渗沥液与载荷作用下陈旧型垃圾填埋场坝体稳定性

杨 逾，何胤实,，陈 锋，惠心敏喃，万 勇,3，刘 磊,3

（1.辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，中国科学院武汉岩土力学研究所-香港理工大学固体废弃物科学联合实验室，湖北 武汉 430071；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，污染泥土科学与工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071）

0 引言

垃圾土石坝稳定性取决于垃圾填埋高度和垃圾填埋压实度，垃圾土石坝的边坡出现滑移、失稳、坍塌将会给工程带来巨大的损失.为保证垃圾填埋场安全，研究渗沥液作用下垃圾填埋场坝体岩土工程演化规律与稳定性有一定实用意义.

失稳主要存在以下方式：滑坡与崩塌.滑坡本质是剪切破坏，崩塌本质是拉断破坏，而山谷型填埋场主要填埋场以滑坡为主[1-2].一般引起滑坡的原因是渗沥液上升与空隙压增大[3-4].钱学德[5]等针对近几年世界上较大的填埋场滑坡案例进行分析，其中大部分均为滑坡破坏，且均与渗沥液和垃圾土参数有关.影响垃圾填埋场稳定性的因素有很多，例如填埋场几何特征、填土与垃圾土自身的物理性质、渗沥液高度、衬里的性质等.陈云敏[6]等、张振营[7]等对杭州天子岭垃圾填埋场多次进行室内试验，探究其稳定性规律.刘荣[8]等对垃圾土中有机质对土物理性质的影响进行研究.高峻峰[9]等采用4种渗沥液处理工艺对武汉陈家冲填埋场进行稳定性分析，研究表明有机质低的渗沥液可以让坝体更稳定.袁深根[10]等运用极限平衡方程对垃圾坝内衬里进行稳定性分析，结果表明垃圾土的黏聚力和内摩擦角对稳定性有线性影响，随垃圾场底部衬里界面黏聚力和内摩擦角增加，安全系数Fs增加，并与黏聚力近似成线性关系.席永慧[11]等采用FLAC3D软件对老港填埋场进行稳定性分析，得出垃圾坝和地基的接触面是导致坝体唯一不正常不稳定的重要因素.

边坡稳定安全系数与实际边坡稳定也存在必然联系，可靠度和敏感性是其中关键.LUMB P[12]进行了土的强度指标概率分布研究，指出几乎大多数土体参数都可以用正态分布拟合.CHOWDHURY R N[13]等采用一次二阶矩法结合极限平衡法的Morgenstern-Price法和Sarma法对边坡进行可靠度分析，通过算例进行简单敏感性分析.MALKAWI A[14]等采用一次二阶矩法和蒙特卡洛法结合极限平衡法Bishop法、Janbu法和Spencer法对简单边坡模型进行敏感性分析，并对3种方法精度进行对比和讨论.

针对某陈旧型垃圾填埋场安全评估问题，对该垃圾填埋场进行现场取样和室内试验，获取相关参数，运用Geostudio软件中Morgenstern-Price法对某垃圾填埋场坝体稳定性进行评价，对水位线、各土层力学参数进行敏感性分析，探讨各个参数对边坡的安全稳定系数的影响.

1 材料与方法

1.1 填埋场工程概况

某垃圾填埋场位于广东省，主要用于处理当地区的生活垃圾，占地面积约1.3×105m2，属山谷型简易生活垃圾填埋场，至今填埋场内已消纳生活垃圾总量约2.1×105m3.2019年雨季后，该垃圾填埋场坝顶出现裂隙，坝底有渗沥液溢出，存在安全风险.依照参考规范《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》（CJJ 176-2012），需要对坝体进行安全评估.填埋场鸟瞰图见图1.

图1 填埋场鸟瞰图 Fig.1 aerial view of landfill

1.2 岩土工程参数获取方法

严格依照参考规范《碾压式土石坝设计规范》（GB50021-2001）进行对垃圾坝体的勘察.此次勘察选用钻探、原位测试、室内试验等方法，钻探用于直观揭露地层分布和釆取岩、土、水和垃圾试样；原位测试采用标贯试验、现场载荷试验方法，通过原位测试和室内试验的优势互补，客观真实地提供各岩土层的物理力学指标及设计参数.钻孔布点见图2.

图2 垃圾填埋场安全勘察布点 Fig.2 site layout for landfill safety survey

根据钻孔结果与实验结果分析可以得出坝体各土层的力学参数.库区坝体地层在钻探深度内自上而下可分为5层结构：素土层（覆盖层）约0.8～6.5 m、垃圾土层约0.5～15 m、污染土层（含细粒土砂层）约1.1～4.7 m、强风化花岗岩层及花岗岩基岩地层约3～14.1 m.地层信息见图3.

