高密度聚乙烯(HDPE)土工膜覆盖层对垃圾填埋体中期稳定性影响分析

夏 雄，谢献锟，仇宏勇，高兆国

(1.常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164; 2. 江苏佰拓建设有限公司，江苏 常州 213164)

高密度聚乙烯(HDPE)土工膜与其他土工合成材料相比，具有较好化学稳定性、柔韧性、质量轻等优点，在垃圾填埋场施工中应用方便而且能适应不平整的堆体表面，在国内外众多垃圾填埋场工程中得到了很好地应用。中国有数十个城市在已建成的垃圾填埋场中采用HDPE土工膜施工，如泉州、深圳、杭州、北京、昆明、青岛、上海等[1]，也被国内外许多填埋场用来代替黏土作为中间覆盖层使用[2-3]。

填埋场中的垃圾土组分复杂，含有大量有机物和纤维状物质，随着填埋龄期的增长，由于垃圾体降解作用，强度特性也会随之改变[4]。ABREU等[5]研究了填埋龄期为2～25 a MSW的抗剪强度，发现随着MSW的降解，从最初的高黏聚力转变为失去黏聚力，但内摩擦角增加的特性。近年来，国内外学者针对HDPE土工膜和土颗粒物的各种界面剪切试验进行了大量研究，冯世进等[6]对土工膜与土界面进行了界面剪切试验，得到土膜界面应力应变曲线的三阶段弹塑性模型。吴维兴等[7-8]通过直剪试验研究光面及糙面HDPE土工膜和各类土颗粒物剪切特性。HOSSAIN等[9]对垃圾填埋体分层赋予不同抗剪强度参数指标，再利用GSTABL程序分析了坡度为1∶2和高度为20 m的边坡稳定性，从而提出填埋体边坡稳定性分析时应考虑填埋龄期与降解程度影响的抗剪强度值。陈雪珍等[10]通过Plaxis对边坡施工过程中产生的变形、位移进行模拟分析，验证了数值模拟对边坡安全稳定性分析的适用性及正确性。STARK等[11]和FILZ等[12]将渐进破坏概念与极限平衡理论结合，并用严格的可靠度来度量边坡的安全性，并定性分析了垃圾填埋坡的滑移破坏过程。CHEN等[13]建立了退化-固结模型来描述垃圾填埋场的稳定特性，再利用数值模拟比较高厨余含量和低厨余含量的填埋体滑移行为，能更好地评估垃圾填埋体不同龄期的稳定性。

垃圾填埋体在自然环境下，其木质纤维素将通过微生物作用进行降解，由于填埋场中木质纤维素降解的关键微生物和功能酶目前研究尚不明确，进而限制了垃圾填埋场快速稳定技术的进步。文章将结合龄期影响，通过HDPE土工膜与不同龄期垃圾土的界面剪切试验，得到土-膜抗剪强度参数，针对垃圾填埋体不同填埋层的差异性和HDPE土工膜作为中间覆盖层产生的影响，利用Plaxis有限元软件模拟分层垃圾填埋体边坡滑移过程及整体稳定性，对垃圾填埋体滑移区域和稳定性及各HDPE土工膜的影响特性进行分析。

1 HDPE土工膜和垃圾土的界面剪切试验

1.1 试验材料与设备

本次直剪试验材料来自华东地区某城市垃圾填埋场中垃圾土样，将垃圾土在室内重新塑样进行试验，考虑尺寸效应，保证试样组分的尺寸均小于仪器尺寸的1/6，垃圾土试样的物理指标见表1。

表1 垃圾土试样的物理指标

该试验选用的HDPE土工膜是来自山东省德州市某土工合成材料有限公司生产的厚度为1.5 mm，具有不同表面粗糙度的(光面、喷着式、柱点式)HDPE土工膜，密度均大于0.94 g/cm3，炭黑含量为2%～3%，如图1所示。屈服应变下的拉伸强度和拉伸刚度见表2。其中，采用的拉伸刚度是指弹性体抵抗拉伸变形的能力，文章取拉伸强度与屈服应变的比值(kN/m)，具体计算见式(1)

E=T/εy

(1)

式中：E为拉伸刚度，kN/m；T为拉伸强度，kN/m；εy为屈服应变。

(a) 光面

(b) 喷着式

(c) 柱点式

表2 HDPE土工膜在其屈服应变下的拉伸强度和拉伸刚度

图2 HDPE土工膜和垃圾土试样剪切试验示意图Fig.2 Schematic diagram of shear test for HDPE geomembrane and waste soil specimens

