山谷型生活垃圾卫生填埋场封场后堆体稳定性研究

王凤侠，兰 天，戴世金，杜玉凤，宋迎春，张焕伟

（1. 深圳市宝安区市容环境综合管理服务中心, 广东 深圳 518101；2. 清华大学 环境学院，北京100084）

1 引言

随着我国经济快速增长和人民生活水平的逐步提高，产生了大量的生活垃圾，目前我国城市生活垃圾的产生量仍然以8%～15% 的速率不断增加［1］。多年来我国卫生填埋占清运量的比例较高，2020 年填埋生活垃圾量为7.77×107t，占清运总量的33.05%［2］。然而，填埋处置可能会产生堆体稳定性的问题，进而导致渗滤液泄漏、填埋气体散逃以及堆体坍塌等一系列污染和安全事件［3］。近30 年来，国内外已发生了多起大型垃圾填埋场失稳破坏事故，严重污染周边环境，甚至造成了大规模的人员财产损失［1］。因此，关注堆体稳定性的问题对保障填埋场安全运行具有重要意义。

1965 年，Newmark［4］最先提出用坝体永久变形作为分析坝体动力稳定控制参数。1992 年，Mitchell 等［5］以美国加州Kettleman 山的垃圾填埋场为研究对象，首次开展了土工稳定性分析，并针对性地提出了填埋场设计施工指导建议。20 世纪90 年代起，我国学者逐渐开始进入相关研究领域。1994 年，赵由才等［6］在我国最早开展了垃圾填埋场稳定性的研究，并提出了填埋场稳定化的具体措施。陈云敏等［7］最先进行了填埋场堆体稳定性的系统研究，并在2000 年前后，结合卫生填埋场工程，计算分析了填埋场边坡稳定性，讨论了填埋场中渗滤液的饱和度、边坡角度和浸润线埋深对填埋场边坡稳定性的影响。垃圾填埋堆体稳定性的影响因素包括废物组成、压实程度、填埋方式和填埋年限，同时还包括堆体工程力学特性、坡高、坡角以及孔隙水应力等物理特性［8］。詹良通等［9］研究监测了垃圾填埋场堆体边坡失稳过程，发现边坡渗滤液水位高是导致堆体失稳的重要因素，通过抽排竖井降低水位可以达到直接有效的抢险效果。朱文明等［10］对老港综合填埋场生活垃圾填埋堆体稳定性进行了评估。发现主水位上升显著降低堆体沿地基的稳定及内部稳定，滞水位埋深上升会引起垃圾堆体浅层和后续填高堆体滑动。陈赟［11］利用三维建模计算分析，对堆体稳定性进行了评估，并提出了警戒水位及治理建议。目前国内外对垃圾堆体稳定性的相关研究主要侧重于复合衬垫系统软弱界面强度特性的测试、填埋垃圾抗剪强度特性的测试和垃圾堆体的静动力稳定性分析［12］。关于山谷型填埋场堆体稳定性缺乏长期连续监测以及综合评估方面的研究。

本研究以我国南方某已封场的垃圾填埋场为研究对象，围绕可能存在的堆体水位高导致失稳滑坡的安全问题，监测封场覆盖膜上土体水分饱和情况、表面位移、垃圾坝深层水平位移，结合覆土和堆体稳定性分析，综合评价卫生填埋场封场后的稳定性。本研究的特色在于通过连续3 a 跟踪检测从土体含水率、水平位移变化以及安全系数方面综合评价填埋场的堆体稳定性，同时针对性地提出提高填埋场稳定性的措施建议，可为已封场垃圾填埋场的安全性评价体系的建立提供理论依据。

2 监测与分析方法

2.1 监测对象

本研究选取南方某山谷型卫生填埋场为监测对象，填埋场所属区域为亚热带海洋性气候，全年气温高，湿度大，雨量充沛，但年际变化较大。4 月至9 月为雨季，10 月至次年3 月为旱季，多年平均降雨量为1 667.0 mm，年平均降水天数为144.7 d。该填埋场设计总库容约8.70×106m3，总填埋量约9.26×106t，于2016 年完成封场，封场面积为2.64×105m2，由相对独立的两个单元构成，如图1（a）所示。填埋库区南北最大长度近1 500 m，东西宽度500～1 000 m；库区西南侧地势高，东北侧地势低，一单元和二单元堆体整体最大高差超过60 m。库区两个单元西侧建有1#垃圾坝和2#垃圾坝，库区北侧建有3#垃圾坝、4#垃圾坝和5#垃圾坝。填埋场封场覆盖结构层由下往上依次为厚度6.3 mm 土工复合排水网、黏土层、1.0 mm 厚LLDPE 膜、厚度9.5 mm 土工排水网、压实黏土层和植被层。该场坡顶黏土层实际最小厚度约0.8 m，部分区域因工程需要，最大填土厚度约3.0 m，整体封场坡度为1∶5～1∶3。