图3 岩土层分布 Fig.3 distribution of rock and soil layers

垃圾坝体建设不规范，因此研究过程中视坝体和堆体为边坡，取最大高度的典型危险剖面进行研究.边坡相对底部最高处约41 m，分3个平台，第一平台在高6.8 m处，第二平台在14 m处，第三平台在26 m处.坡度分别为1∶1.7、1∶1.4、1∶1.5.垃圾坝与垃圾堆体渗沥液水位雍高，一级台阶水位6.0～6.5 m（到基岩），二级台阶水位4.0～4.5 m（到基岩），三级台阶水位5.0～5.5 m（到基岩）.

1.3 垃圾坝稳定性分析方法

垃圾填场边坡研究采用Geostudio软件中SLOPE模块、SEEP模块和SIGMA模块进行相关应力场耦合的建模和分析.运用SLOPE模块对陈旧垃圾填埋场黏土土石坝进行稳定性分析，考虑水位变化对边坡稳定影响并作分析.目前常用的边坡分析方法基本有：极限分析法、数值分析法、全局分析法，以及极限平衡法.文献[15]～文献[21]，分别用4种方式对坝体边坡进行了典型的稳定性安全分析.本文运用Geostudio软件SLOPE/W模块中Morgenstern-Price极限分析法进行相关分析.其中Spencer和Morgenstern-Price法对比于普通条分法和Fellenius发、Bishop法、简化Janbu法的优点在于能满足力平衡安全系数和力矩平衡安全系数达到一致的条件，更能准确分析坝体及其堆体滑坡的可能性.虽然不能真实描述条块间的法向量力与剪切力，但最后得出的安全系数较适合现实工程.

由力的平衡方程求安全系数为

由力矩的平衡方程求安全系数为

式（1）~式（2）中，c'为有效黏聚力，kPa；φ′为有效摩擦角，°；μ为空隙水压力，kN；N为条间土条底部的法向力，kN；W为土条自重，kN；D为集中点载荷，kN；β，x，f，R，d，ω为几何参数，m；α为土条底部倾角，°.

2 土坝稳定性

2.1 试验结果

实验测得垃圾坝碾压后的容重、含水体积分数、渗透系数、压缩模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等物理力学参数，取标准值并与相关工程经验数值结合，获得各层土质的力学参数，见表1.

表1 土层力学参数 Tab.1 mechanical parameters of soil

2.2 计算工况

工况1当前状态下，不考虑地震载荷影响.采用当前的水位、土层条件，忽略水动力对边坡影响.不考虑地震载荷作用下的潜在滑移面.

工况2饱和状态下，考虑静水压力，不考虑地震载荷影响；降雨状态下，土层饱和导致土层力学参数发生改变；忽略水动力对边坡影响，不考虑地震载荷作用下的潜在滑移面.

工况3当前状态下，考虑动水压力，不考虑地震载荷影响.采用当前的水位、土层条件，考虑水动力对边坡作用而得到的潜在滑移面且不考虑地震作用.

工况4饱和状态下，考虑动水压力不考虑地震载荷影响；降雨状态下，土层饱和导致土层参数发生改变时，考虑水动力对边坡作用而得到的潜在滑移面且不考虑地震作用.

工况5在地震载荷作用下，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016年版）及《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000），确定场地位于抗震设防烈度7度区，设计地震分组为1组，设计基本地震加速度值为0.98 m/s2，地震作用的效应折减系数取0.25，集中在质点的重力作用标准值取1.0，质点i的动态分布系数取1.0，水平地震系数取0.35，竖向地震系数取0.08.

各工况安全系数标准见表2.

表2 填埋场坝体工况安全系数标准 Tab.2 safety factor standard for landfill dam

静水压力运用Geostudio软件的SLOPE模块进行坝体稳定性分析.动水压力运用Geostudio软件的SEEP模块、SIGMA模块和SLOPE模块进行渗流与应力场的耦合分析.SEEP模块中垃圾层环境参数参照文献[22]～文献[26].

2.3 计算结果

经过Geostudio软件模拟得出结果，当前状态下，考虑静水压力后边坡最小安全系数为1.04，考虑动水压力后边坡最小安全系数为0.89；饱和状态下，边坡最小安全系数为0.93，考虑动水压力后边坡最小安全系数为0.79；地震时，坝体的稳定安全系数为0.57，安全系数见表3，这5种工况皆小于国家安全标准.安全系数大于1.00时为稳定状态，安全系数为1.00～1.25时为欠稳定状态，破坏概率约为4%（通过蒙特卡洛模拟计算得出），安全系数小于1.00时，属于不稳定状态，破坏概率增加.模拟结果见图4. 图4中边坡高约68 m，长约160 m（后文模拟模型中边坡高度、长度均为此）.

