監(jiān)測期間，一單元1#垃圾壩深層側(cè)向水平位移速率均在2.0 mm/d 安全范圍內(nèi)，累計位移出現(xiàn)小幅度往復(fù)擺動。第2年累計位移52 mm。填埋場封場后的3 a 監(jiān)測期間，二單元2#垃圾壩深層側(cè)向水平位移速率控制在1.0 mm/d 范圍內(nèi)。1#垃圾壩不同深度的波動范圍為0.43～16.48 mm，其中-1 m 的監(jiān)測點(diǎn)位移幅度最大，總體上隨著填埋深度增加，水平位移逐漸減小。填埋區(qū)在垃圾的作用下發(fā)生整體沉降，四周的垃圾壩也在自重力作用下發(fā)生沉降。加載的時間、大小和技術(shù)不同導(dǎo)致垃圾壩體產(chǎn)生明顯的不均勻沉降。最終導(dǎo)致不同壩體和深度水平位移速率和位移幅度都存在差異［17］。2#垃圾壩不同深度的波動范圍為0.02～24.05 mm，其中-3 m 的監(jiān)測點(diǎn)位移幅度最大。2#垃圾壩位移變化規(guī)律和1#垃圾壩不同，表層和底層位移幅度較大，中間位移幅度較小?？傮w上看，兩個壩體出現(xiàn)極小幅度的擺動，但擺動幅度仍處于安全范圍內(nèi)，需要繼續(xù)監(jiān)測。

圖4 封場3 a 內(nèi)1#垃圾壩深層側(cè)向水平位移速率Figure 4 Lateral horizontal displacement rate of deep layer of garbage dam 1#within three years after closure

圖5 封場3 a 內(nèi)2#垃圾壩深層側(cè)向水平位移速率Figure 5 Lateral horizontal displacement rate of deep layer of garbage dam 2#within three years after closure

圖6 封場3 a 內(nèi)1#垃圾壩和2#垃圾壩深層側(cè)向水平總位移Figure 6 Lateral horizontal displacement of deep layer of garbage dam 1#and 2#within three years after closure

3.4 覆土穩(wěn)定性評估

表2 是填埋場封場后，不同含水條件下的覆土穩(wěn)定性安全系數(shù)。在覆蓋膜上無滲透水流條件下，一單元封場覆土參數(shù)取值：坡角β為14°，粉質(zhì)黏土和土工布界面摩擦角取29°，壓實(shí)黏土層摩擦角δ為28°。故一單元穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=tanδ/tanβ=2.13>1.5，由此判斷一單元封場覆土目前是安全穩(wěn)定的［18］。假設(shè)膜上覆土完全飽和（表土的飽和重度γ表土=18 kN/m3，水的重度γW=10 kN/m3），則穩(wěn)定安全系數(shù)計算如下：

表2 不同含水條件下堆體的穩(wěn)定參數(shù)Table 2 The stability parameters of dump under different water content conditions

Fs=（γ表土-γW）×tanδ/（γ表土×sinβ）= （18-10）×tan28/（18×sin14）=0.94<1.5

計算結(jié)果表明，當(dāng)膜上覆土完全飽和時，穩(wěn)定安全系數(shù)是小于1.5 的，對最終覆蓋的穩(wěn)定性來說，這是最危險的條件，所以必須嚴(yán)格控制封場覆土內(nèi)水位，及時導(dǎo)排［14］。根據(jù)水位管和TDR 實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，排水層內(nèi)水頭約2～3 cm，此處取3 cm，表土層厚0.2 m、飽和重度16.5 kN/m3，土質(zhì)保護(hù)層厚0.7 m、濕重度17.3 kN/m3、飽和重度18.0 kN/m3，土工復(fù)合材料（土工織物+土工網(wǎng)+土工織物）排水厚度0.60 cm，坡角β=14°，壓實(shí)黏土層摩擦角δ=28°，計算最終的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.09，大于1.5。

二單元封場覆土參數(shù)取值同上，土工膜上無滲透水流條件下，二單元封場覆土參數(shù)取值坡角β為13°，粉質(zhì)黏土和土工布界面摩擦角取29°，壓實(shí)黏土層摩擦角φ為28°，所以δ=28°。安全系數(shù)Fs=tanδ/tanβ=2.30>1.5，所以二單元封場覆土目前是安全的［10］。若土工膜上覆土完全飽和，對最終覆蓋的穩(wěn)定性來說，這是最危險的條件。參數(shù)取值如上，穩(wěn)定安全系數(shù)計算如下：

Fs=（γ表土-γW）×tanδ/（γ表土×sinβ）=（18-10）×tan28/（18×sin13）=1.02<1.5

計算結(jié)果表明，當(dāng)膜上覆土完全飽和時，穩(wěn)定安全系數(shù)是小于1.5 的，所以必須嚴(yán)格控制封場覆土內(nèi)水位，及時導(dǎo)排［19］。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）填埋場封場后，覆土的體積含水量總體上呈下降趨勢。一期和二期填埋場表面含水量的變化范圍分別是0.15～0.35 g/cm3和0.10～0.45 g/cm3，并且覆土底部的含水量高于上層，覆土含水量受降水影響較大。

2）堆體表面水平位移整體呈現(xiàn)雨季上升、旱季下降的規(guī)律，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，著重關(guān)注超限區(qū)域。1#和2#垃圾壩深層側(cè)向水平位移速率分別在2.0 mm/d 和1.0 mm/d 范圍內(nèi)，出現(xiàn)極小幅度的往復(fù)擺動情況。

3）填埋場封場后，如果表面覆土處于完全飽和狀態(tài)，封場覆土自身穩(wěn)定安全系數(shù)分別為0.94和1.02，低于安全標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)避免覆土進(jìn)入完全飽和狀態(tài)。

4.2 建議

封場第1 年監(jiān)測期間，一單元封場覆土自身穩(wěn)定安全系數(shù)是2.09，二單元封場覆土自身穩(wěn)定安全系數(shù)2.26，大于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)1.5，表明封場覆土目前是安全的。與上一年度相比，第2、3 年度監(jiān)測期間安全穩(wěn)定系數(shù)保持平穩(wěn)。但當(dāng)表面覆土處于完全飽和狀態(tài)時，安全系數(shù)均小于1.5。為了增強(qiáng)表面覆土的穩(wěn)定性，在封場填埋場的后續(xù)管理中提出如下幾點(diǎn)建議：

1）封場填埋場表面覆土含水率與降雨量密切相關(guān)，應(yīng)盡快控制和減少降雨入滲，避免膜上覆土進(jìn)入飽和狀態(tài)。加強(qiáng)雨污分流和巡查修補(bǔ)，減少因雨水沖刷而產(chǎn)生的拉伸和位移，以保持堆體安全穩(wěn)定。嚴(yán)格控制進(jìn)場標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)巡邏，減少施工擾動。

2）持續(xù)進(jìn)行封場填埋場穩(wěn)定安全監(jiān)測，建立預(yù)警機(jī)制。封場填埋場由于覆土較多，初期堆體表面位移較大，需要持續(xù)進(jìn)行表面位移監(jiān)測。在垃圾壩等風(fēng)險區(qū)域，增設(shè)位移監(jiān)測點(diǎn)。

3）在水位較高區(qū)域、作業(yè)面附近等區(qū)域，必要時需要采取應(yīng)急降水措施。應(yīng)急降水主要采用小口徑井，目的是短時間內(nèi)快速降低局部區(qū)域的滯水位，提高局部穩(wěn)定性，控制和減少位移速率。