某生活垃圾填埋场垃圾坝稳定和渗流分析

邱贞波，杲加俊，潘 倩，徐 辉

(1.浙江省隧道工程集团有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018；3.浙江水利水电学院建筑工程学院，浙江 杭州 310018)

近年来，在生活垃圾填埋场中，因坝体设计不科学、垃圾填埋作业不规范等原因，导致溃坝、坝体渗漏等事故时有发生。例如，2007年6月永嘉瓯北垃圾填埋场发生填埋气扩散爆炸，引发垃圾坝决堤，大量垃圾涌入楠溪江产生严重污染[1]；2009年2月深圳下坪垃圾填埋场内填埋污泥时，未考虑其与垃圾共存时的工程特性，造成填埋气压及孔隙水压力过高，污泥受挤压渗入垃圾坝造成污水外涌，造成严重环境污染[2]；黑龙江鸡西市垃圾填埋场污泥库构建时，因沿用原垃圾坝，导致坝体右肩坡面滑坡，造成严重环境污染[3]。综上所述，生活垃圾填埋场垃圾坝的渗流和稳定问题不容忽视。

王瑞[4]和雷针[5]采用理正软件计算垃圾填埋场土石挡坝的抗滑移及抗倾覆稳定性，针对计算结果提出了相应的坝体前缘反压、防排水等措施，以保证其长期稳定性。张燕等[6]采用geo-studio软件对某垃圾填埋场中垃圾坝内渗滤液的渗流特性及迁移规律进行了分析，发现当上游坝面铺设土工膜后，填埋场内的重金属离子无法穿透土工膜，不会对地下水造成污染。张婷[7]分析了某垃圾填埋场扩容过程中坝后垃圾堆体渗沥液水位对坝体稳定性的影响，发现在坝后设置渗沥液抽排竖井可实现对渗沥液的抽排，从而确保渗沥液水位高度符合工程要求。梁冰等[8]基于非饱和土力学理论，模拟了降雨条件下垃圾坝体范围内孔隙水压力和流速分布情况，发现在垃圾坝体稳定性分析研究中，渗流场和应力场的耦合效应不能忽略。综上所述，目前国内对生活垃圾填埋场垃圾坝的渗流和稳定问题开展了较多研究，但针对这两类问题同时开展的研究较为缺乏。

有鉴于此，本文以我国某生活垃圾填埋场为工程背景，采用geo-studio中的slope/w以及seep/w模块对该填埋场现状渗滤液水位以及增容后渗滤液水位条件下的垃圾坝进行了稳定分析，对不同水位控制条件下的垃圾坝进行渗流分析，从而为后期坝体加固设计提供参考。

1 工程概况

我国某生活垃圾填埋场在投入运行20年时间里，填埋标高由87m填高至177m，接近最大设计标高。为提高该填埋场服役年限，经专家评估，相关部门拟采取两种方案堆高的方式进行增容：①对进场垃圾按1∶3坡比堆高至200m；②对进场垃圾按1∶34坡比堆高至215m。根据现场调查结果显示，目前垃圾坝顶和坝体出现多处渗漏点，污染了周边土体和水体，造成了较大的环境破坏，因此在增容方案实施之前亟需采取相关防渗措施对坝体进行整治，在整治之前需对坝体的稳定性以及渗漏情况进行分析，从而为后期坝体加固设计提供参考。

对填埋场垃圾堆体和坝体进行了现场钻孔取样和渗滤液水位测试，勘探点布置如图1所示。根据现场勘探结果，垃圾堆体内部主水位高度在15.6～17.8m之间，滞水位埋深在3.2～4.0m之间。根据现场勘探结果得到的垃圾堆体剖面如图2所示。其中垃圾坝坝高19m，坝顶宽约5m，两侧坡度为1∶32，坝前路基高约10m，宽10m，两侧坡度同样为1∶32。根据现场勘探结果得到的垃圾坝体剖面如图3所示。勘探揭露的垃圾坝土层主要为素填土，以及下卧基岩，包括全风化片麻岩、强风化片麻岩和中风化片麻岩，自上而下分别描述如下：

图1 勘探点布置平面图

图2 垃圾堆体剖面图

图3 垃圾坝体剖面图

(1)素填土(0～22m)：呈黄褐色、可塑，以粉质黏土为主，中等强度且具有中等强度的韧性；土中有少量直径为2～4cm的碎石，其中最大颗粒的直径达5cm；层厚6.7～22m。

(2)全风化片麻岩(6.7～26.5m)：颜色为灰黄色-灰白色，主要含有石英、长石等矿物，变晶质、块状结构，节理列隙很发育，岩芯比较容易破碎，呈碎块状，锤击容易碎；层厚在3.1～6.7m不等。

(3)强风化片麻岩(9.8～30m)：呈灰白色，主要矿物包括石英、长石、黑云母等，变晶质、块状结构，节理列隙发育，岩芯呈现短柱、柱状，柱长一般为5～10cm，锤击声哑；层厚为3.5～10.2m。

