暴雨条件下LFG气压力对垃圾堆场稳定性的影响分析

陈俊礼 姚夏兰

摘 要 垃圾堆场由于特殊的物质组成，使其内部较一般土质边坡具有高填埋气压的特点，且在暴雨条件下，大量渗入堆场的雨水堵塞填埋气体-LFG运移通道，导致堆场内部产生封闭气压，湿润区以下的封闭气压产生的顶托作用使得堆场极有可能沿着湿润锋滑移。因此基于非饱和土渗流理论，建立考虑暴雨入渗的气-液-固多场耦合的堆场稳定分析模型。通过耦合软件COMSOL，结合所建立的数学模型综合分析随着暴雨的持续堆场安全系数的变化趋势，并与传统圆弧滑面搜索算法进行比较，结果表明该模型适用于短时强降雨工况下的垃圾堆场稳定性分析。

关键词 垃圾堆场;LFG气压力;暴雨工况;稳定性分析

引言

值得注意的是生活垃圾中所含的有机物在微生物作用下降解，其过程产生大量的填埋气体-Land Fill Gas（LFG）。填埋气如不及时排出，会使垃圾堆场体内气压增大，导致垃圾体有效应力减小，从而对垃圾堆场的稳定性产生影响，使垃圾堆体坍塌，甚至危及填埋场周围居民的生命财产安全[1]。可见LFG气压力是影响垃圾堆场稳定性的重要因素之一。

在暴雨条件下，大量渗入堆场的雨水堵塞LFG运移通道，使得堆场内部出现一个封闭气压力场，封闭气压会随着湿润线的推进不断升高直至突破孔隙水头值。因此本文考虑到暴雨条件下堆场内部封闭气压场的存在，建立了暴雨入渗的气-液-固多场耦合的堆场破坏预测模型，研究暴雨条件下LFG氣压力对垃圾堆场的稳定性影响，可为暴雨条件下垃圾堆场安全评价提供理论保障。

1暴雨条件下堆场稳定分析模型

如图1所示的垃圾填埋场边坡，暴雨入渗过程中，土体湿润锋也就是最危险滑动面为ABCD。由于滑动面为非直线非圆弧的不规则形状，故先将滑动土体分成若干竖向土条，其中任一土条上的作用力如图2所示：

图中：为滑动面切向反力;为条块宽度;为条块重力;为条块滑移面的法向反力;、为条块两侧的法向力;、为条块两侧的竖向力;为条块滑移面长度。

根据图2所示土条在竖向及水平向的静力平衡条件，可求得土条的水平法向力增量的表达式为：

其中：

对整个边坡而言，均为内力且滑动土体无水平外力作用，然后根据=0可得堆场安全系数的表达式为：

运用有限元软件COMSOL求解垃圾土固-液-气三相耦合计算模型，将边坡模型不同时间步湿润锋处的孔隙水压、气压分布作为已知条件，采用本节所建立暴雨条件下垃圾填埋场稳定分析模型式（2），即可求出不同时间点的堆场安全系数。

2算例分析与讨论

为深入了解暴雨工况下，采用本文考虑封闭气压的堆场破坏预测模型对堆场进行稳定分析的必要性以及可行性，现假定一垃圾堆场，坡高50米，坡比1：1.5，下部为渗透系数近似为0的衬垫层，利用COMSOL建立垃圾堆场的计算模型：

本次算例中降雨共持续3h，分别运用传统的圆弧滑面搜索算法和本文考虑封闭气压的稳定分析方法式（24）进行计算。

降雨前期本文稳定分析方法所得安全系数明显小于传统方法，且随着降雨的进行，安全系数降低幅度高于传统方法，因此在这一阶段采用传统的圆弧滑面搜索算法分析堆场稳定性有一定风险，本文方法偏于安全。在降雨中期，虽然本文方法计算得到的安全系数降低幅度较前期放缓，但总体数值仍小于传统方法，可见本文方法在这一阶段仍然适用。

在降雨后期，随着湿润锋不断下移，湿润区产生更多的封闭气泡，从而使土体渗透系数下降，湿润锋上方的非饱和区不断加宽，湿润锋处基质吸力增长幅度逐渐减小，同时封闭气泡的挤压作用会使湿润区产生附加孔压，大大降低有效应力，这时堆场很可能会出现一个沿湿润区内部圆弧面的滑动破坏。因此在这一阶段采用传统的滑面搜索算法得到的安全系数低于本文方法，对堆场的稳定分析更加准确[2]。

3结束语

（1）雨水入渗垃圾填埋场过程中会占据土体孔隙，使得填埋气发生运移，且雨水会增加上部土体容重，使得堆场进行应力调整从而发生变形，因此本文在对暴雨工况下的填埋场稳定性分析时，首先基于连续介质力学原理，建立了垃圾堆场固-液-气耦合数学模型。

（2）暴雨工况下，填埋气被压缩在基质吸力降低明显的湿润锋与衬垫层之间，在堆场内形成一个封闭且不稳定的气压场。随着湿润锋的不断推进，封闭气压不断增大，气体产生的顶托作用使得堆场在暴雨工况下的破坏模式极有可能是沿着坡面湿润锋的滑移破坏。基于此，本文建立考虑暴雨入渗的气-液-固多场耦合的堆场破坏预测分析模型。通过算例，与传统的圆弧滑面搜索算法进行比较分析，认为本文方法适用于短时强降雨工况下的垃圾堆场稳定分析。

参考文献

[1] 谢焰，陈云敏.考虑气固耦合填埋场沉降数学模型[J].岩土工程学报，2006（3）：602-603.

[2] 邱战洪，何春木.不同降雨模式下山谷型垃圾填埋场水分运移及其稳定性研究[J].岩土力学，2012（33）：3153-3154.