考虑到垃圾土的大颗粒和成分复杂性，文章进行的垃圾土和HDPE土工膜界面剪切试验采用的仪器均为大尺寸直剪仪，该仪器的上下剪切盒长×宽×高为300 mm×300 mm×150 mm，满足《土工合成材料测试规程》中剪切盒尺寸(长×宽宜大于80 mm×80 mm)的要求。进行界面剪切试验时，要确保在剪切试验过程中，土工膜不发生滑移，如图2所示。

1.2 HDPE土工膜和垃圾土界面抗剪强度参数

土工膜铺设的地表比较平整时，土膜界面产生的相对位移较小，采用土膜界面峰值强度参数来表征土-膜界面强度[14]。依据莫尔-库伦破坏准则，得到不同龄期垃圾土试样与HDPE土工膜的抗剪强度参数关系，如图3所示。从图3中可以看出，HDPE土工膜与垃圾土界面抗剪强度参数受填埋龄期影响较大，土-膜界面黏聚力随填埋龄期的增加，呈现出总体下降趋势，如图3(a)所示。而土-膜界面内摩擦角则是随填埋龄期的增加呈现出总体上升而后平稳的趋势，如图3(b)所示。从数据可知，随着填埋龄期增长：柱点式HDPE土工膜的土-膜界面黏聚力从22.8 kPa下降到6.5 kPa；喷着式HDPE土工膜的土-膜界面黏聚力从22.9 kPa下降到5.88 kPa；光面HDPE土工膜的土-膜界面黏聚力从20.14 kPa下降到4.77 kPa。而柱点式HDPE土工膜的土-膜界面内摩擦角从9.3°上升到22.17°；喷着式HDPE土工膜的土-膜界面内摩擦角从6.42°上升到13.97°；光面HDPE土工膜的土-膜界面内摩擦角从4.93°上升到9.77°。由于土工膜表面粗糙度的影响，土-膜抗剪强度由大到小为：柱点式，喷着式，光面。

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

2 分层填埋体数值模型的建立

2.1 几何模型

文章建立的垃圾填埋体以华东地区某城市平原型垃圾填埋场为例，垃圾填埋体从下到上为第1至第4填埋层；填埋层的分层处布设或不设HDPE土工膜覆盖层，该模型是下底边长为110 m、上底边长为50 m、高为20 m以及斜坡坡度为1∶3的梯形填埋体，填埋体下是深为20 m、长为300 m的地基土，符合《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176—2012)中垃圾填埋体边坡最大坡度不得大于1∶3的规定[15]。垃圾填埋体几何模型如图4(a)所示。Plaxis建模中的HDPE土工膜可用土工格栅来模拟，用“黄线”表示，HDPE土工膜的材料类型选择弹性，并利用界面来模拟HDPE土工膜与土体之间相互作用，与填埋层接触的每分层处HDPE土工膜上下面都设置一界面[16]。不设HDPE土工膜的填埋体采用黏土封层，厚度为300 mm符合规范要求。垃圾填埋体有限元网格划分如图4(b)所示。

(a) 几何模型

(b) Plaxis填埋体有限元模型

2.2 计算参数确定

基于Mohr-Coulomb准则，土-膜界面相互作用按照强度折减计算。场地的地基土、填埋层以及黏土封层的物理参数取值见表3[17]。其中，该填埋场以第1填埋层的初始填埋时间作为起始填埋龄期，计算几何模型中各填埋层黏聚力和内摩擦角，按照表1各个填埋龄期对应数值赋予每一填埋层，对于不同HDPE土工膜材料的强度数值输入，按照表2不同HDPE土工膜对应的厚度和拉伸刚度赋予每一覆盖层。在大多数情况下，垃圾土无剪胀性，剪胀角就等于0，当剪胀角为0的时候，认为是不考虑剪胀的[18-19]。

表3 土层的材料参数

(a) 填埋龄期2 a，填埋1层

3 数值模拟结果分析

3.1 龄期对分层垃圾填埋体滑移影响分析

从垃圾填埋体第1层填埋开始，填埋高度随填埋龄期增加，其滑移区域的变化如图5所示，抗剪强度参数值对应从下到上的土层。图5(a)为填埋龄期2 a，填埋1层的填埋体，其中黏聚力为23.3 kPa，内摩擦角为9.8°；图5(b)为填埋龄期5 a，填埋2层的填埋体，其中黏聚力从下到上为23.8，23.3 kPa，内摩擦角从下到上为9.8°，17.5°；图5(c)为填埋龄期8 a，填埋3层的填埋体，其中黏聚力从下到上为16.1，23.8，23.3 kPa，内摩擦角从下到上为9.8°，17.5°，26.0°。从垃圾土填埋体的滑移变形区域可以发现，不同填埋龄期，填埋体在坡面一定范围内产生应变集中，形成一定的变形集中区域，随着填埋龄期和填埋高度的增加，图5(a)～图5(c)的垃圾填埋体位移呈现集中趋势，滑移面区域不断扩展，直至形成明显的滑移特征。

