填埋场坝体应力变形与稳定性分析

邝溯琳，梁丽华，刁智俊

(1.北京海淀区六里屯垃圾填埋场，北京100094;2.西北大学城市与环境学院，陕西 西安710127)

目前中国有超过80%的城市垃圾采用厌氧填埋处置［1］。填埋场的环库围堤和垃圾堆积体进行堆积作业时，每填筑一层，坝体都会受力而产生变形及沉降，发生位移变化。1988年高达27 m的Kettleman Hills垃圾填埋场出现了边坡失稳，侧向位移达10.6 m，垂直位移达4.2 m［2］。美国的 Cincinnati填垃圾填埋场、巴西的 Dona Juana垃圾填埋场［3］、重庆凉枫娅垃圾场都发生过滑坡。填埋场失稳破坏，除可能埋没村庄造成人员伤亡财产损失，污染物泄漏的后果更加严重。通过应力变形分析，可以分析判断坝体受力产生的变形情况，以进一步判断坝体的稳定性。Jones等人发现传统的极限平衡分析不能被用来评估垃圾填埋场的局部失稳，而数值模拟技术(FLAC有限差分程序)可以被用来评价局部失稳［4］。本文基于施工图设计和现场情况对北京某填埋场坝体进行应力场原位分析和变性分析，在此基础上根据其发生的为变化量对坝体进行稳定性分析。

1 填埋场环库围堤与分区堤坝

根据垃圾填埋场初步设计方案和施工图，堆体每10 m标高分为两个填埋作业阶段，每层填埋作业高度为6 m，理论填埋作业高度为12 m。每到6 m为一阶段。目前，环库围堤高度为3 m，垃圾堆体已经填埋至6 m左右，下一阶段准备在环库围堤上加高3 m，达到设计要求的6 m。围堤顶宽3 m，环库围堤外边坡为1:2.5，内坡为1:1，使用黄土堆筑，分层碾压，压实系数不低于0.95。环库围堤与垃圾接触面及外侧铺设HDPE防渗膜(2 mm厚，双糙面)。

6～12 m层分区堤坝分段完成，做法同环库围堤，分区堤坝和环库围堤共同形成填埋分区。分区堤坝6 m一层，顶宽25、30 m(见图1～图3)。

图1 环库围堤

2 填埋场坝体应力变形分析

基于施工图设计和现场情况对坝体进行应力变形分析，分析软件采用加拿大开发的geostudio 2007程序。进行分析采用的计算模型依据初步设计和现场情况建立，共分为4层填筑，每层填筑高度为3 m。由于该垃圾填埋区为平地形，四周环库筑坝填埋，因此为了便于计算分析，计算模型取整个计算区域的一半，并且每层填筑的环库围堤和垃圾产生的荷载同时加载到下一层上，以此来分析每层填筑后产生的变形。分析模型按照初步设计施工图要求的0～12 m层高设置，每层3 m，共设置4层(模型见图4)。由于环库围堤从地面以上堆筑，地下下挖26 m填埋垃圾，根据工勘报告，垃圾所产生渗滤液埋深较深，因此在对环库围堤和垃圾土进行分析时，不考虑滤液对地表以上坝体和垃圾堆积体的影响。

图2 垃圾填埋区

图3 垃圾土填埋

图4 分析计算模型

2.1 计算选用参数

对分析模型进行应力变形分析所选用的参数来源于类似工程和其他参考文献提供数据，各土层力学性质表见表1。

表1 力学参数表

2.2 计算方法及材料类型

本次应力变形分析采用的计算方法是总应力法，在计算应力变形之前，首先要进行应力场原位分析，原位分析采用线弹性材料类型。原位分析完成后，进行变性分析采用双曲线非线性塑性类型。

2.3 计算结果

根据以上计算方法和材料参数选择，原位计算结果如图5、图 6。

图5 原位分析计算结果

图6 Y方向应力与位移变化曲线

根据基础层重度和泊松比与K0之间的关系可知，原位分析基础层低端所产生的应力为485 KP，从图6可知，计算结果符合实际要求。

依据原位分析的计算结果，进行应力应变分析，分析结果如图7～图16。

图7 填筑第一层后变形图

图8 填筑第二层后变形图

图9 填筑第三层后变形图

图10 填筑第四层后变形图

根据以上计算结果分析，随着堆填体的加高，在Y方向产生的应力逐渐增大，填筑第一层所产生的最大位移为0.08 m，填筑第二层所产生的最大位移为0.1715 m，填筑第三层所产生的最大位移为0.266 m，填筑第四层所产生的最大位移为0.362 m，随着堆填体的增高，最大位移将不断增大。从X和Y方向发生的位移变化看，对边坡变形影响贡献较大的为垂直位移。

在应力变形分析的基础上，根据其发生的为变化量对坝体进行稳定性分析，分析过程采用总应力法，依据摩尔库伦准则，不考虑渗滤液对其影响。

图11 填筑第一层应力分布图

图12 填筑第二层应力分布图

图13 填筑第三层应力分布图

图14 填筑第四层应力分布图

图15 分层填筑后Y方向位移变化量

图16 分层填筑后X方向位移变化量

图17 第四层填筑完成后稳定性分析图(瑞典法)

图18 第四层填筑完成后稳定性分析图(毕肖普)

根据稳定性计算结果，采用瑞典圆弧法计算，安全系数Fs=2.939;采用毕肖普法，安全系数 Fs=3.000，坝体的安全系数较大，能够满足规范要求，坝体稳定。

3 结论及建议

3.1 结论

通过垃圾填埋场环库围堤和垃圾填埋土应力应变分析和坝体稳定性分析的结果可知，按照初步设计方案堆筑的0～12 m坝体在发生应力变形后坝体的稳定性能够满足规范要求，能够正常运行。

3.2 建议

(1)由于本次数值模拟所选用参数来源于类似工程以及相关文献，建议企业在坝体堆高到1/2～2/3处时，进行工程地质勘察，获取相关资料和参数，再次进行坝体应力变形分析和稳定性分析，以确保坝;

(2)环库围堤的堆筑应严格按照设计要求的压实度进行压实，压实系数不得小于95%。

(3)垃圾填埋区进行12～24 m填埋时，建议企业聘请有资质的设计单位进行12～24 m填埋设计。

(4)建议在填埋区设置安全警示标志。

(5)建议在环库围堤和分区坝上设置坝体沉降在线观测设施，监测坝体的日常沉降变化，一旦发现问题，可及时处理。

［1］Guangxia Qi，Dongbei Yue，Jianguo Liu，Rui Li.Impact as sessment of interm ediate soil cover on landfill stabilization by characterizing landfilled municipal solid waste［J］.Journal of Environmental Management，2013，128:259 －265.

［2］Arthur L.Moss.Interfacial shear strength of geosynthetics using the cylinder direct shear test［D］.Utah State University:UMI Company，1999.

［3］冯世进.城市固体废弃物静动力强度特性及填埋场的稳定性分析［D］.杭州:浙江大学.2005.

［4］D.R.V.Jones，N.Dixon.Landfill lining stability and integrity:the role of waste settlement［J］.Geotextiles and Geomembranes，2005 ，23:27－53.