干污泥高维填埋的堆体边坡稳定性模拟与分析

米 琼,戴世金*,张瑞娜,邓 悦,徐 勤,赵由才,2 (.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092；2.污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；.上海市环境工程设计科学研究院有限公司,上海 20022；.上海老港废弃物处置有限公司,上海 2002)

目前,污泥填埋因其投资少、容量大、见效快等优点,依然是中国较为成熟的污泥处置技术[1-4].填埋场接收的污泥为压滤后含水率低于60%的干污泥,其抗压强度等能满足污泥填埋要求[5].据估计我国 65%左右的干污泥进入填埋场,以单独填埋或混合生活垃圾填埋的方式进行处置[6].

由于生活垃圾成分复杂,大小不一,经过碾压作业后,生活垃圾各成分能有效的填充互补,且具有较高的抗压和抗剪强度,遇水后变形亦较小,故生活垃圾的填埋作业主要是坑填+堆高作业[7].而污泥填埋作业方面,因为污泥遇水易吸水变形,抗压和抗剪强度会急剧下降,因此,为保证其能安全有效的填埋,一般采用的是坑填作业,极少堆高[4,8].生活垃圾与污泥混合填埋,从污泥的角度分析,增加了填埋物料的“加筋相”,提高了污泥的力学性能[9].然而,随着污泥产量的日渐庞大以及用地的日益紧张,如何在现有土地上,实现污泥的最大量填埋,成了目前亟需解决的难题[1,10-12].

一般来说,增加填埋高度可以有效地增加库容,从而减小单位库容的投资费用,尤其是在库底防渗措施完善的填埋场.在条件允许的情况下,污泥填埋厚度应尽可能高,因此污泥高维填埋逐渐被提上了日程[13-14].然而,由于工程实际的特殊性,高维填埋的边坡稳定性一直是工程上的难题.本文基于污泥高维填埋过程中最佳放坡坡度和最大填埋高度不明这一科学问题,搜索并计算各放坡坡度和填埋高度下最危险滑动面的最小安全系数,寻找适宜的污泥高维填埋放坡坡度,初步测算污泥高维填埋的最大填埋高度,为污泥高维填埋的实际工程应用提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 高维填埋模拟软件的选择

目前,以极限平衡法为理论计算基础的边坡稳定性分析模拟软件应用较多和较成熟的是由全球著名的加拿大岩土软件开发商 GEOSLOPE公司开发的面向岩土、采矿、交通、水利、地质、环境工程等领域的一套仿真分析软件––GEO-STUDIO 系统软件中的 GEOSLPOE/W 模块.该模拟软件目前已在各领域的二维边坡稳定性分析中得到广泛的应用.如袁屹璋等[15]、王旭升等[16]、高倩等[17]、肖慧等[18]分别利用GEO-SLOPE/W模拟分析模块对填方、垃圾填埋场、干式赤泥堆场、尾矿库等进行了边坡稳定性分析,均得出了较为合理的模拟结果,为后续边坡的稳定性治理提供了参考依据.

因此,本研究采用 SLOPE/W(边坡稳定性分析软件)对污泥填埋堆体进行模拟分析.SLOPE/W模块在进行边坡稳定性分析时,假定滑动面为圆弧面,并可采用极限平衡法中的瑞典圆弧法、简化 Bishop法、Janbu法和 Morgenstern-Price法四种方法进行计算.

1.2 高维填埋模型

1.2.1 边界条件 本研究基于上海老港综合填埋场一期工程中的相关设计数据.污泥填埋库区的总表面积为27.8625万m2,分为4个填埋单元,每个单元的污泥分层填埋,每层厚度约为 5m,当污泥填至围堤堤顶标高后,自堤肩内侧开始,污泥在库区四周边缘以一定的斜坡逐渐堆高,直至封场高度后,以 5%的极为平缓坡度向中心区变化造坡,直至中心.其中,污泥填埋基坑深度为2m,坡度为1:5,围堤高6m,宽度为10m,内侧坡度与污泥填埋基坑坡度一致,为1:5,外侧则为1:2.取每个单元的面积约为 65000m2,长宽分别为 260m 和250m,则以该长度和面积对污泥堆高进行模拟.

