城镇固废填埋场自身稳定可靠度研究

张建国 宁培

摘要：随城镇化进程加快，日益增长的城镇固废物处理将引起政府高度重视，但目前就固废堆积物堆存设计仍沿用传统岩土行业规范，未有专业设计规范，研究成果的可靠性有待商酌。本文针对固废堆积物自身较大变异性的特点，在垃圾坝和固废堆积物整体数值模型基础上，进行固废堆积物自身稳定可靠性研究，并与传统岩土行业设计成果比对，说明现行固废处置场设计安全存在的不确定性，为今后固废填埋场设计提供参考。

关键词：固废堆积物;变异性;可靠性研究

Abstract：According to the characteristics of solid waste accumulation itself larger variability， On the basis of the numerical model of waste dam and solid waste accumulation， Study on the accumulation of its stability and reliability of solid waste，Compared to the traditional industry design results，and explain the uncertainties in security of the current design of solid waste disposal field. It provides a reference design for future solid waste landfill.

Keywords：solid waste accumulation;variability;reliability study

随我国城镇化进程加快，产生的城镇固体废弃物（MSW）急剧增长，由于其对环境的不利影响，其统一收集和无害化处置也便越来越引起环境管理部门的重视。当前国内外城镇固体废弃物处理方式主要由填埋、焚烧等方式，其中填埋技术由于处理类型广、处理量大、实施简单且费用较低，成为固废处理的主要方式。

一、固废处理个别案例

2015年12月20日，在中国最发达的城市发生了最不可思议的泥石流，广东深圳市光明新区凤凰社区恒泰裕工业园发生山体滑坡，附近西气东输管道发生爆炸。根据现场指挥部21日上午9时发布的最新消息，失联91人，其中59名男性，32名女性。初步查明深圳光明新区垮塌体为人工堆土，原有山体没有滑动。人工堆土垮塌的地点属于淤泥渣土受纳场，主要堆放渣土和建筑垃圾。由于堆积量大、堆积坡度过陡，导致失稳垮塌，造成多栋楼房垮塌。

填埋技术由于处理类型广、处理量大、实施简单且费用较低，成为固废处理的主要方式。城镇固废处置场一般规模较大，多位于城镇周边，一旦失事不但影响环境，还会造成严重的经济损失和恶劣的社会影响。2002年重庆沙坪坝区凉枫垭垃圾处置场因边坡失稳而滑塌，40万m3垃圾将山坳碎石廠的三层楼宿舍瞬间吞没，造成10人死亡;国外如英国244m的威尔士阿伯芬垃圾场曾滑入城里，导致800多人伤亡;2000年，菲律宾首都马尼拉附近的一座大型垃圾填埋场发生滑塌，造成100多人丧生，数千人受伤;据不完成统计，仅60年代中期美国就曾有500多处垃圾堆发生灾害。为何同类事件会如此频繁发生，当我们不断查找、分析施工或运行管理纰漏的同时，对垃圾处置场整体稳定性研究同样需要引起我们的重视。

二、固废处置研究现状

我国已建的固废处置场多数属山谷型处置场，它主要由衬垫系统、渗滤液收集和排放系统、气体收集和导排系统及封顶系统等几部分组成，由于山谷型其独有的地形地貌、降雨汇集条件和堆存量要求，其堆积物自身失稳是该类型填埋场最为常见的破坏形式。当前对垃圾堆积物自身的稳定性研究，国内没有一套专门的规范可参照，就目前新编的《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》也仅提及了垃圾坝坝体、库区地基边坡相关设计条款，而且还是参照其他岩土行业规范执行，而关于堆积体自身的稳定性问题更无迹可循。基于此，国内研究学者和设计人员一般参照其他岩土行业边坡稳定分析方法来处理堆积物自身稳定问题，主要的计算方法有刚体极限平衡法、有限元和有限差分法等，其中刚体极限平衡安全系数法由于概念清晰、操作简单，且在土木和水利等传统行业普遍应用，因而也在固废堆积物自身稳定研究中得以广泛应用。

传统岩土行业涉及到的边坡稳定问题，由于其历经大量工程实例，所采用的计算方法及其评价标准都积累于丰富的工程经验考证;而针对固废填埋场不同于一般岩土体的新型特殊填土，物质组织主要包括有食品、动植物残骸、皮革、橡胶、塑料、木料、玻璃及石块等生活垃圾，由于其特定的物质组成、填埋工艺和生物降解作用等，其力学特性不仅与传统行业碾压土坝、土质边坡等一般岩土体存在差异较大，而且其自身随时间推移其力学特性也随之变化。基于此，将其他积累了丰富经验的传统行业安全系数法及其评价标准直接应用于固废堆积物稳定研究上，是否能说明二者具有相同可靠程度，便值得固废填埋场设计人员考证。

三、固废堆积物可靠度分析理论

1.固废堆积物自稳可靠度理论

可靠度理论是描述预测过程中所包含的重要不确定性，并把这些不确定性纳入可靠性分析，来评价结构破坏风险的计算理论。其不同于单一安全系数法采用“绝对安全”或“必然破坏”两种绝对的表述来研判，而是采用“可能性”能表述立场，其表现形式通常有失效概率Pf、稳定概率Ps、可靠指标β。失效概率是指达到或超过承载能力极限状态或正常使用极限状态中的某一极限的概率，与稳定概率是互补的，是实际工程中应用最为广泛的。可靠指标是用以度量结构构件可靠度的指标。固废堆积物自身稳定性或其可靠度，可用功能函数Z表示：

