垃圾土边坡失稳离心模拟试验研究

侯瑜京，彭 仁，张雪东，王 存，梁建辉，贾程宏

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京市政建设集团有限公司，北京 100176；3.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100091）

垃圾土边坡失稳离心模拟试验研究

侯瑜京1，彭 仁2，张雪东1，王 存3，梁建辉1，贾程宏1

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京市政建设集团有限公司，北京 100176；3.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100091）

垃圾围城现象在中国十分明显，其潜在的危害是在极端气候和环境条件下，由于强降雨和渗滤液回灌引起有效应力降低，从而导致填埋体发生滑坡，甚至演化为流滑现象。本文根据中国城市垃圾土的特点，配置了垃圾土试样并制作模型，采用大型土工离心机针对不同龄期的垃圾土边坡在多种工况组合条件下进行了模型试验。为了使模型边坡在高加速度场下达到破坏，开发了变角度模型箱。在离心机转动过程中，通过调整模型箱的角度来增加边坡的坡度，直至垃圾土边坡模型达到破坏。试验过程中同时监测模型变形，通过数据分析，发现了垃圾土边坡变形及失稳的一般性规律。本文同时给出一种离心模拟试验中模型边坡安全储备的估算方法。

离心模拟；变角度模型箱；垃圾土；边坡失稳；渗滤液

1 研究背景

根据《中国环境发展报告（2011）》对全国31个省会城市及直辖市调研结果，我国垃圾年均增长率超过10%，每年产生近1.5亿t城市垃圾，累积堆存量已达70亿t。全国超过三分之一的城市处在垃圾“包围”之中，城市垃圾量的增长势头很难遏止，有四分之一的城市已没有合适场所堆放垃圾。垃圾的直接危害包括污染大气、污染地下水、污染土壤和影响景观等，其潜在的危害还包括其滋生的蚊虫传播疾病，而且在极端气候和环境条件下，由于强降雨及渗滤液回灌等可能引起的应力场、渗流场重分布，进而导致灾变渐进演化，并最终诱发填埋体发生滑坡。

由于垃圾土的原始成分比较复杂，因此其物理力学性质变幅很大，其容重不仅与它的组成成分和含水率有关，而且随填埋时间和所处深度而变化。根据文献［1-2］整理结果，垃圾土容重范围为3.0～14.4 kN/m3。垃圾土样含水率主要与下列因素有关：垃圾土的原始成分、当地气候条件、填埋场运用方式、渗滤液收集与排放系统的效用、填埋场内生物降解过程中产生的水气数量等，因此其数据离散性更大。孔隙率定义为固体废弃物孔隙体积与总体积之比。根据垃圾土的成分和压实程度，其孔隙率约为40%～52%，比一般压实黏土衬垫的孔隙率（约40%）要高。垃圾土中常含有大量渗滤液，渗滤液可由固废自重或荷载挤压产生，也可由外部水透过填埋场的固体废弃物产生。渗透水的来源可能是降雨、灌溉、地下水或填埋场内部再循环的渗滤液。在我国，由于城市生活垃圾组分中厨余垃圾含量较高，常会产生大量渗滤液。当渗滤液导排层於堵，长期导排不畅，易造成填埋场中渗滤液水位壅高，这对填埋体边坡的稳定是极大挑战。调查表明，现有建成的填埋场中很多都存在渗滤液水位壅高的问题。例如，2008年深圳下坪填埋场监测数据显示渗滤液水位埋深2 m，在局部区域甚至有渗滤液溢出，并引发裂缝和滑坡。因此，研究高水位填埋场的变形特征与失稳模式很有必要。

垃圾土压缩变形的机理主要有①物理压缩：同普通土体的压缩机理相同；②错动：垃圾填埋场中的细颗粒向大孔隙或洞穴中运动；③流变特性和固结；④物理化学变化：废弃物因腐蚀、氧化和燃烧作用引起的质变及体积减小；⑤有机物的生化分解：垃圾中的有机物因好氧和厌氧分解所引起的质量和体积的减少。填埋体沉降量受众多因素影响，主要包括：垃圾填埋层及覆土层的初始密度或孔隙比、垃圾中可分解成分的含量、填埋高度、覆盖压力及应力历史、淋滤液水位及其涨落，以及其它的环境因素如：垃圾的含水率、温度以及填埋体内的气体或由垃圾所产生的气体等。