图1 已封场填埋场监测点平面分布和剖面分布Figure 1 Horizontal distribution and profile distribution of the monitoring points for closed landfill

2.2 封场覆盖膜上土体饱和情况

封场覆盖膜上土体含水量和土体饱和状况直接关系膜上土体的安全和稳定。为掌握已封场填埋场膜上覆土的稳定情况，在土体内不同深度埋设时域反射仪（TDR 探头）［13］，连续监测和掌握土体的饱和状况。如图1（a）所示，在已封场填埋场一单元、二单元堆体内各设置两个剖面，每个剖面根据覆土实际深度埋设TDR 探头，挖孔11 个共埋设TDR18只，每只埋设深度分别为0.3、0.8、1.5 m，不同TDR 探头的埋设位置和深度如图1（b）所示，监测频率为每月1 次。

2.3 填埋场表面位移监测

为进一步实时掌握堆体稳定性情况，在填埋场堆体表面和1#～5#垃圾坝之上设置表面位移监测点，共设置135 个表面水平位移监测点，如图1（a）所示，开展堆体和坝体表面水平位移和沉降监测。利用徕卡TCR402 全站型电子测速仪（全站仪）监测表面水平位移，掌握填埋堆体的位移和沉降情况，监测频率为每月1 次。

2.4 垃圾坝深层水平位移监测

垃圾坝体的安全对于填埋堆体来说至关重要。在1#垃圾坝和2#垃圾坝前各设置1 口深层水平位移监测井，井深分别为15 m 和25 m，安装测斜管，兼做水位和深层水平位移监测。利用堆体内的气井等设施，监测堆体水位，为堆体稳定评估提供依据，监测频率为每月1 次。

2.5 封场覆盖膜上土体稳定性评估

由于该场封场覆土实际最小厚度约0.8 m，最大厚度3.0 m，较封场规范要求（0.75 m），部分区域存在“超填”情况，因此需要进行封场覆土后的覆土稳定评估。参照CJJ 176—2012 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范［14］和相关工程经验，主要评估覆盖膜填土自身稳定。为了计算覆土稳定性，必须知道覆盖系统所有的组成部分界面的剪切特征和所有土层的内部剪切参数。表1 是垃圾填埋场土工参数设置情况。此处结合表面水位管和TDR 监测数据，选用土工膜上无渗流水流工况进行分析。

表1 垃圾填埋场土工参数Table 1 Landfill geotechnical parameters

图1（b）是填埋场最终覆盖的一个截面示意，包括压实土层、土工膜，对于在土工膜上没有孔隙水压力的条件，可列出沿坡脚β方向力的综合方程，抵抗破坏的安全系数为［3,15］：

式中：N为垂直作用面的力；W为滑坡体的自重；β为坡角；δ为多层覆盖系统中最小界面摩擦角。

以上分析中，需考虑的最重要参数是坡角和与斜坡平行的潜在破坏面的抗剪强度［16］。

3 结果与讨论

3.1 封场覆盖膜上土体体积含水量的变化

该封场填埋场（一单元、二单元）剖面的TDR监测数据如图2 所示。由图2 可以看出，填埋场封场后第1 年一单元体积含水量为0.20～0.35 g/cm3，二单元体积含水量为0.15～0.35 g/cm3；第2 年一单元体积含水量为0.10～0.45 g/cm3，二单元体积含水量为0.10～0.45 g/cm3。含水量随深度增加而增加。由于覆土层底部和填埋的堆体之间有防渗层，导致降水下渗的水分大量在覆土层底部聚集。越靠近表层，受蒸发作用的影响越显著，含水量越低。封场第1 年后，表面覆土体积含水量总体呈下降趋势，体积含水量降低幅度为0.05～0.10 g/cm3。

图2 填埋场封场覆土3 a 内体积含水量与降水量Figure 2 Volumetric water content and precipitation within three years after the landfill closure and covered with soil