1.2.2 高维填埋堆高方式 根据现有工程经验,填埋可能的堆高方式主要为按一定的放坡坡度将固体废弃物造坡堆高至一定高度,然后以 5%坡度造坡至封场高度.因此,本研究便以此堆高方式为基础进行污泥高维填埋的模拟分析.具体而言,污泥的填埋堆高方式为污泥按照目前填埋工艺,分层摊铺压实,并按一定的坡度不断填埋堆高,然后进行封场[19-20].此模拟仅考虑污泥在自然条件下进行堆高作业,不考虑外加荷载、地震、降雨等特殊情况对污泥填埋堆体的影响.

1.2.3 最小稳定安全系数和相关计算参数 边坡稳定性安全系数一般定义为沿假定滑裂面的抗滑力与滑动力的比值,当该比值大于1时,坡体稳定;等于1时,堆体处于极限平衡状态;小于1时,边坡即发生破坏.根据工程经验,正常静力运行情况下,填埋堆体所允许的最小稳定安全系数取K=1.3[21-22].相关的污泥和围堤用土的相关物理参数则如表1所示.

表1 干污泥和围堤用土的相关物理参数Table 1 Relevant physical parameters of dry sludge and soil used as causeway

2 模拟计算结果讨论

2.1 高维填埋放坡坡度对边坡稳定性的影响

干污泥分别按 1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4五种不同的放坡坡度堆高到 15m后,按 5%的坡度造坡至封场高度,得到的各堆体的最小安全系数与放坡坡度的关系如图1所示.

由图 1可知,4种计算方法得到的最小安全系数存在一定的差别,计算结果的大小顺序依次为 Bishop法＞Morgenstern-Price法＞Ordinary法＞Janbu法,本研究中选用普适性和收敛性均较好的 Morgenstern-Price法计算得出的结果作为参考来衡量污泥高维填埋堆体的边坡稳定性[23-24].

图1 污泥高维填埋的放坡坡度与边坡最小安全系数的关系Fig.1 Relationship between minimum safety factor and slop gradient in sludge high-dimensional landfill

图1表明,随着放坡坡度的逐渐变缓,堆体边坡的最小安全系数逐渐增大,即堆体的边坡稳定性增强.在将污泥统一堆高至15m的情况下,放坡坡度为1:2和1:2.5时,堆体边坡的最小安全系数(Morgenstern-Price法计算值)均小于工程要求的最小值1.3,分别为1.13和1.289,堆体存在滑坡的危险,即干污泥在这两种放坡坡度下难以填埋至15m的高度;而当增缓放坡坡度至1:3、1:3.5、1:4时,堆体边坡的最小安全系数均高于 1.3的标准值,分别为1.442、1.588、1.728,堆体边坡稳定性较佳,即在这 3种放坡坡度下,污泥高维填埋至15m时,堆体较为稳定.

由此可知,污泥高维填埋时放坡坡度的陡缓,直接影响着堆体的边坡稳定性,放坡坡度越缓,堆体的边坡稳定性越好.

2.2 高维填埋高度对边坡稳定性的影响

干污泥分别按 1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4五种不同的放坡坡度进行堆高,相应的填埋堆高高度与边坡最小安全系数的关系如图 2和图 3所示.

图2 各放坡坡度下填埋高度的增加对堆体最小安全系数的影响Fig.2 Effects of landfill height on the minimum safety factor at different slope gradients

由图 2可知,在各种放坡坡度下,堆体的最小安全系数均随堆体的填埋高度的增加而逐渐降低,即堆体的填埋高度越高,堆体的边坡稳定性越差.

另一方面,由图3可知,堆体的放坡坡度越缓,填埋高度与最小安全系数的关系曲线越平缓,这表明堆体的放坡坡度越缓,填埋高度的增加对最小安全系数的影响越小,即对边坡稳定性的影响越小.由此可以说明,填埋高度对边坡稳定性的影响还与放坡坡度有关,放坡坡度越平缓,填埋高度的增加对边坡稳定性的影响越微小.