(4)中风化片麻岩(20～30m)：呈灰白色，主要矿物包括石英、长石、黑云母等，变晶质、块状结构，节理列隙不发育，岩芯呈现短柱、柱状，柱长一般为10～30cm，锤击声脆；层厚在6.4～10m之间。

2 计算模型和参数取值

2.1 模型建立

垃圾坝稳定性分析采用geo-studio中的slope/w模块。slope/w不仅具有滑动面自动搜索功能，而且可以用户自行定义滑面入口和出口的范围。本文采用Morgenstern & Price法对主要稳定控制剖面进行稳定分析。该方法能够同时满足整体力和力矩的平衡条件，适用于任意形状的滑动面，是公认的较为准确的稳定性分析方法。根据CJJ 176—2012《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[9]，考虑到垃圾填埋场这一基础设施的重要性，本文取坝体稳定安全系数临界值为1.35。垃圾坝渗流分析采用geo-studio中的seep/w模块。seep/w采用基于有限元方法来分析土壤、岩石等多孔材料中的地下水渗透和超孔隙水压力消散问题。除了传统的稳态饱和流分析外，还可以分析瞬态非饱和流，并用于模拟地下水流动、含水层排水、堤坝渗流等问题。堆填现状、增容方案1和增容方案2对应的有限元分析模型分别如图4(a)、(b)、(c)所示。

图4 有限元分析模型

2.2 参数取值

基于填埋场钻孔取样测试结果，得到相应的土体参数，见表1。其中垃圾坝土质为粉质黏土，与进场道路土质相近，坝底基岩主要为全风化片麻岩(基底土)。

表1 土体抗剪强度指标参考值

垃圾坝土、垃圾土和基底土的土水特征曲线和渗透系数曲线分别如图5—6所示。其中，垃圾坝土和基底土的土水特征曲线和渗透系数曲线分别采用软件内置的粉质黏土和粉砂函数，饱和体积含水量根据钻孔取样测试结果确定，分别为0.32、0.30m3/m3，饱和渗透系数通过现场渗透试验结果确定，分别为5.0×10-9、5.0×10-8m/s，残余饱和度分别参考汪东林等[10]和谭洪波等[11]，取0.05、0.10m3/m3。垃圾土的土水特征曲线参考徐辉[12]的试验结果，饱和体积含水量为0.67m3/m3，饱和渗透系数参考詹良通等[13]，取值4×10-6m/s，残余饱和度为0.2m3/m3。

图5 土水特征曲线

根据水位测试结果，在渗流分析模块中坝前主水位高度取测试结果区间的平均值16.7m，滞水位埋深同样取测试结果区间的平均值3.6m。

图6 渗透系数曲线

3 结果及分析

3.1 垃圾坝稳定分析

对现状条件下的垃圾坝进行稳定性分析，结果如图7所示。在现状条件下，若同时考虑滞水位与主水位的作用，坝体的稳定安全系数为1.686；若仅考虑主水位，坝体的安全系数为1.697；若仅考虑滞水位，坝体的安全系数为1.931。由此可见，现状条件下垃圾坝的稳定安全系数满足规范要求，且垃圾堆体内主水位对垃圾坝的稳定性影响较大。

图7 现状水位条件下坝体稳定安全系数

不同主水位高度下垃圾坝稳定安全系数计算结果如图8所示。从图8可以看到： ①随着主水位的升高，垃圾坝的稳定安全系数逐渐下降；②现状条件下，坝前主水位高度警戒值为26.2m；③当堆体按照1∶3的坡比堆填至200m高程时，坝前主水位高度警戒值为24.5m；④当堆体按照1∶34的坡比堆填至215m高程时，坝前主水位高度警戒值为23.0m。

图8 不同主水位高度下坝体稳定安全系数

综上所述，垃圾坝的稳定性受坝前主水位高度影响较大，因此后续堆填过程中应实时监测坝前水位高度。当主水位高度达到警戒值时，应采取必要的降水措施，如在坝前打设抽排竖井等，以确保坝体的稳定性，避免发生溃坝或进场道路摧毁的事故。

3.2 垃圾坝渗流分析

对现状条件下的垃圾坝进行了渗流分析，结果如图9所示。根据分析结果显示，坝体内部浸润线距离垃圾坝顶约为15.0m，与现场勘测结果15.6～17.8m较为接近。由此可见，根据本文建立的模型和参数取值获得的垃圾坝渗流分析结果是较为可靠的。