詹良通等［3］曾对深圳市下坪固体废弃物填埋场进行了现场变形监测，对场底衬垫系统及垃圾堆体的稳定性进行了观测研究。通过统计分析发现，雨季期间渗滤液水位显著升高，地表水平位移速率相应增大，表明降雨条件下填埋体内的渗滤液水位上升，填埋场的稳定性大大降低。2000年菲律宾马尼拉一个垃圾填埋场因连续降雨发生滑塌，2002年6月重庆沙坪坝区凉风垭垃圾填埋场因暴雨而滑塌，以及杭州天子岭垃圾滑移等边坡失稳事故，都和降雨引起渗滤液升高直接相关。

国内外很多学者采用不同的试验方法和分析手段对城市固体废弃物的强度特性进行研究［4-5］，主要分为三大类：现场试验、室内试验、边坡和荷载试验的反分析。Mccreanor等［6］建议在实际工程应用中，在缺少参数的情况下，可按照应力条件选取合适的强度参数值。

目前，离心模型试验研究技术成为环境岩土工程研究的重要手段。土工离心模型试验是将原型构筑物按几何比尺缩小，经适当简化制成模型，放在离心机吊篮中，调整离心机加速度，可以使模型中的应力场与原型相同，因此可以再现原型特性，较真实地显示出土体变形或破坏的全过程。Jessberger等［2］为了研究垃圾填埋体失稳破坏的机理，利用离心机对1～3年龄期的垃圾土进行了研究。模型试样安装完成后，启动离心机使试样固结，再把试样削成90º和70º边坡，发现填埋体内形成了滑裂面，破坏形式与一般土体相似，但是此刻发生了较大变形，即判断填埋体的破坏特性应以变形特征参数作为判断依据。Thusyanthan等［7-8］也探讨了固废垃圾的模拟方法并开展了离心机模型试验。

本文采用大型土工离心机，系统研究了不同龄期垃圾填埋体在不同工况下的典型失稳演化过程，从而揭示了垃圾土边坡发生失稳的条件及其渐进演化机制。垃圾填埋体虽然有别于一般的岩土材料，但其变形和稳定主要仍是垃圾材料重力作用的结果，因此离心模型试验的相似率大部分仍然适用，本项研究工作给出了部分物理量的离心模拟相似关系。

2 模型试验准备

在离心模型试验中，要求模型满足几何相似条件，应力和模型材料与原型相同，从而保持模型和原型应力-应变关系的一致性。确定相似比尺是离心模型试验正确模拟原型的关键，通常需要考虑所模拟结构物的尺寸和研究重点，同时应综合考虑离心机的容量、模型箱尺寸和最大加速度等指标。对于离心模拟垃圾填埋场，涉及到的主要比尺关系见表1。

表1 离心模型试验中常用物理量相似准则

试验采用中国水利水电科学研究院LXJ-4-450型土工离心机（见图1），最大转动半径5.03 m，最大加速度300 g，有效负载1.5 t，有效荷载容量450 g-t。试验吊篮尺寸为1.5 m×1.0 m×1.5 m。为研究填埋体整体失稳的触发机制，试验采用了可在离心机吊篮中使用的变角度模型箱及传动系统（见图2），试验过程中，通过旋转模型箱，增加填埋体边坡坡度，直至产生整体失稳，以便研究触发填埋体整体失稳的影响因素。模型箱内部尺寸568 mm×342 mm×308 mm（长×宽×高），最大倾斜角度75°，转动速率可调，试验采用转动角速度为1.4°/min。该系统可在离心加速度50 g下运行。

图1 LXJ-4-450型土工离心机

图2 倾斜模型传动装置及模型箱

由于固体废弃物成分复杂、颗粒粒径差别较大，且具有明显的各向异性，采用真实垃圾土做模型试样，试验重复性较差，且对试验人员的健康也有害。因此，有学者提出采用一定的配方配制垃圾土，如Thusyanthan等［7］人采用泥煤、高岭土以及砂土等按一定比例混合，使其在物理力学性质上，如容重、压缩性、抗剪强度以及动力特性方面与真实垃圾土尽量接近。不同国家和地区的垃圾土成分差别很大，中国的城市生活垃圾，厨房垃圾部分所占比例较高，导致其体积含水率比国外高出许多。朱斌等［9］对国内垃圾的特殊性进行了研究，提出了垃圾土的配制方法，主要选用水、草炭、高岭土以及福建标准砂，按不同配比配制不同龄期垃圾土。试验采用的垃圾土控制参数如表2所示。