封场第2 年和第3 年内，两个剖面体积含水量呈波动趋势，体积含水量在0.15～0.45 g/cm3变动。监测数据表明，覆盖土含水量变化主要体现在雨季上升，旱季下降。根据当地降雨量数据，2018 年4 月出现了强降雨，由此两个剖面的覆土含水量都出现了短时上升的现象。由此可见，气象条件是导致不同监测时间体积含水量波动较大的主要原因，降水会影响到土体中水分的蓄积量和下渗量，从而影响到水分的蒸发。填埋场在封场初期，需要在降雨期间加强巡查，及时疏导雨水，防止其灌入堆体内部。

封场第3 年后，表面含水量仍然变化较大。封场后表面覆土虽经过了压实处理，但仍然未达到稳定的状态，透水和蓄水性能较强。随着封场时间的推移，覆土的土地结构趋于稳定，蓄水性能下降，导致体积含水量的下降。一期二单元剖面表面覆土体积含水量在封场后3 a 的监测数据总体上波动不大，但是有个别监测点观测到了波动较大的情况。

3.2 表面水平位移

堆体表面水平位移监测数据如图3 所示。堆体表面水平位移整体呈现雨季上升、旱季下降的规律。根据CJJ 176—2012［14］的要求，以10 mm/d作为日均滑移速率警戒线。填埋场在封场第1 年超过10 mm/d 警戒标准，主要是因为2016 年受台风“妮妲”“莫兰蒂”“海马”的相继影响，年中5月至6 月期间超限较大，其中2016 年6 月14 日监测到的位移数据超限比较严重，上述超限点位的日均位移为10.69～21.65 mm/d。监测点位W135在2016 年7 月5 日监测时，位移达到了10.39 mm/d。监测点位W105、W106 和W107 在2016 年12 月20 日监测时，位移达到了10.27～11.61 mm/d。年中5 月至6 月日均位移超限范围面积3 600 m2，年底11 月至12 月期间日均位移超限范围面积1 000 m2。通过分析超限监测点分布表明，图3 中所示点位位移情况除W104 和W109（两个对照点位）未出现位移超限外，其余17 个点位均出现了不同程度的超限情况，超限面积主要集中在一期二单元垃圾坝附近。造成超限的原因包括以下两个方面：①填埋场地处南方某城市，降水比较集中。雨季到来，降水量激增，部分雨水渗入堆体内部渗流至海拔较低的底部，造成该处水位雍高严重，堆体稳定性差，出现滑移现象，带动表面位移大面积超限；②该处堆体坡度较大，虽底部有垃圾坝进行支撑，受工程建设和逐层填埋影响，仍属于易滑动区域。封场后第2 年、第3 年监测期间日均位移无超限现象，堆体持续保持稳定。但监测数据表明，表面水平位移也受现场填埋作业影响较大，如2017 年3 月29 日由于现场作业，车辆出入较多，也会造成表面位移增大。因此，为了更好地控制表面位移滑动，需要继续严格控制进场标准，加强巡逻，减少施工扰动。

图3 超限点位位移情况Figure 3 The displacement of the overrun point

3.3 深层侧向水平位移

图4～图6 为封场3 a 内1#垃圾坝和2#垃圾坝深层侧向水平位移速率。深层侧向水平位移监测数据表明填埋场封场后的3 a 监测期间，一单元1#垃圾坝深层侧向水平位移速率均在2.0 mm/d 安全范围内，累计位移出现小幅度往复摆动。第2年累计位移52 mm。填埋场封场后的3 a 监测期间，二单元2#垃圾坝深层侧向水平位移速率控制在1.0 mm/d 范围内。1#垃圾坝不同深度的波动范围为0.43～16.48 mm，其中-1 m 的监测点位移幅度最大，总体上随着填埋深度增加，水平位移逐渐减小。填埋区在垃圾的作用下发生整体沉降，四周的垃圾坝也在自重力作用下发生沉降。加载的时间、大小和技术不同导致垃圾坝体产生明显的不均匀沉降。最终导致不同坝体和深度水平位移速率和位移幅度都存在差异［17］。2#垃圾坝不同深度的波动范围为0.02～24.05 mm，其中-3 m 的监测点位移幅度最大。2#垃圾坝位移变化规律和1#垃圾坝不同，表层和底层位移幅度较大，中间位移幅度较小。总体上看，两个坝体出现极小幅度的摆动，但摆动幅度仍处于安全范围内，需要继续监测。

图4 封场3 a 内1#垃圾坝深层侧向水平位移速率Figure 4 Lateral horizontal displacement rate of deep layer of garbage dam 1#within three years after closure

图5 封场3 a 内2#垃圾坝深层侧向水平位移速率Figure 5 Lateral horizontal displacement rate of deep layer of garbage dam 2#within three years after closure