图3 填埋高度对边坡稳定性的影响强度与放坡坡度关系Fig.3 The relationship between the effect strength of landfill height on slope safety and slop gradient.

2.3 各放坡坡度下所允许的最大填埋高度和库容增加量

当以最小安全系数为1.3为堆体边坡稳定性的临界值时,各放坡坡度下所允许的最大填埋高度和库容增加量分别如表2和图4所示.

表2 各放坡坡度下所允许的最大填埋高度Table 2 The allowable highest landfill height at different slope gradients

图4 各放坡坡度下所允许的最大库容增加量Fig.4 The allowable increasing of capacities at different slope gradients

由表 2可知,放坡坡度越平缓,堆体所允许的最大填埋高度越大.这表明污泥高维填埋时,适当的放缓填埋坡度不仅能保证污泥堆体的稳定性,而且还能使得污泥高维填埋所允许的填埋高度更大,从而最大可能的提高填埋单元的空间利用率.

由图4可知,在放坡坡度为1:2、1:2.5、1:3、1:3.5这4个放坡坡度下,坡度越缓,相应的库容增加量也越大.然而,当放坡坡度为1:4时,相应的库容增加量却小于1:3.5时的库容增加量.这是因为受模拟填埋单元水平距离的限制,按 1:4的放坡坡度堆高时仅能堆高至 32.5m,而非理论上可堆高的最大填埋高度.32.5m 的填埋高度下,最小安全系数为1.372,远大于临界值1.3,这说明32.5m并非 1:4放坡坡度所允许的最大填埋高度.由此可知,从最大限度的增加填埋库容的角度来看,模拟填埋单元污泥高维填埋的最佳放坡坡度为1:3.5.

2.4 最佳坡度所允许的最大填埋高度情况下的堆体受力分析

对于模拟填埋单元而言,干污泥高维填埋的最佳放坡坡度为 1:3.5,相应所允许的最大填埋高度为 28m.此情况下,堆体的最危险滑动面如图5所示,其滑动面各滑块的受力分析情况如图6所示.

图5 放坡坡度1:3.5所允许的最大填埋高度情况下堆体堆高模拟滑动面模型Fig.5 The simulated sliding surface of pile at the allowable landfill height of the optimal slop gradient 1:3.5

图 5所示弧线部分为稳定安全系数最小的可能滑动面,即最危险滑动面.如图 6所示可知,最危险滑动面对应的安全系数为 1.312,大于工程经验所要求的最小稳定安全系数(K=1.3),即在污泥堆体填至围堤堤顶标高后,自堤肩其按1:3.5的坡度堆高 26m,然后按 5%的坡度缓慢造坡至最大填埋高度28m时,理论上测算污泥堆体边坡是稳定性安全的.

图6 污泥填埋堆体的受力分析Fig.6 The stress analysis of sludge landfill pile

由图 6可知,堆体上滑动面上的任意滑动模块的受力情况主要由滑块自身重力、底部污泥对滑块的法向应力和摩擦力、左右污泥对滑块的法向应力和剪切力组成.对于整个滑动坡面而言,在滑动面中部区域即水平距离80m左右处的各种力达到最大值,为形变最为严重的部分.

3 结论

通过GEO-SLPOE软件对污泥高维填埋边坡稳定性进行模拟分析发现,填埋放坡坡度越缓,堆体稳定性越强,所允许的最大填埋高度越高,库容增加量越大;填埋高度越高,堆体稳定性越差;模拟填埋单元的最佳放坡坡度为 1:3.5,相应的最大允许填埋高度为28m,库容增加量为447.2万m3.

参考文献：

[1]魏 超,占星星,宋少波.城市污泥处理与处置技术的现状研究[J]. 广东化工, 2012,39(13):86-87.

