下卧软土层填埋场稳定性分析方法

刘玉江

（1．湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2．上海老港生活垃圾处置有限公司，上海 201302）

下卧软土层填埋场稳定性分析方法

刘玉江1，2

（1．湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2．上海老港生活垃圾处置有限公司，上海 201302）

根据上海老港垃圾填埋场边坡稳定性的分析，研究了软土地基强度增长、渗沥液主水位、滞水位对填埋场边坡沿垃圾边坡及下覆软弱土层失稳破坏的影响，通过参数分析得到结论：软土地基排水固结引起的地基强度增长对边坡稳定性提高有一定促进作用；每一阶段的填埋结束点均为该阶段的边坡稳定性危险点，故需以该时间点为参考点进行稳定分析，指导填埋作业的填埋速度与高度。

填埋场；边坡稳定；软土地基；强度增长

边坡稳定问题是填埋场设计、施工、填埋和封闭过程中的关键问题之一［1］。建造于软土地基上的南方垃圾填埋场［2］，软土地基强度增长是该类型填埋场边坡稳定问题的关键因素［3-4］。笔者根据上海老港垃圾填埋场边坡稳定性的分析，提出考虑含下覆软弱土层地基的边坡稳定性分析方法。

1 1B单元地基分区方法及地基强度增长

老港生活垃圾卫生填埋场四期工程位于上海市南汇区老港镇东侧的东海滩涂边，距市中心约60 km，长4 200 m，宽800 m，占地361 hm2，填埋场总库容8 000万m3，如图1所示。项目初步设计生产能力为日处理生活垃圾4 900 t，按此填埋速率该填埋区域使用年限可达45 a，是我国目前最大的生活垃圾卫生填埋场。四期工程1A和1 B单元2005年2月投入试运行，到目前为止1A和1 B、2A和2 B单元大部库容已使用，已进入3A和3B单元库区。根据2010年的统计，日填埋生活垃圾已达10 000 t，是初步设计的2倍，可见填埋速率较大，填埋场边坡稳定性控制十分重要。

老港四期是平原型填埋场，建造于沿海滩涂软土地基上，最终填埋高度可达45 m，其地基主要包括1层厚10 m的淤泥质黏土以及1层厚约7 m的黏土。垃圾场下地基各层土强度参数见表1。

图1 老港生活垃圾卫生填埋场四期工程

表1 老港生活垃圾卫生填埋场四期工程地基各层土强度参数

老港四期1B单元南北向长为600 m，东西向宽为400 m，其主要危险边坡为东侧边坡。至2010年8月，东侧边坡顶部已填埋至21．5 m高程。为了合理评价1B单元现状地基的稳定性，关键在于计算其地基土体的强度增长，如图1所示。堆体边坡部分软土地基因垃圾厚度不同而造成附加应力有所不同，造成其固结引起的地基抗剪强度增长也相差较大，为合理考虑各部位地基强度，提高稳定分析准确性，按上覆垃圾厚度的不同，对地基土进行分区，共分成6个区，第1分区表示其附加应力为零，为便于后续填埋分析，将边坡位置分为4个区，每个区长为30 m，垃圾中心位置为第6分区，其附加应力为上覆垃圾荷载，如图2所示。边坡部分垃圾荷载作简化处理，即将各个分区中心点垃圾填埋高度作为垃圾荷载的简化等效高度，计算各分区附加应力。

图2 老港生活垃圾卫生填埋场四期1B单元地基分区

根据垃圾填埋高度，选取填埋高度最高的东侧边坡中间剖面进行稳定分析。首先根据中间剖面的每月填埋进度计算各个位置的地基固结度。地基固结度是判断地基是否稳定的重要标志，也是进行地基稳定分析的基础。老港填埋场地基中的第4层淤泥质黏土及第5层黏土渗透系数较低，导致填埋场地基沉降难以在短时间内完成。为加速老港填埋场地基沉降，填埋场底部按1．5 m间距打入塑料排水板，插入深度达淤泥质黏土的底层，约为18 m。塑料排水板由1条10 cm宽、1 cm厚的扁平塑料芯组成。为了评价老港填埋场地基在2006—2010年的固结情况，采用规范推荐的改进高木俊介法进行地基固结分析。在多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度按下式计算，式中参数取值见表2。

