大型生活垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)對(duì)高速公路影響分析

羅衛(wèi)華

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

邊坡失穩(wěn)對(duì)于高速公路運(yùn)營(yíng)有非常大的影響，當(dāng)邊坡失穩(wěn)后可能引起大范圍破壞［1］，是一種地質(zhì)災(zāi)害［2］。垃圾填埋場(chǎng)的庫(kù)區(qū)由挖方邊坡和垃圾擋壩構(gòu)成，在垃圾填埋過(guò)程中和封場(chǎng)后，可能會(huì)因垃圾堆體的作用，造成邊坡和擋壩失穩(wěn)，導(dǎo)致滲濾液泄漏、填埋氣體外散以及堆體坍塌等一系列環(huán)境污染和安全事件。因此對(duì)大型生活垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)鄰近高速公路的垃圾擋壩和挖方邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性的分析至關(guān)重要。

1 工程概述

廣州某應(yīng)急填埋場(chǎng)承擔(dān)著廣州市中心城區(qū)生活垃圾的處理任務(wù)，是特大型生活垃圾填埋場(chǎng)，設(shè)計(jì)總庫(kù)容量約為1 190萬(wàn)m3，總投資約7.8億元。其北側(cè)填埋庫(kù)區(qū)緊鄰廣河高速公路，此高速公路是廣州市重要的東北出入口。填埋場(chǎng)北部布局與廣河高速公路的位置關(guān)系如圖1所示。項(xiàng)目北側(cè)工程與廣河高速公路的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖1 填埋場(chǎng)北側(cè)邊坡、擋壩斷面位置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the North Side Slope and Dam Section of the Landfill

表1 填埋場(chǎng)北側(cè)工程與高速公路地理位置對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding Relationship between the Project on the North Side of the Landfill Site and the Geographical Location of the Expressway

2 工程地質(zhì)條件

本項(xiàng)目場(chǎng)地為低山丘陵地帶，地層主要為第四系覆蓋層和下臥混合花崗巖，第四系覆蓋層分布整個(gè)場(chǎng)地，主要為坡積土和殘積土。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，該場(chǎng)地自上而下各類巖土特征如下：

〈1〉人工填土層：主要為素填土，松散，稍濕～濕。主要成分為粉質(zhì)粘土含砂及花崗片麻巖風(fēng)化殘積土夾碎石塊等。

〈2-1〉淤泥質(zhì)土：流塑，飽和，見(jiàn)腐殖質(zhì)。

〈2-2〉淤泥質(zhì)細(xì)砂：松散，飽和，含少量腐殖質(zhì)，局部混少量粘土。

〈3-1〉細(xì)砂：稍密～密實(shí)，局部松散，飽和。

〈3-2〉粗砂：中密～密實(shí)，飽和，含石英質(zhì)礫砂及局部混石英質(zhì)碎石。

〈4〉粉質(zhì)性土：由坡積作用而形成的粉質(zhì)粘土，可塑～硬塑。

〈5-1〉可塑狀砂質(zhì)粘性土：花崗片麻巖風(fēng)化殘積而成，長(zhǎng)石、云母及暗色礦物已完全土化，巖芯手捏易碎，遇水變軟。

〈5-2〉硬塑狀砂質(zhì)粘性土：含少量石英質(zhì)粗砂及礫石，巖芯手捏易碎，遇水變軟。

〈6〉全風(fēng)化混合花崗巖：巖芯呈土柱狀、土塊狀，堅(jiān)硬，巖石組織結(jié)構(gòu)已基本破壞，但尚可辨認(rèn)，遇水易崩解軟化。

〈7〉強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖：巖芯呈土柱狀、碎塊狀，塊狀構(gòu)造及片麻狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖塊用手可折斷。

〈8〉中等風(fēng)化混合花崗巖：巖芯呈短柱狀、碎塊狀，巖塊錘擊聲脆，且不易擊碎，不能用鎬挖掘，巖芯鉆方可鉆進(jìn)。

3 計(jì)算斷面基本概況

填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)北側(cè)設(shè)有環(huán)場(chǎng)道路，路面標(biāo)高約為135～140 m，道路內(nèi)側(cè)為填埋庫(kù)區(qū)，按照1∶2 的坡率構(gòu)建邊坡，每級(jí)不超過(guò)10 m，平臺(tái)寬3.0 m，構(gòu)建至庫(kù)底底標(biāo)高約為115.2～110.0 m 處。庫(kù)區(qū)內(nèi)生活垃圾按1∶3 坡率從道路邊填高至145 m 標(biāo)高。根據(jù)原狀地形和庫(kù)區(qū)的建設(shè)要求，按道路里程將庫(kù)區(qū)北側(cè)劃分為挖方邊坡和垃圾擋壩，如圖1所示。其中道路里程R2 K0+500～R2 K0+300 為挖方邊坡，R2 K0+300～140 為垃圾擋壩。現(xiàn)選取8個(gè)代表性斷面分別計(jì)算其穩(wěn)定性，選取斷面平面位置如圖1所示。各斷面的基本特征如表2所示。