表2 固废垃圾土配比

对于人工配制垃圾土进行了土工试验，通常中龄期垃圾土的密度较小，含水率较大；高龄期垃圾土密度略有增加而含水率有所减少。垃圾土试样的基本物理力学特性指标见表3。实际上垃圾土的容重变化幅度很大，由于它的原始成分本来就比较复杂，又受处置方式和环境条件的影响。其容重不仅与它的组成成分和含水率有关，而且随填埋时间和所处深度而变化。大多数填埋场均对固体废弃物进行适度压实，经过压实后的垃圾土，平均湿容重取值范围为9.4～11.8 kN/m3。可以看到离心模拟试验中采用的中龄期垃圾土与之比较接近。

表3 垃圾土试样的物理力学特性指标

试验给出［10］模型垃圾土比重为2.29。中龄期垃圾土样，饱和浸水压缩试验，在0.1～0.2 MPa压力范围内的压缩系数a1-2为0.551～1.495 MPa-1之间，属于高压缩性土；在试验控制湿密度下，垃圾土样的渗透系数是10-3～10-5cm/s量级，垃圾土样属中等透水～微透水，制样湿密度对渗透系数影响较大。测定垃圾土样在不同湿密度，饱和固结排水试验条件下的抗剪强度指标，有效摩擦角Φd在18.6°～28.5°之间，凝聚力Cd在0～16.9 kPa之间。

3 填埋体边坡离心模型试验

3.1 模型设计制作及试验步骤试验分别考虑不同形状的固废填埋场边坡。模型高度200 mm，设计采用离心机加速度40 g，从而可以模拟原型8 m高的垃圾土边坡。填埋场边坡模型A布置如图3所示，边坡坡角为70°，分别对中龄期和高龄期垃圾土模型（模型AM70和模型AH70）进行了试验比较；对于模型B，主要针对中龄期垃圾土，采用不同的边坡组合型式，设填埋场山谷坡度均为45°，垃圾土边坡的坡度分别采用40°、60°及70°（分别为模型BM40、BM60、BM70），简化后的模型布置如图4所示。以上模型均采用旋转模型箱进行试验，当离心机加速度达到40 g时，如果模型没有发生破坏，则通过旋转模型箱加大模型边坡的角度，直到边坡发生明显裂缝或滑动破坏。为防止模型垃圾土沿模型箱底部滑动，采用在模型箱底铺设粘贴1 mm厚度的土工膜，膜上用强力胶水粘贴标准砂，通过界面直剪仪测试，通过控制用砂量使摩擦角在25°左右，近似模拟原型垃圾填埋场的复合衬垫系统。

图3 背坡直立条件下垃圾土边坡模型布置

图4 组合边坡（背坡角度45°）垃圾土模型布置

模型底部埋置土压力传感器，模型顶面装有激光位移传感器以测量顶面沉降变形值。模型箱透明侧壁方向装有高速摄像头，对整个变形失稳过程进行拍摄录制，结合PIV技术，可分析整个过程模型垃圾体的位移场变化［11-12］。

为了研究渗滤液回灌条件下边坡的破坏特性，设计了模型CH70，其基本初始条件与模型AH70完全相同。首先在模型CH70中，沿模型箱侧面缓缓通入纯净水，模拟垃圾土中的渗滤液，使水位高度达到50 mm，即达到填埋场高度的1/4。此时启动离心机，观测模型的变形，当模型边坡明显破坏时，记录破坏时的加速度。所有垃圾土边坡模型试验编号和模型布置示意图见表4。

表4 垃圾土边坡模型试验编号和模型布置

试验步骤如下：按预定密实度分层夯实垃圾土至水平高度，模型制作过程中安装传感器。然后按照设计的坡度进行削坡。模型制作完成后调入离心机吊兰，连接数据采集系统，启动离心机至设计加速度，待模型变形基本稳定后，开始启动旋转模型箱，增加边坡坡度，直到垃圾体内出现明显滑动面后停机，同时记录停机时刻旋转模型箱的角度。

3.2 试验结果及分析各类边坡的破坏形态比较复杂，受模型箱侧壁摩擦影响，滑坡形态通常呈现三维变化形态，试验分析中则主要考虑中心轴线的断面形态。每次试验结束后，均对裂缝的位置、宽度和边坡角度等进行量测，各模型边坡失稳时的边坡角度见表5。

表5 各类模型边坡失稳角度一览

本试验中模型边坡的安全系数F与以下参数有关：模型材料的物理力学性质、模型断面几何形状和尺寸、边界条件以及其他特征参数。假设破坏时的安全系数Ff≤1，通过稳定计算很容易得到模型在发生初始破坏时的安全系数接近1，采用同样的计算参数和方法，可以得到模型在初始情况下的安全系数Fi，二者之差以百分比表示，便可以作为模型在破坏前的安全储备Sc。