式中：t为固结时间；Ut为竖井地基径向排水平均固结度；qi为第i级荷载的加荷速率；ΣΔp为各级荷载的累加值；Ti、Ti-1分别为第i级荷载加载的起始和终止时间（从零点起算）；n为井阻比，塑料排水带的有效影响直径与当量换算直径的比值，n=de/dp；de为塑料排水带的有效影响直径，de=1．05L；L为塑料排水带间距；dp为塑料排水带的当量换算直径，dp=2（b+δ）/3．14；b和 δ分别为塑料排水带的宽度和厚度；Cv和Ch分别为竖向和水平向固结系数；kh为天然上层水平向渗透系数；ks为涂抹区土的水平向渗透系数；S为涂抹区直径与竖井直径的比值；H为竖井深度；qw为井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时间的排水量。

表2 固结分析计算参数

计算得出各分区固结度后，结合强度增长公式Δτ=Δσtan φ，可计算任意时间点东侧边坡的各个分区强度增长值，其中Δσ为上覆超载荷载值，分区2淤泥质黏土层从2008年2月至2012年2月强度变化情况如图3。

图3 分区2淤泥质黏土层强度值增长情况

2 垃圾强度参数取值及边坡稳定分析模型

考虑垃圾抗剪强度参数随填埋龄期发生变化。边坡稳定分析模型如图4所示，由于垃圾产生压缩，每层垃圾厚度约为7 m（底层和上层除外），上层垃圾至底层垃圾的强度参数根据上述研究成果，其中浅层取c=10 kPa，φ=15°，下卧层根据浙江大学岩土所的经验可依次取c=5 kPa，φ=20°；c=5 kPa，φ=25°；c=5 kPa，φ=28°，如表 3所示。

图4 上海老港生活垃圾填埋场边坡稳定性影响的分析模型

3 1B单元垃圾堆体边坡软土地基强度增长对稳定性的影响

本文分析了东侧边坡在不同固结度情况下的稳定性，边坡稳定分析方法采用目前国内外边坡工程设计常用的极限平衡分析法，采用GEOSLOPE软件包中Slope/W进行计算。

1B单元自2007年开始填埋至今分为2个阶段：第1层填埋作业至2008年3月28日结束，地基排水固结2 a；2010年3月28日开始第2层填埋，大约在127 d后结束第2层填埋作业，地基排水固结从2010年8月2日至今约18个月。

第1层填埋作业完成时，地基上覆荷载增加，而地基排水固结刚开始，强度增长很小，故该时刻为第1阶段的危险时刻，采用Slope/W进行计算可得2008年3月28日的安全系数Fs=2．359，边坡处于稳定阶段，见图5。主水位取高程3 m，为2010年7月现场实验所得的主水位高程。垂直防渗帷幕外侧地下水水位取高程3 m，为工程勘测资料数据。

第2层填埋作业开始时，边坡地基中淤泥质黏土层和黏土层在塑料排水板作用下加速排水固结2 a，固结度和强度增长值均随时间递增，由分区1强度增长分析方法可算得东侧边坡地基各分区的固结度和强度增长值，至2010年3月28日，地基各分区的固结度均达到96%以上。由图6可知，处于危险滑动面上分区2的淤泥质黏土层强度从20．6 kPa增长至28．6 kPa，故边坡安全系数 Fs增长至 2．543。

填埋第2阶段，1B单元经过约127 d的快速加载，地基上覆荷载大幅增加，而地基排水固结在新荷载下无法短时间固结完成，即地基强度增长很小，第2层填埋结束时为第2阶段的危险阶段，计算得2010年8月2日的安全系数Fs=1．532，边坡处于稳定阶段，见图7。第2层填埋后，危险滑动面向边坡内部延伸，其经过2、3分区的淤泥质黏土层。