图4 不同工况下坝体潜在滑移面 Fig.4 potential sliding surface of dam under different conditions

表3 坝体稳定性结论 Tab.3 conclusion of dam stability

图4中，颜色深浅表示安全系数的大小，颜色越呈现暖色数值越小，颜色越呈现冷色数值越大.由模拟结果可以看出此项工程垃圾填埋场坝体安全系数小于国家安全标准，故此圾填埋场坝体存在溃坝风险，属于不稳定坝体.

3 敏感性分析

为了探究垃圾填埋场坝体的安全系数对水位与坝体土质的敏感程度，分别对水位、土的摩擦角、土的黏聚力进行敏感性分析.

3.1 水位敏感性分析

仅考虑静水压力条件，运用Geostudio软件中SLOPE/W模块，对坝体中水位的升高与下降工况进行了安全系数的敏感性分析，计算结果见表4.模拟结果见图5.

图5 静水压力下不同水位潜在滑移面 Fig.5 potential slip surface at different water levels under hydrostatic pressure

表4 静水压力的作用下水位参数敏感度安全系数 Tab.4 safety coefficient for sensitivity of water level parameters under hydrostatic pressure

考虑渗流场和应力场耦合条件，运用Geostudio软件中SLOPE/W模块、SIGMA/W模块、SEEP/W模块模拟在渗流场与应力场的耦合条件下水位对安全系数的敏感程度.得出安全系数见表5，模拟结果见图6.

图6 动水压力作用下不同水位潜在滑移面 Fig.6 potential slip surface of different water levels under hydrodynamic pressure

表5 耦合作用下水位参数敏感度安全系数 Tab.5 safety factor table of water level parameter sensitivity for coupling cooperation

静水压力与动水压力对安全系数的影响，见图7.由图7可见，静水压力条件下水位对于坝体安全系数的敏感程度低于考虑动水压力条件下水位对于坝体安全系数的敏感程度.水位升高导致坝体下游危险滑移面安全系数显著降低.水位下降后，最危险的滑移面向上偏移，但整体滑移面（从第1台阶到第4台阶）依然存在风险；水位上升0.5 m后，安全系数降至0.61，属于危险状态.

图7 静水压力与动水压力对安全系数影响 Fig.7 effect of hydrostatic pressure and hydrodynamic pressure on safety factor

3.2 摩擦角与黏聚力敏感性分析

由于垃圾填埋场的渗沥液具有流动性，可能导致土壤被污染，被污染后的土体可导致摩擦角下降，黏聚力增加.为此，本节在实际工况的基础上，主要对覆盖层和垃圾土进行了内摩擦角和黏聚力变化的分析.具体参数见表6、表7.

表6 当前状态下垃圾土参数敏感度安全系数 Tab.6 safety factor of litter parameter sensitivity in current state

表7 当前状态下覆盖层参数敏感度安全系数 Tab.7 security factor for overburden parameter sensitivity in current state

垃圾土参数对安全系数影响见图8.由图8可见，垃圾土随着内摩擦角和黏聚力的增大，安全系数增加.当垃圾土的黏聚力大于11 kPa后或者内摩擦角大于26°后，安全系数不再变化，保持为1.11.潜在滑移面模拟结果见图9、图10.

图8 垃圾土参数对安全系数影响 Fig.8 effect of MSW parameters on safety factor

图9 垃圾土黏聚力为13 kPa的潜在滑移面 Fig.9 potential slip surface of waste soil with cohesion of 13 kPa

图10 垃圾土内摩擦角为30°的潜在滑移面 Fig.10 potential slip surface with internal friction angle of 30°

覆盖层参数对安全系数影响见图11.由图11可见，在当前状态下，各个土体材料的黏聚力和内摩擦角变化对安全系数影响显著，最保守条件下的安全系数分别为1.14和1.13，均低于国标要求，坝体仍处于危险状态. 潜在滑移面模拟结果见图12、图13.

图11 覆盖层参数对安全系数影响 Fig.11 impact of overlay parameters on safety factor

图12 覆盖层黏聚力为7 kPa的潜在滑移面 Fig.12 potential slip surface with cohesive force of 7 kPa

图13 覆盖层内摩擦角为24°的潜在滑移面 Fig.13 potential slip surface with internal friction angle of 24°

4 结论

（1）采集某陈旧垃圾填埋场岩土工程参数，针对5种工况，利用Geostudio软件分析垃圾坝稳定性.结果表明坝体均处于不稳定状态，存在严重安全隐患.

（2）分析了水位、土的摩擦角、土的黏聚力等参数对坝体稳定性的敏感度，结果表明渗沥液水位对于边坡稳定影响程度最大，其次是土的摩擦角与黏聚力.因此，在治理垃圾填埋场边坡时可以优先考虑治理渗沥液水位.