表2 斷面及其特征Tab.2 Section Selection and Characteristics

3.1 挖方邊坡D-D剖面如圖2?所示。

構(gòu)建邊坡以上原狀山體標(biāo)高約為137～150 m，挖方高度約為10～17 m。

設(shè)計(jì)道路標(biāo)高為137 m，道路內(nèi)側(cè)為填埋場(chǎng)構(gòu)建邊坡，坡率為1∶2，每級(jí)邊坡不超過(guò)10 m，每?jī)杉?jí)邊坡間設(shè)置寬3 m 的平臺(tái)，庫(kù)底標(biāo)高約為115 m；道路外側(cè)為原狀山體，坡率約為1∶2.5。垃圾按1∶3 坡率從道路邊填埋至高度145 m標(biāo)高處，滲濾液水位最高時(shí)達(dá)143 m。垃圾堆體與邊坡之間設(shè)置兩層2.0 mm的雙糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防滲層［3］，防止庫(kù)區(qū)內(nèi)的垃圾滲濾液滲漏。

邊坡的土層組成，從路面標(biāo)高（137 m）往下依次為砂質(zhì)粘性土（原狀，厚度2 m）、全風(fēng)化花崗巖（原狀，厚度6 m）、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（原狀，原狀厚度6.9 m）和中風(fēng)化混合花崗巖（原狀）。

3.2 垃圾擋壩G-G剖面如圖2?所示。

圖2 典型邊坡剖面Fig.2 Profile View of Typical Slope （mm）

原狀地形標(biāo)高約為125～127 m，低于構(gòu)建邊坡標(biāo)高。擋壩高度約13～15 m。

設(shè)計(jì)道路標(biāo)高為140 m，道路內(nèi)側(cè)為填埋場(chǎng)構(gòu)建邊坡，坡率為1∶2，每級(jí)邊坡不超過(guò)10 m，每?jī)杉?jí)邊坡間設(shè)置寬3 m 的平臺(tái)，庫(kù)底標(biāo)高約為115 m；道路外側(cè)按1∶2 的坡率填方構(gòu)建至坡腳標(biāo)高125 m 處。坡面采用菱形骨架護(hù)坡并植草防護(hù)，漿砌片石護(hù)腳［4］。腳線距離廣河高速道路邊線約36 m。垃圾按1∶3 的坡率從道路邊填埋至高度145 m 標(biāo)高處。在擋壩的內(nèi)側(cè)，垃圾堆體與擋壩之間設(shè)置兩層2.0 mm 的雙糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防滲層［3］，防止庫(kù)區(qū)內(nèi)的垃圾滲濾液滲漏。擋壩采用砂質(zhì)粘性土碾壓夯實(shí)回填，回填要求分層夯實(shí)，每層厚度不超過(guò)300 mm，壓實(shí)度不小于0.96。

垃圾擋壩的土層組成，從路面標(biāo)高（140 m）往下依次為填方砂質(zhì)粘性土（填方土，厚度約15 m）、全風(fēng)化混合花崗巖（原狀土，厚度約3.4 m）、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（原狀，厚度6.15 m）和中風(fēng)化混合花崗巖（原狀）。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 力學(xué)參數(shù)及計(jì)算模型

4.1.1 垃圾堆體力學(xué)參數(shù)

《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范：CJJ 176—2012》［5］中給的垃圾土體力學(xué)參數(shù)建議值如表3所示。

表3 垃圾抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值Tab.3 Recommended Values of Garbage Shear Strength Indexes

本項(xiàng)目的垃圾堆體的力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)［5］及陳位洪等人［6］的研究成果，按埋深及滲濾液水位來(lái)取值：埋深小于10 m的淺層垃圾分為滲瀝液水位線以上，滲瀝液水位線以下兩種；埋深大于10 m的深層垃圾。其力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 本項(xiàng)目垃圾堆體力學(xué)參數(shù)Tab.4 Mechanical Parameters of Garbage Dump of the Project

4.1.2 相關(guān)巖土參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，相關(guān)巖土參數(shù)如表5所示。

表5 地勘報(bào)告相關(guān)巖土參數(shù)Tab.5 Relevant Geotechnical Parameters of Geological Survey Report

針對(duì)擋壩段回填砂質(zhì)粘性土的粘聚力和內(nèi)摩擦角取值確定，毗鄰本項(xiàng)目的工程曾就砂質(zhì)粘性土填土（回填土分層夯實(shí)，每層厚度不超過(guò)300 mm，壓實(shí)度不小于0.96）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其土樣固結(jié)快剪下對(duì)應(yīng)的粘聚力和內(nèi)摩擦角最低的取值分別為62.3 kPa、37.8°。本項(xiàng)目考慮到填方區(qū)域的壩體暴露在室外條件中，可能存在吸水飽和狀態(tài)，所以在壩體安全穩(wěn)定性計(jì)算中，對(duì)回填的砂質(zhì)粘性土強(qiáng)度參數(shù)在原狀砂質(zhì)粘性土基礎(chǔ)上進(jìn)行折減，其粘聚力和內(nèi)摩擦角分別取為20 kPa、20°。由此，確定北側(cè)擋壩、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析的參數(shù)取值如表6所示。

