考虑渗沥液作用的垃圾填埋体组合破坏稳定分析

栾金龙，施建勇

(河海大学教育部岩土力学与堤坝工程重点实验室，江苏南京 210098)

现代城市生活垃圾填埋场，特别是使用多层复合衬里的垃圾填埋场，填埋体失稳破坏的主要形式是由衬里剪切强度控制的平移滑动破坏［1-2］。垃圾填埋体沿底坡和背坡衬里软弱界面滑动是已得到工程界认同的平移滑动破坏形式。钱学德等［3-4］利用极限平衡理论先后建立了填埋体双楔体、三楔体平移滑动破坏分析计算方法;冯世进等［5］对这一方法进行了发展和完善，同时许多学者也相继研究了复合衬里软弱界面的强度特性［6-7］。施建勇等［8］根据垃圾填埋体边坡可能出现的组合破坏形式，即滑动面穿过垃圾填埋体内部和底部衬里界面，推导出考察组合平移滑动破坏的稳定计算公式，得出组合破坏是垃圾填埋体可能破坏形式之一的结论，但该方法并没有考虑渗沥液的影响，而垃圾填埋场中渗沥液普遍存在，且是诱发垃圾填埋体失稳破坏的最主要原因。在我国，根据GB16889—2008《生活填埋场污染控制标准》［9］规定，垃圾填埋场内渗沥液的最大水位应控制在30 cm以下。由于一些老垃圾填埋场内没有渗沥液收集和排放系统，或这些系统不能正常运行，或突发高强度降雨等因素均会造成垃圾填埋场内渗沥液水位过高，因此在分析研究垃圾填埋体的稳定性时考虑渗沥液的影响非常必要。本文在文献［8］分析方法的基础上，对垃圾填埋体在渗沥液影响下的组合平移滑动破坏进行分析。

图1 组合破坏滑动楔体受力示意图Fig.1 Sketch of forces on composite failure slip wedge

1 考虑渗沥液作用的组合破坏稳定分析方法

1.1 组合破坏楔体的受力分析及渗沥液位置

在图1中，五边形OQCDE为垃圾填埋体截面示意图［8］。α、ξ分别为填埋体前后坡面与水平面的夹角;坡顶DE的长度为BT;背坡OQ的高度为HQ，与水平面的夹角为β0，背坡以上填埋体的高度为HT;底坡QC与水平面的夹角为θ0;B点为滑动楔体ABCDE底坡滑动面的端点，处于底坡CQ上。设λ=LBQ/LCQ(L为长度，下标为线段2个端点)，过B点的水平线与CD交于G，背坡坡顶到B处的高度为HS;填埋体内部主动破坏面BF与水平面的夹角为θ，BF上受到的总凝聚力为cBF，受到的支撑力为R;滑动破坏面AB上的摩擦角为φ，与水平面的夹角为γ，AB上受到的凝聚力为cAB，受到的主动土压力为E;底坡滑动面BC上受到的总凝聚力为cBC、正压力为NP，摩擦力为f;OB与水平面的夹角为β;垃圾填埋体的凝聚力为csw，内摩擦角为φsw，密度为ρsw。不考虑渗沥液影响时滑动楔体ABCDE的重力为W，破坏楔体ABFDE的重力为W1［8］，考虑渗沥液的影响后，分别变为W+ΔW与W1+ΔW1。

图2 简化渗沥液水位及水压力示意图Fig.2 Sketch of simplified leachate water levels and water pressures

根据垃圾填埋场内渗沥液的各种分布情况，总结归纳后统一简化为如图2所示，背坡水位PK平行于背坡，底坡水位PM与水平面成θw角。事实上渗沥液的浸润线既不成直线也不平行于背坡，但上述简化水位假设偏于安全［3］。若θw=0，即渗沥液的水面平行于底部的坡度，这是垃圾填埋场正常运行时渗沥液的水位情况;如果θw=θ0，即垃圾填埋场内渗沥液的水面在底部是水平的，在背坡面是平行于背坡的，这种情况会发生于一个运行中的垃圾填埋场，前坡已经铺设了部分临时或最终覆盖，而渗沥液抽水泵发生故障或断电的情况。背坡水位线到背坡的竖直距离记为背坡水位hwb，底坡上Q点到底坡水位线的竖直距离记为底坡水位hw，考虑渗沥液水位的影响时，底坡和背坡上的渗沥液水头通常是不相同的，考虑到背坡比底坡坡度大，排水速度快，可以认为hw≥hwb，由渗沥液水头产生的孔隙水压力分别作用于BF面、背坡AB面和填埋体底部BC面，分别被记为U1、U2和UP。O处的水平线、K处PK的垂线、P处PK的垂线分别交AB于A'、K'、P'。在滑动面AB上，A'K'段受到的水压力计为U21，P'K'段受到的水压力计为U22，BP'段受到的水压力计为U23，则AB面受到总水压力U2=U21+U22+U23。