图9 现状条件下垃圾坝渗流分析结果

对不同水位类型作用下的垃圾坝进行了渗流分析，结果如图10所示。可以看出，垃圾堆体内渗沥液主要通过两条渗流路径渗漏出坝体：①穿过坝底全风化片麻岩层渗漏，渗漏量约为6.64m3/d，这主要是由于坝底基岩全/强风化层的渗透系数较大，透水性较好，且填埋场未做库底防渗，从而导致垃圾坝底部出现渗沥液渗漏现象；②通过坝顶和路堤交界处渗漏，渗漏量约为2.38m3/d，这主要是由于进场道路以下压实土层随着底部垃圾的沉降而发生变形，从而导致其与垃圾坝交界面处的防渗性能弱化，进而引起垃圾坝顶部出现渗沥液渗漏现象，这与现场观察到的现象基本符合。此外，当仅有主水位作用时，坝底渗漏量为6.33m3/d，坝顶渗漏量为0.08m3/d；当仅有滞水位作用时，坝底渗漏量为0.47m3/d，坝顶渗漏量为2.23m3/d。由此可见，坝底渗漏主要受主水位控制，而坝顶渗漏主要受滞水位控制。

图10 不同类型水位作用下垃圾坝渗漏量

因坝底渗漏量较大，考虑在坝体内部增设垂直防渗帷幕以阻断或延长渗沥液渗流路径。因此，本文分析了防渗帷幕渗透系数对垃圾坝底渗漏量的影响，从而能够为防渗帷幕设计提供参考。根据CJJ 176—2012规定，防渗帷幕渗透系数应不小于10-7cm/s，计算过程中采用10-7、10-8、10-9cm/s 3种工况，防渗帷幕厚度根据文献设置成80cm[14]，渗滤液主水位高度根据垃圾堆填厚度等比例增大。不同堆填高度条件下考虑不同防渗帷幕渗透系数时坝底渗漏量计算结果如图11所示。在坝体设置垂直防渗帷幕后，显著延长了渗沥液在坝体的渗流路径，且墙体渗透系数越小渗流路径越长。此外，设置垂直防渗帷幕后显著增大了墙体两侧的水位差，实现了较好的阻隔效果。在现状堆填条件下(标高177m)，当防渗帷幕渗透系数从10-7cm/s降低至10-9cm/s时，坝底渗漏量从0.16m3/d减小至0.000427m3/d。采用方案1堆填条件下(标高200m)，当防渗帷幕渗透系数从10-7cm/s降低至10-9cm/s时，坝底渗漏量从0.37m3/d减小至0.000912m3/d。采用方案2堆填条件下(标高215m)，当防渗帷幕渗透系数从10-7cm/s降低至10-9cm/s时，坝底渗漏量从0.49m3/d减小至0.00113m3/d。综上可知，当垂直防渗帷幕厚度为80cm、渗透系数介于10-8～10-9cm/s时，可显著减少坝底渗漏量至接近于0。

图11 不同堆高、防渗帷幕渗透系数条件下垃圾坝底渗漏量

垃圾坝顶渗漏主要受滞水位影响，考虑在坝前垃圾堆体中设置抽排竖井和截渗墙以降低滞水位高度。因此，本文分析了滞水位埋深对垃圾坝顶渗漏量的影响，从而能够为抽排竖井和截渗墙的设计提供参考。不同堆填高度条件下考虑不同滞水位埋深时坝顶渗漏量计算结果如图12所示。在现状堆填条件下(标高177m)，当滞水位埋深为3.6、4.6、5.6、6.6m时，坝顶渗漏量分别为2.23、1.63、1.12、0.56m3/d。采用方案1堆填条件下(标高200m)，当滞水位埋深为4.1、5.1、6.1、7.1m时，坝顶渗漏量分别为2.78、2.08、1.47、0.84m3/d。采用方案2堆填条件下(标高215m)，当滞水位埋深为4.4、5.4、6.4、7.4m时，坝顶渗漏量分别为3.17、2.41、1.73、0.97m3/d。由此可见，当滞水位降低至坝顶以下时，能够显著减少坝顶渗漏量。

图12 不同堆高、滞水位埋深条件下垃圾坝体渗漏量

4 结论

(1)在现状条件下(堆填至标高177m)，同时考虑滞水位与主水位、仅考虑主水位以及仅考虑滞水位时坝体的安全系数均满足规范要求；垃圾堆体主水位对垃圾坝的稳定性影响较大。

(2)在现状(堆填至标高177m)、堆填至标高200m和堆填至标高215m条件下，坝前主水位高度警戒值分别为26.2、24.5、23.0m。在后续堆填过程中应实时监测坝前主水位高度，当水位达到警戒值时应采取必要的降水措施。

(3)垃圾堆体内渗滤液主要通过两条渗流路径渗漏出坝体：穿过坝底全风化片麻岩层渗漏；通过坝顶和路堤交界处渗漏。坝底渗漏主要受主水位控制，而坝顶渗漏主要受滞水位控制。

(4)在坝体内部设置防渗帷幕可有效控制坝底渗漏量，当防渗帷幕厚度为80cm、渗透系数为10-8～10-9cm/s时，可显著减少坝底渗漏量至接近于0。在坝前垃圾堆体中设置抽排竖井和截渗墙可将滞水位控制在坝顶以下，从而能够显著减小坝顶渗漏量。