图7 2010年8月2日上海老港生活垃圾填埋场东侧边坡地基稳定性分析结果

在第2阶段加载完后1．5 a内没有继续加载，东侧边坡地基处于恒载排水固结，至2012年2月2日，地基各分区固结度均达到97%以上，边坡稳定安全系数Fs为1．578，边坡处于稳定状态，见图8。

图8 2012年2月2日上海老港生活垃圾填埋场东侧边坡地基稳定性分析结果

1B单元东侧边坡稳定安全系数随时间的变化曲线如图9所示。软土地基排水固结引起的地基强度增长对边坡稳定性提高有一定的促进作用。第1阶段通过2 a的地基排水固结使边坡稳定安全系数增长了0．181，第2阶段通过1．5 a的地基排水固结使边坡稳定安全系数增长了0．046。第2阶段安全系数增长不明显的主要原因是危险滑动面经过的分区2上覆荷载在第2层填埋时未改变，分区2在第2阶段填埋开始时固结度已达98%，地基强度增长已基本完成。第2层填埋结束时，边坡稳定安全系数从2．543骤降至1．532，若继续在边坡位置快速填埋，安全系数将接近警戒值1．3，故边坡填埋速度与高度是决定边坡稳定安全系数的主要因素。每一阶段的填埋结束点均为该阶段的边坡稳定性危险点，故需以该时间点为参考点进行分析来指导填埋作业的填埋速度与高度。1B单元东侧边坡从开始填埋至今，安全系数均大于1．3，地基处于稳定状态。

图9 上海老港生活垃圾填埋场东侧边坡稳定安全系数随时间的变化曲线

4 结论

建造于软土地基上的南方垃圾填埋场，由于其地基的特殊性及南方垃圾填埋场渗沥液水位普遍较高，软土地基强度增长是该类型填埋场边坡稳定分析的关键因素。垃圾场边坡部分软土地基因垃圾厚度不同而造成附加应力有所不同，固结引起的地基抗剪强度增长相差较大，宜进行地基分区处理；软土地基排水固结引起的地基强度增长对边坡稳定性提高具有明显作用；每一阶段的填埋结束点均为该阶段的边坡稳定性危险点，故需分析该时间点为稳定性指导填埋作业的填埋速度与高度。

［1］钱学德，郭志平，施建勇．现代卫生填埋场的设计与施工［M］．北京：中国建筑工业出版社，2001．

［2］ Zhang W J，Qiu Q W．Analysis of Contaminant Migration through Vertical Barrier Walls in a Landfill in China［J］．Environ Earth Sci，2010，61（4）：847-852．

［3］张文杰，林伟岸，陈云敏．垃圾填埋场孔压监测及边坡稳定性分析［J］．岩石力学与工程学报，2010，29（S2）：3628-3632．

［4］詹良通，管仁秋，陈云敏，等．某填埋场垃圾堆体边坡失稳过程监测与反分析［J］．岩石力学与工程学报，2010，29（8）：1697-1705．

Stability Analysis of Landfills Lying on Soft Soil Foundation

Liu Yujiang1，2
（1．Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430068；2．Shanghai Laogang MSW Treatment Co．，Ltd，Shanghai201302）

Based on slope stability analysis of Shanghai Laogang Waste Landfill Site,the effects of strength growth of soft soil foundation，main leachate level and perched leachate level on slope stability of the landfill site were researched．According to parameter analyses，the results showed that strength growth of soft soil foundation caused by drainage consolidation could improve slope stability．The end time of each landfilling operation is a dangerous point of the slope stability in each stage，so slope stability should be analyzed to guide landfilling speed and height by taking these points as the reference points．

landfill site；slope stability；soft soil foundation；strength growth

TU43；TU993．3

A

1005-8206（2012）04-0057-04

2012-03-06

刘玉江（1970—），在读硕士，工程师，主要从事固体废物填埋场的建设和运营管理。

（责任编辑：郑雯）