如图2所示，在底坡BC面上，因底坡渗沥液水位的存在，而使得BC面受到的水压力UP的表达式为

1.2 滑动面AB上渗沥液的作用力和滑动楔体重力的变化

考虑渗沥液作用，要获得与γ角对应的滑动面AB上渗沥液的作用力U2和滑动楔体重力W变化ΔW的表达式，需要根据由γ角和λ确定的AB面的位置进行分类，S表示滑动楔体浸没在渗沥液中的面积。

a.如图3(a)所示，当AB面在背坡渗沥液水位PK以下时:

图3 滑动破坏面与水位线的不同位置关系Fig.3 Different locational relationships between failure surface and leachate level

b.如图3(b)所示，当AB面在背坡渗沥液水位PK以上时:

该情况下若AB面都在底坡水位以下时，如图4所示:

图4 底坡水位淹没背坡破坏面Fig.4 Water level of bottom slope inundates bacKslope of failure surface

c.如图3(c)所示，当AB面穿过背坡和底坡渗沥液水位PK时:

d.如图3(d)所示，当AB面仅穿过背坡渗沥液水位PK时:

1.3 破坏面BF上渗沥液的作用力和填埋体ABFDE重力的变化

要获得与θ角对应BF面上渗沥液的作用力U1和填埋体ABFDE重力W1变化ΔW1的表达式，需要根据由θ角确定的F点的位置进行分类。

a.当F点在底坡渗沥液水位以下时:

b.当F点在底坡渗沥液水位以上时:

1.4 安全系数的计算及破坏面的确定

W、LAB、LΔAB、W1、LBF、LΔBF的计算公式参考文献［8］，根据库伦主动土压力理论，由填埋体ABFDE的受力平衡，可得背坡滑动面AB上的土压力BF面上的土压力:

式中:c、φ——与水平面成γ角的滑动面AB的凝聚力、摩擦角，当AB面处于填埋体内部时，取为垃圾填埋体的凝聚力和摩擦角。当θ角从0°到(180°-β)变动的过程中，得到E(θ)的最大值Emax即为AB面上的主动土压力E。再运用刚体极限平衡理论［10］研究滑动楔体ABCDE的受力，推得BC破坏面上的NP与f的表达式，进而可以得到安全系数:

当γ角在β到90°，以及BC在O～LCQ长度范围内变动，FS(γ)取得最小值(只在正值范围内考虑)时，对应的BC和γ即确定了安全最不利滑动面BC和AB的倾斜角，此时的FS(γ)即为填埋体安全系数FS。

2 渗沥液影响下填埋体组合破坏稳定分析计算实例

2.1 有渗沥液水位的双复合衬里案例

选用文献［11］中的假定双复合衬里案例进行有渗沥液情况(背坡和底坡的水位均与坡面平行)的稳定分析，使用相同的填埋体力学和几何特性等参数。垃圾填埋体土的饱和密度参照经验取为(ρsw)sat=1430 kg/m3。取hwb为0.30 m，底坡水位从0 m逐渐增加到15 m，使用本文算法可以得到破坏面经过各个底坡衬里界面的安全系数变化趋势，见图5(a)。结果表明，破坏面经过界面Ⅰ和界面Ⅱ的安全系数随着底坡水位的升高而减小。文献［11］双楔体法以及常规极限平衡分析软件GeoStudio中SLOPE/W模块的Janbu法(Geoslope算法)［12］计算结果对比见图5(b)。由图5(b)可以看出:对于使用衬里系统的垃圾填埋体，本文算法计算的安全系数与Geoslope软件计算的结果比较接近。在水位较低时滑动破坏发生在衬里界面，而水位较高时破坏面为穿过垃圾填埋体内部和底部衬里的组合破坏面，且是垃圾填埋场边坡最危险的情况，渗沥液对垃圾填埋体边坡组合破坏的影响应引起关注。

图5 安全系数计算值随0～15 m底坡水位的变化Fig.5 Calculated safety factors changing with leachate level of bottom slope(from 0 to 15 m)

图6 简化垃圾填埋场剖面及几种水位示意图Fig.6 Sketch of simplified profile of landfill and several water levels

2.2 某垃圾填埋场滑坡工程实例［13-14］

某垃圾填埋场位于深圳市郊的丘陵地带。自垃圾填埋场建设和生产以来，其北侧的山体斜坡区曾发生坡面裂缝扩展、延伸等滑坡演变迹象。

图6是滑坡所在区域的一个典型剖面的简化示意图，根据实际滑坡情况取λ为0。垃圾填埋体α=13.4°，β0=22.1°，θ0=-1.9°，HQ=35.00 m，HT=0，BT=0.90 m，失稳时现场底坡水位hw达到32.00 m以上。垃圾填埋体土的凝聚力取 0，摩擦角取 35.0°［13］，ρsw=1 710 kg/m3，(ρsw)sat=1910 kg/m3，根据实际情况反分析的结果［14］，衬里系统凝聚力取为 0.0 kPa，摩擦角为 20°。