Z=g（X1，X2，…，Xn）

式中：Z—稳定系数或安全储备，在确定性分析方法下认为是安全系数，在可靠性分析下便是随机变量;X—影响固废堆积体稳定的相关变量，包括容重、摩擦角、黏聚力、地下水位等。当Z=0时，表示稳定性达到极限状态，当Z>0时，表示稳定，当Z<0时，表示不稳定。为直观说明失效概率，在采用刚体极限平衡法进行固废堆积物稳定分析时，可以将功能函数Z简化用荷载效应S和抗力作用R两个随机变量来表示：

Z=g（R，S）=R-S

图1表示R与S的概率密度函数曲线，在曲线重叠区内，如果R<S，则失效，其失效概率与重叠区的大小有关。当R>0，S>0时，失效概率可以表示为：

当采用刚体极限平衡简化Bishop法进行固废堆积物稳定计算时，可简化拟定荷载效应S和抗力作用R分别为：

式中：Wi—第i个滑动条块自重;μi—第i滑动条块底部的孔隙压力;       αi—第i滑动条块底滑面的倾角;bi—第i滑块条块宽度;ci、φi—第i滑动条块底面的有效凝聚力和内摩擦角;K—安全。

在工程评价和设计过程中，以上涉及的容重、孔隙水压及抗剪断参数均可以按变量考虑，并通过统计和样本观察推断其概率分布、变异性，由此来进行失效概率的推求（图1、2）。

2.设计参数分布

岩土失稳可靠度评价过程中，容重相对其他指标而言，因变异系数在3%-7%之间，小于0.1%，在《地质灾害防治工程勘察规范》（DB50/14-2003）中岩土体参数指标变异性级别为很低，可以将其同结构尺寸参数等同视为定值处理。根据国外Duncan对近二十年一般岩土体参数变异系数统计，结合国内李镜培和高大钊对40多个场地勘察资料的收集分析，黏土体抗剪断参数f、c变异系数分别在0.1、0.3左右。而垃圾堆积物由于其组成的特殊性，其力学特性与其他一般岩土体之间存在一定的差异，笔者应用文献针对北京某一垃圾填埋场工程的物理力学性质指标试验成果，初步拟定摩擦系数、黏聚力变异系数分别为0.17、0.41，概率模型均服从正态分布。孔隙水压其概率分布及变异性由于存在、作用形式的差异，变异性存在很大不同，是一个相当复杂的问题，针对本文的重点在于研究固废堆积物自稳是否能用常规岩土体评价标准衡量，所以本文中对孔隙水压概率分布及变异性也不进行深入研究，暂按正态分布，变异系数0.1考虑。

四、工程实例

某城镇一大型垃圾填埋场，垃圾坝采用碾压土石坝，坝顶宽4.5m，内坡1∶1.8，外坡1∶2.0，坝顶高程275.00m，最大坝高10m。堆积体物以1：3放坡，最大堆积体高度24m，每隔8m布置1平台，平台宽度3m。填埋场典型结构模型如图3，垃圾填埋场自稳可靠度稳定性分析相关物理力学参数参见表1。

为剖析垃圾堆积物与一般性岩土体可靠度的差异，特建立抗剪断标准值模型进行计算成果的对比，来说明采用与一般岩土体同一套设计标准来评价垃圾堆积物自稳的合理性（图4、5）。

从图4、5成果可知：（1）在相同重度、孔隙水压及抗剪断均值情况下，同一计算模型垃圾堆积物和一般岩土体自稳安全系数同为1.30，均满足《水利水電工程边坡设计规范》Ⅰ级边坡和《碾压式土石坝设计规范》Ⅰ级坝坡正常运行状况下的安全系数要求。（2）但可靠度分析成果同时显示，二者可靠指标相差近两倍，垃圾堆积物失效概率为14.35%，稳定概率仅为85.65%，简而言之，建造100座同类型垃圾堆积物处置场，存在近15座失稳的可能。而同样类型的一般岩土体，其失效概率仅为1.85%，稳定概率达98.15%。通过失效概率的对比，可以发现同一计算模型下，一般岩土体有相当大的可靠保证，这也验证了常规行业一般岩土体稳定评价采用定值K=1.3标准的合理性，然而固废行业同样采用定值K=1.3来评价其垃圾堆积物自稳，便显得不尽合理。

五、结论

根据固废可靠度分析理论的深入研究，并通过实际工程案例的分析比较，研究成果表明由于固废堆积物自身的变异性，固废行业采用与传统岩土行业一致的边坡安全评价标准进行工程设计是不合时宜的，固废行业设定符合其自身特点的堆积物稳定评价标准是必要的。但受固废堆积物自身组成的复杂性，且国内对相关基本参数统计研究工程的缺乏，目前并没有值得信赖可靠的基本物理力学统计参数可以使用，所以后期进行详实的城镇固废土性指标概率特性研究是非常有必要的。也只有基于此，才能制定一套合理而经济的固废堆积物稳定评价标准。

参考文献

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作者简介

张建国（1983.01-），男，汉族，湖南省长沙市人，硕士研究生学历，中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司高级工程师，主要研究方向：水利水电工程、岩土工程。