利用软件GeoStudio中的边坡分析子功能，参照表1的基本物理力学参数，取中龄期垃圾土的湿容重为11.9 kN/m3，老龄期的湿容重为16.0 kN/m3，得到安全系数的计算结果和安全储备见表5。可以看到对于中龄期垃圾土模型AM70，模型初始边坡角度为70°，通过离心模拟试验得到破坏时的边坡坡度为83°，根据此时的模型几何形态，对凝聚力强度参数在合理试验范围内进行微调，计算得到模型在破坏时的安全系数为0.99，对应初始状态模型的安全系数为1.30，则认为安全储备Sc=1.30-0.99=0.31%。

中龄期垃圾土与高龄期垃圾土边坡试验结果比较（模型AM70与AH70，见图5）：试验表明，高龄期垃圾土边坡模型AH70相对于中龄期模型更偏于稳定，根据破环时的边坡坡度衡量边坡抵抗失稳的能力，则两个模型在龄期不同，其他条件相同的情况下，高龄期垃圾土边坡比中龄期模型抵抗失稳破坏的安全储备将提高约8%。既垃圾土边坡随着堆积时间的增加，有逐渐趋于稳定的趋势。中龄期垃圾土复杂组合边坡条件下的试验结果比较（模型BM40、BM60与BM70）：组合边坡主要用于模拟山谷地区的垃圾填埋场边坡，山谷的坡度为45°。通过试验比较可以发现，位于山谷垃圾填埋场的边坡，其边坡失稳与山谷边坡坡度紧密相关，当垃圾土边坡小于山谷坡度时（BM40），垃圾土容易沿与山谷接触的屏障界面产生滑动；当垃圾土坡度大于山谷坡度时，大部分模型变形和失稳发生在垃圾土内部，而且初始边坡越陡，安全储备越小，因此也越容易在靠近边坡的部位发生滑动。底部水平边坡与组合边坡试验结果比较（模型AM70与BM70）：可以看到，同样的垃圾土边坡，组合边坡模型BM70更容易产生滑动，根据破坏时的边坡坡度，则模型AM70的抗失稳能力高于模型BM70约15%，可见对于底部存在边坡的山谷型垃圾填埋场，其边坡稳定性低于平原填埋场边坡。在有一定渗滤液水位的条件下，模型CH70在离心机加速度33.5 g条件下发生破坏，通过稳定分析可以得到模型AM70在33.5 g条件下的安全系数为1.44，此时与模型CH70对应的原型边坡高度相同。说明模型CH70在有渗滤液的条件下，渗滤液高度达到边坡高度的1/4，其边坡安全储备减低了40%，因此更容易发生滑动破坏。

图5 模型边坡破坏时形状和照片

在离心模拟试验中，中龄期垃圾土的压缩变形通常较大，图6给出模型AM70在离心机升速过程中的变形曲线，可以看到在离心机升速过程中模型顶部沉降达到25 mm，在模型边坡侧面的激光位移传感器LS3量测到在该位置有约8 mm的向坡内的变形，说明随着垃圾填埋场高度的增加，垃圾土体底部实际上也会逐渐变密实，有利于局部稳定。模型变形基本稳定后，启动模型箱旋转功能，得到边坡角度增加过程中变形测量成果（图7），面对边坡的激光位移传感器LS3，给出了数据突变点，显示在该时刻模型边坡发生破坏，时间发生在模型箱旋转后的510 s，对应模型箱旋转角度为13°。

老龄期垃圾土的压缩变形相对较小，图8给出模型AH70在离心机升速过程中各测点的变形曲线，可以看到在离心机升速过程中模型顶部沉降仅为8 mm，在模型边坡侧面几乎没有变形；图9给出模型在增大边坡角度过程中激光位移传感器量测到的结果，LS3数据的突变指示在该时刻模型边坡发生破坏，时间发生在模型箱旋转后的730 s，对应模型箱旋转角度为18°，表明老龄期垃圾土边坡抵抗破坏的能力远大于中龄期。