按照图6所示典型剖面的简化情况，坡底水位最低为1.79 m，计算分析时，设背坡水位采用规范中的最高允许水位30 cm，且平行于背坡，分析底坡水位从2.00 m增大到32.00m坡体的稳定性，计算结果如图7所示。

对于此工程实例，运用本文算法，依照规范［15］，与安全系数1.3对应的警戒水位接近22.00 m，当底坡水位高于25.00 m时计算的安全系数开始降低到临界值1.0以下，见图7。而此案例的水位接近坡面，比25.00 m还高，显然不稳定，实际工程已经发生破坏迹象。计算结果还表明，随着底坡水位的升高，填埋体背坡滑动面通过填埋体内部的安全系数降低，在垃圾填埋场的设计中，建议使用包括本文算法在内的多种算法进行边坡稳定性检验。

3 结 论

a.破坏面背坡沿垃圾填埋体内部、底坡沿衬里界面的组合破坏是垃圾填埋体可能的破坏形式之一，渗沥液作用下组合破坏的稳定计算方法得到了完善。

b.在渗沥液水位较低时滑动破坏发生在衬里界面，而水位较高时破坏面背坡将处于填埋体内部，即破坏面为穿过垃圾填埋体内部和底部衬里的组合破坏面;实际工程稳定分析时，组合破坏也应进行稳定验算。

c.通过某固体废弃物填埋场失稳边坡计算分析，结果表明，随着底坡水位的升高，垃圾填埋体背坡滑动面通过填埋体内部的安全系数不断降低，当底坡水位升高到一定范围时，安全系数降低至失稳破坏，渗沥液水位过高是引起实际垃圾填埋场边坡失稳的主要原因之一。

图7 安全系数F S随底坡水位h w的变化趋势Fig.7 Change trend of safety factor F S with variation of water level h w of bottom slope

［1］QIAN Xuede，KOERNER R M，GRAY D H.Geotechnical aspects of landfill design and construction［M］.Upper Saddle River:Prentice Hall，2002.

［2］KOERNERR M，SOONGTY.Stability assessment of ten large landfill failuresK［C］//ZORNBERGJC，CHRISTOPHER B R.Advances in transportation and geoenvironmental systems using geosynthetics.Proceedings of Sessions of GeoDenver 2000，Denver，Colorado，United States:ASCE，2000，Geotechnical Special Publication(GSP)No.103，2000:1-38.

［3］QIAN X，KOERNER R M，GRAY D H.Translational failure analysis of landfills［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2003，129(6):506-519.

［4］QIAN X，KOERNER R M.Stability analysis when using an engineered berm to increase landfill space［J］.Journal of Gotechnical and Goenvironmental Egineering，2009，135(8):1082-1091.

［5］冯世进，陈云敏，高广运.垃圾填埋场沿底部衬垫系统破坏的稳定性分析［J］.岩土工程学报，2007，29(1):20-25.(FENG Shijin，CHEN Yunmin，GAO Guangyun.Analysis on trandlational failure of landfill along the underlying liner system［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(1):20-25.(in Chinese))

［6］徐超，聊星樾，叶观宝，等.HDPE膜界面摩擦特性的斜板仪试验研究［J］.岩土工程学报，2006，28(8):989-994.(XU Chao，LIAO Xingyue，YE Guanbao，et al.Researches on frictional properties of HDPE geomembrane using tilt table device［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(8):989-994.(in Chinese))

［7］林伟岸.复合衬垫系统剪力传递、强度特性及安全控制［D］.杭州:浙江大学，2009.

［8］施建勇，栾金龙.垃圾体内部与衬里界面组合破坏稳定分析方法研究［J］.岩土力学，2013，34(9):2576-2582.(SHI Jianyong，LUAN Jinlong.Stability analysis method for composite failure through base liner and waste filling［J］.RocKand Soil Mechanics，2013，34(9):2576-2582.(in Chinese))

［9］GB16889—2008 生活垃圾填埋污染控制标准［S］.

［10］钱家欢.土力学［M］.南京:河海大学出版社，1995.

［11］钱学德，施建勇，刘晓东.现代卫生填埋场的设计与施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［12］隋艳娥，李慧兰.鸡冠石污水处理厂南侧滑坡稳定性分析与评价［J］.煤炭技术，2010，29(3):146-148.(SUI Yane，LI Huilan.Stability analysis and evaluation of southern side landslide for Jiguanshi wastewater treatment factory［J］.Coal Technology，2010，29(3):146-148.(in Chinese))

［13］深圳市下坪固体废弃物填埋场边坡安全稳定性分析［R］.南京:河海大学土木与交通学院岩土工程研究所，2007.

［14］詹良通，管仁秋，陈云敏，等.某填埋场垃圾堆体边坡失稳过程监测与反分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(8):1697-1705.(ZHAN Liangtong，GUAN Renqiu，CHEN Yunmin，et al.Monitoring and bacKanalysis of slope failure process at landfill［J］.Chinese Journal of RocKMechanics and Engineering，2010，29(8):1697-1705.(in Chinese))

［15］CJJ176—2012 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范［S］