表6 本項(xiàng)目相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù)Tab.6 Relevant Geotechnical Mechanical Parameters of the Project

4.2 計(jì)算方法及工況

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的規(guī)定，垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算需滿足《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范：SL386—2007》［7］的要求。

根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范：GB 50869—2013》［3］擋壩及邊坡建筑級(jí)別為I級(jí)，按7度地震烈度設(shè)防［8］，頂設(shè)有15 m 寬道路，汽車(chē)荷載設(shè)計(jì)等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)。明確規(guī)定了3 種計(jì)算工況，分別為：①正常運(yùn)用條件，即填埋場(chǎng)填埋過(guò)程、填埋場(chǎng)封場(chǎng)后以及填埋場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)狀況；②非常運(yùn)用條件Ⅰ，即遭遇強(qiáng)降雨等引起的滲瀝液水位上升；③非常運(yùn)用條件Ⅱ，即遭遇地震（烈度為7 度）。工況1、工況3 垃圾堆體里滲瀝液水位143 m（垃圾堆體頂面下2 m）；工況2 垃圾堆體里滲瀝液水位145 m（平垃圾堆體頂面下2 m）。對(duì)選取的8 個(gè)斷面分別進(jìn)行以上3 種工況下的穩(wěn)定性計(jì)算。

驗(yàn)算的破壞模式包括通過(guò)垃圾堆體內(nèi)部的滑動(dòng)破壞和通過(guò)垃圾堆體內(nèi)部與下臥地基的滑動(dòng)破壞。計(jì)算采用摩根斯坦-普賴斯法（穩(wěn)定計(jì)算采用有效應(yīng)力法）。

經(jīng)Plaxis 2D 有限元分析，擋壩及邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 填埋區(qū)北區(qū)擋壩及邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation Results of Retaining Dam and Slope Stability in the North of Landfill Area

通過(guò)上述穩(wěn)定分析計(jì)算，各斷面（A-A至H-H斷面）安全系數(shù)滿足文獻(xiàn)［7］、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》［9］的 最 小 安 全 系 數(shù) 要求，即正常使用工況下需滿足K正?！?.35，非正常運(yùn)用條件1 滿足K非常1≥1.25，非正常運(yùn)用條件2（地震工況下）滿足K非常2≥1.15。其中擋壩G-G斷面計(jì)算分析結(jié)果如圖3所示。根據(jù)填埋區(qū)北區(qū)擋壩、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，證明本項(xiàng)目對(duì)于高速公路的影響極其有限。

圖3 Plaxis 2D有限元計(jì)算分析結(jié)果Fig.3 Plaxis 2D Finite Element Calculation and Analysis Results

為確保填埋場(chǎng)在建設(shè)和使用過(guò)程中的安全，在挖方邊坡、擋壩外側(cè)布設(shè)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)［10］，北側(cè)邊坡、擋壩沉降和位移監(jiān)測(cè)布置平面如圖4所示。

圖4 北側(cè)邊坡、擋壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.4 Layout Plan of Monitoring Points of North Side Slope and Retaining Dam

5 結(jié)語(yǔ)

為保證填埋庫(kù)區(qū)在施工和運(yùn)營(yíng)階段的安全性要求，結(jié)合以上邊坡、擋壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步加強(qiáng)整體安全穩(wěn)定性，就施工和填埋運(yùn)營(yíng)階段提出以下建議：

⑴施工時(shí)提前對(duì)填方所用的粘性土和風(fēng)化巖土進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)并測(cè)試其在壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求的狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。

⑵選擇少雨期施工，嚴(yán)禁下雨施工，土石壩施工間歇期，確保及時(shí)在已壓填壩體表面鋪HDPE 土工膜，坡面和坡腳做好截排水措施，使得邊坡土質(zhì)盡量保持其天然狀態(tài)。

⑶建議運(yùn)營(yíng)過(guò)程中及時(shí)對(duì)垃圾進(jìn)行日覆蓋、中間覆蓋以及階段性中間覆蓋，盡可能地減少由于降雨引起滲瀝液的增加。

⑷ 填埋區(qū)庫(kù)區(qū)運(yùn)營(yíng)單位要根據(jù)垃圾的填埋情況，及時(shí)布設(shè)滲瀝液抽水井，以便極端情況下可及時(shí)抽排降低填埋庫(kù)區(qū)內(nèi)滲瀝液的水位［11］。