图6 模型AM70位移变形曲线

图7 模型AM70在模型箱转动过程中的各测点变形曲线

图8 模型AH70位移变形曲线

图9 模型AH70在模型箱转动过程中的各测点变形曲线

篇幅所限，略去其他模型的观测曲线。其中模型BM40主要为探讨垃圾填埋场沿界面整体失稳的可能性，试验中用数码相机记录模型断面变形后的照片，然后采用图像分析（PIV法）得到模型BM40竖向位移场及位移矢量分布见图10。可以看到，在坡肩处的竖向变形值最大。位移等值线沿界面方向发展，在界面附近处也伴有较小的位移值，但并未发展成为整体失稳破坏。图11给出模型箱旋转22°时的矢量图。试验发现填埋体最后沿内部破坏的位置并不是典型的圆弧破坏模式。坡面中间横向位移较大，导致该部位有明显的隆起，同时可以观测到填埋体沿底部界面有位移产生，可见当垃圾土边坡小于底部坡度时，垃圾土容易沿接触界面产生滑动（图12）。

图10 模型BM40竖向位移场分布及位移矢量图（40g，单位：mm）

图11 模型箱旋转22°时矢量图

图12 对应不同旋转角度时的变形轮廓线

有无渗滤液条件下的试验结果比较（模型AH70与CH70）：模型CH70试验过程见图13，在渗滤液回灌的条件下，边坡更容易发生失稳，比较模型CH70和模型AH70可以看到，模型AH70垃圾土边坡，离心机加速度为40 g，对应原型高度8 m时，并没有发生失稳。但同样的模型边坡，当离心机加速度达到33.5 g时，对应渗滤液回灌深度达到1.8 m，原型高度6.7 m时即发生破坏。可见渗滤液引起的坡脚强度降低，是产生边坡破坏的主要诱因。

图13 模型试验过程

4 结论

本文针对城市固体垃圾填埋体边坡，采用离心模拟试验方法，分别比较了不同的边坡型式、不同龄期条件，以及渗滤液回灌条件下垃圾土边坡的破坏特点。试验表明中龄期垃圾土边坡比老龄期更容易发生边坡失稳，试验条件下，老龄期边坡的安全储备比中龄期边坡高8%；边坡越陡则安全储备越少，越容易在靠近外边坡的部位发生滑动破坏；对于组合边坡，当垃圾土边坡坡度大于底部接触面的坡度时，大部分模型变形和失稳发生在垃圾土内部，当垃圾土边坡小于接触面坡度时，垃圾土容易沿底部接触面产生整体滑动。本文提出的边坡安全储备评价方法，主要用于离心模型试验结果的解释和分析，因为离心模型试验中总是可以将模型边坡运行到破坏，然后可以通过分析破坏时的基本数据和特征，反求起始条件下的安全储备，由此得到垃圾土边坡失稳的一般规律，并给出定量解释。在渗滤液回灌的条件下，对于渗滤液高度达到边坡高度1/4的老龄期垃圾土边坡，与没有渗滤液的同样高度的边坡相比，其原有的安全储备降低40%，因此更容易发生失稳。

通过模型试验观察分析，建议对于各类固体垃圾填埋场，不宜建设在过陡的山坡上；对于有可能产生大量渗滤液的垃圾填埋场，建议其边坡的安全储备至少应达到40%以上，过高的渗滤液水位是诱发边坡失稳的主要原因，因此需要采取有效措施，及时有效地降低渗滤液水位的高度，避免裂缝和滑动破坏的产生。

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Abstract：Large portion of municipal solid waste has to be stored in valleys or landfill around cities in China.There is potential risk of slope failure for those solid wastes under rain storm causing high leachate level inside the landfill，sometimes leading to flow slide.Tremendous loss of life and property had been re⁃ported in the past.This paper presents the centrifuge model tests to simulate the slope failure phenomenon of the municipal solid waste，based on the simulated waste material with higher water content.In order to observe the slope failure for each model test，a rotating container was developed to increase the model slope angle during centrifuge spinning.Solid waste models were tested to failure respectively under different layout with medium and old age of waste storage，with analysis results based on the model slope monitor⁃ing data and image analyzing method.A useful method is presented in this paper to evaluate the safety po⁃tential of the initial model slope based on the slope failure information from centrifuge model tests.

Keywords：centrifuge modeling；rotating container；solid waste；slope failure；leachate

（责任编辑：韩 昆）

Centrifuge modeling of municipal solid waste slope failure

HOU Yujing1，PENG Ren2，ZHANG Xuedong1，WANG Cun3，LIANG Jianhui1，JIA Chenghong1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.Beijing Municipal Construction Co.Ltd，Beijing 100176，China；3.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.Ltd，Beijing 100091，China）

TU411.8

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.001

1672-3031（2017）04-0241-09

2017-06-15

侯瑜京（1962-），男，博士，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程土石坝物理模拟试验、岩土工程离心机静动力模型试验等研究。E-mail：houyj@iwhr.com