3.2 HDPE膜中间覆盖层对分层垃圾填埋体滑移影响分析

根据布设或不设不同HDPE土工膜的覆盖层，用表2的HDPE拉伸刚度进行模拟分析。图6(a)～图6(d)分别为黏土覆盖层、柱点式HDPE土工膜覆盖层、喷着式HDPE土工膜覆盖层及光面HDPE土工膜覆盖层的填埋龄期11 a，4层的填埋体。从图6中垃圾填埋体滑移可以发现，填埋体的滑移面从坡顶处向坡脚发展，贯通至整个坡面。上层滑体在自重和下滑推力作用下，推动下方填埋体，填埋体坡体整体呈现向下推移的滑移特征。

通过对比图6(b)～图6(d)与图6(a)的布设或不设HDPE土工膜覆盖层填埋体可以看出，黏土覆盖的填埋体，临界滑动面可能穿透黏土覆盖层，填埋体的滑移面从坡顶处向坡脚发展，贯通至整个坡面。而HDPE膜覆盖后，临界滑动面受干扰，沿膜体界面有一定滑移，使得临界滑动面在填埋体不同分层中发展，整体表现为潜在滑移面区域的扩展深度影响有所减小，深度影响由坡顶到滑动面底的19.05 m(黏土)减小到18.11 m(柱点式、喷着式)和18.07 m(光面)。同时，潜在滑移面区域的扩展范围影响有所增大，范围影响由23.51 m(黏土)增大到29.03 m(柱点式)、30.97 m(喷着式)和33.64 m(光面)。布设HDPE土工膜的填埋体能延缓上层滑移面的贯通，并阻断下方填埋体滑裂带的形成。所以HDPE土工膜作为垃圾填埋体中间覆盖层，每种HDPE土工膜与垃圾土之间复杂的界面剪切均能减小潜在滑移面区域深度的扩展。

(a) 黏土覆盖层

(b) 柱点式HDPE土工膜覆盖层

(c) 喷着式HDPE土工膜覆盖层

(d) 光面HDPE土工膜覆盖层

3.3 填埋体安全系数改变

考虑填埋龄期对边坡稳定安全系数的变化影响，得到填埋龄期与安全系数的关系，如图7所示。参照《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176—2012)的相关规定，抗滑稳定安全系数取1.25～1.35[15]。布设和不设HDPE土工膜覆盖层的垃圾填埋体边坡的安全系数有相同的变化趋势，都随填埋体填埋龄期的增加而减少，说明填埋龄期和高度对垃圾填埋体边坡稳定性影响较大。

图7 垃圾填埋体抗滑稳定安全系数随填埋龄期变化曲线Fig.7 Variation curve of slip stability safety factor of landfill body with age of landfill

从图7中进一步发现，布设HDPE土工膜覆盖层的垃圾填埋体在刚填埋到堆起4层11 a左右的这个过程中，其安全系数比不设土工膜的填埋体大很多，从数值来看随着填埋龄期和填埋高度的增加：柱点式HDPE土工膜覆盖层的垃圾土稳定安全系数从5.520到3.349；喷着式HDPE土工膜覆盖层的垃圾土稳定安全系数从5.516到3.242；光面HDPE土工膜覆盖层的垃圾土稳定安全系数从5.506到3.023。可以看出，采用HDPE土工膜对垃圾填埋体分层，不仅可作为中间覆盖层，而且能增强填埋过程中垃圾填埋体的整体稳定性。

4 结 论

① 通过土-膜试验，发现在不同填埋龄期的垃圾土中，土-膜界面黏聚力具有总体下降的趋势，界面内摩擦角具有总体上升的趋势。由于土工膜粗糙度差异，柱点式HDPE土工膜有更高的界面抗剪强度。② 垃圾填埋体的位移规律：从填埋第1层开始，每一填埋龄期的填埋体坡体都先从靠近坡顶一定深度处发生应变集中，滑移面区域不断扩大，不断向外扩展，直至形成明显的滑移特征。③ 对比不设土工膜的填埋体，布设HDPE土工膜的填埋体能延缓上层滑移面的贯通，并阻断下方填埋体滑裂带的形成，有效缩小填埋体滑移破坏区深度。④ 随着填埋龄期的增加，布设HDPE土工膜显著增强了填埋中期垃圾填埋体的整体稳定性，远高于规范安全系数数值。