[2]甄广印,赵由才,宋 玉,等.城市污泥处理处置技术研究 [J]. 有色冶金设计与研究, 2010,31(5):41-45.

[3]马建立,赵由才,张 华,等.城市污水处理厂不同性状污泥填埋工艺的试验研究 [J]. 给水排水, 2007,33(10):50-53.

[4]徐 勤.污泥填埋的工程化应用研究 [J]. 环境卫生工程,2006,14(4):50-51.

[5]米 琼,赵爱华,王声东,等.深度脱水污泥掺混土壤改性及资源化技术研究 [J]. 四川环境, 2013,32(4):5-10.

[6]Zhan Liangtong, Zhan Xinjie, Lin Weianet et al. Field and laboratory investigation on geotechnical properties of sewage sludge disposed in a pit at Changan landfill, Chengdu, China [J].Eng Geol, 2014,170:24-32.

[7]赵由才,龙 燕,张 华.生活垃圾卫生填埋技术 [M]. 化学工业出版社环境科学与工程出版中心, 2004.

[8]朱 英,赵由才,李鸿江.城镇污水处理厂污泥填埋方法与技术分析 [J]. 中国给水排水, 2010,26(20):12-15.

[9]于小娟.污泥与城市生活垃圾混填的力学特性及稳定性 [J].土木建筑与环境工程, 2016,38(3):80-89.

[10]Zhen Guangyin, Zhao Youcai. Chapter Six – Pollution Control and Recycling of Sludge in Sanitary Landfill [J]. Pollution Control & Resource Recovery, 2017:275-352.

[11]Yang Guang, Zhang Guangming, Wang Hongchen. Current state of sludge production, management, treatment and disposal in China [J]. Water research, 2015,78:60-73.

[12]陈国美,胡俊庆.污水处理厂污泥填埋处置与资源化利用探析[J]. 中国资源综合利用, 2013,31(1):33-35.

[13]王艳明.填埋场设计新理念及其工程应用 [J]. 环境卫生工程,2006,14(4):31-33.

[14]冀桂梅,王艳明.垃圾填埋场建设的新理念及其工程应用 [J].城市道桥与防洪, 2005,(5):130-132.

[15]袁屹璋,邓 辉,张 晋.Geo-Slope在某填方边坡稳定性分析中的应用 [J]. 长春工程学院学报(自然科学版), 2013,14(1):96-99.

[16]王旭升,席永慧,申青峰.填埋场边坡稳定性的极限平衡法与数值模拟分析 [J]. 建筑施工, 2013,35(1):17-19.

[17]高 倩,刘建林,雒望余.基于Geo-Slope的拜耳法干式赤泥堆场稳定性分析 [J]. 人民黄河, 2012,34(5):129-130.

[18]肖 慧,盛建龙,姚 尧.基于 GEO-SLOPE 的某尾矿库稳定性分析 [J]. 现代矿业, 2010,(7):67-69.

[19]王 涛,胡良春,李 亮,等.遵义市垃圾填埋场污泥/垃圾无害化处理工程设计 [J]. 中国给水排水, 2013,29(2):34-36.

[20]张云霞,王立彤,王 馨,等.天津大沽排污河清淤污泥填埋场设计方案 [J]. 中国给水排水, 2006,22(8):46-50.

[21]范鑫萍,黄茂松,王浩然.考虑龄期分层的固体废弃物填埋场边坡稳定分析 [J]. 岩土力学, 2016,37(6):1715-1720.

[22]宁兆轲,王浩然,黄茂松.考虑衬垫系统影响的固废填埋场稳定性二维分析 [J]. 防灾减灾工程学报, 2013,33(s1):94-98.

[23]张立舟,瞿嘉玮,邓湘波,等.极限平衡 Morgenstern-Price法与有限元 ABAQUS法在边坡稳定性评价中的应用 [J]. 重庆理工大学学报, 2013,27(6):23-27.

[24]黄龙元,刘继红,常来山,等.Morgenstern-Price改进法在边坡稳定性计算中的应用 [J]. 辽宁科技大学学报, 2002,25(2):129-133.