图6 封场3 a 内1#垃圾坝和2#垃圾坝深层侧向水平总位移Figure 6 Lateral horizontal displacement of deep layer of garbage dam 1#and 2#within three years after closure

3.4 覆土稳定性评估

表2 是填埋场封场后，不同含水条件下的覆土稳定性安全系数。在覆盖膜上无渗透水流条件下，一单元封场覆土参数取值：坡角β为14°，粉质黏土和土工布界面摩擦角取29°，压实黏土层摩擦角δ为28°。故一单元稳定安全系数Fs=tanδ/tanβ=2.13>1.5，由此判断一单元封场覆土目前是安全稳定的［18］。假设膜上覆土完全饱和（表土的饱和重度γ表土=18 kN/m3，水的重度γW=10 kN/m3），则稳定安全系数计算如下：

表2 不同含水条件下堆体的稳定参数Table 2 The stability parameters of dump under different water content conditions

Fs=（γ表土-γW）×tanδ/（γ表土×sinβ）= （18-10）×tan28/（18×sin14）=0.94<1.5

计算结果表明，当膜上覆土完全饱和时，稳定安全系数是小于1.5 的，对最终覆盖的稳定性来说，这是最危险的条件，所以必须严格控制封场覆土内水位，及时导排［14］。根据水位管和TDR 实际监测数据，排水层内水头约2～3 cm，此处取3 cm，表土层厚0.2 m、饱和重度16.5 kN/m3，土质保护层厚0.7 m、湿重度17.3 kN/m3、饱和重度18.0 kN/m3，土工复合材料（土工织物+土工网+土工织物）排水厚度0.60 cm，坡角β=14°，压实黏土层摩擦角δ=28°，计算最终的稳定安全系数为2.09，大于1.5。

二单元封场覆土参数取值同上，土工膜上无渗透水流条件下，二单元封场覆土参数取值坡角β为13°，粉质黏土和土工布界面摩擦角取29°，压实黏土层摩擦角φ为28°，所以δ=28°。安全系数Fs=tanδ/tanβ=2.30>1.5，所以二单元封场覆土目前是安全的［10］。若土工膜上覆土完全饱和，对最终覆盖的稳定性来说，这是最危险的条件。参数取值如上，稳定安全系数计算如下：

Fs=（γ表土-γW）×tanδ/（γ表土×sinβ）=（18-10）×tan28/（18×sin13）=1.02<1.5

计算结果表明，当膜上覆土完全饱和时，稳定安全系数是小于1.5 的，所以必须严格控制封场覆土内水位，及时导排［19］。

4 结论与建议

4.1 结论

1）填埋场封场后，覆土的体积含水量总体上呈下降趋势。一期和二期填埋场表面含水量的变化范围分别是0.15～0.35 g/cm3和0.10～0.45 g/cm3，并且覆土底部的含水量高于上层，覆土含水量受降水影响较大。

2）堆体表面水平位移整体呈现雨季上升、旱季下降的规律，应加强监测，着重关注超限区域。1#和2#垃圾坝深层侧向水平位移速率分别在2.0 mm/d 和1.0 mm/d 范围内，出现极小幅度的往复摆动情况。

3）填埋场封场后，如果表面覆土处于完全饱和状态，封场覆土自身稳定安全系数分别为0.94和1.02，低于安全标准，应避免覆土进入完全饱和状态。

4.2 建议

封场第1 年监测期间，一单元封场覆土自身稳定安全系数是2.09，二单元封场覆土自身稳定安全系数2.26，大于规范标准1.5，表明封场覆土目前是安全的。与上一年度相比，第2、3 年度监测期间安全稳定系数保持平稳。但当表面覆土处于完全饱和状态时，安全系数均小于1.5。为了增强表面覆土的稳定性，在封场填埋场的后续管理中提出如下几点建议：

1）封场填埋场表面覆土含水率与降雨量密切相关，应尽快控制和减少降雨入渗，避免膜上覆土进入饱和状态。加强雨污分流和巡查修补，减少因雨水冲刷而产生的拉伸和位移，以保持堆体安全稳定。严格控制进场标准，加强巡逻，减少施工扰动。

2）持续进行封场填埋场稳定安全监测，建立预警机制。封场填埋场由于覆土较多，初期堆体表面位移较大，需要持续进行表面位移监测。在垃圾坝等风险区域，增设位移监测点。

3）在水位较高区域、作业面附近等区域，必要时需要采取应急降水措施。应急降水主要采用小口径井，目的是短时间内快速降低局部区域的滞水位，提高局部稳定性，控制和减少位移速率。