某危险废物安全填埋场扩容稳定性分析与应用

易平

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

截至2017 年12 月， 杭州市危险废物处置中心安全填埋场一期工程已经填埋至+76.80 m 标高，接近设计的+80 m 标高和预期库容量， 需准备进行填埋区二期扩容设计。 依据规划，二期堆体将扩容至+96 m。 为保证二期扩容后堆体的稳定性和安全性，自2018 年5 月起某勘察单位对填埋场现状进行了勘查测量。经过稳定性分析和计算论证，认为该扩容工程在整体上是稳定安全的。

1 填埋场工程地质条件

1.1 工程概况

杭州市危险废物处置中心安全填埋场工程是杭州市危险废物处理处置系统的重要组成部分。 该项目位于杭州市余杭区崇贤镇南山林场佛日坞西坞山半山腰，交通和运输条件较为便利。所在场地属丘陵貌，填埋场地形为三面环山，东南面方向开口状，主要呈两个V 字形的沟谷。 场区周围植物生长茂盛，植被覆盖率达90%。场地的地形地貌较复杂，人类工程活动破坏地质环境程度强烈[1]。 一期工程设计基底高程为+50 m，顶高程为+80 m，安全填埋总建设规模（库容）为 65.7×104m3。

1.2 水文气象

填埋场位于东南沿海的亚热带边缘地区， 属温暖湿润季风气候区，受海洋性气候影响明显，冬夏季风交替明显， 冬季寒潮多， 夏季受台风侵袭影响较大。 该地区降水主要集中在5 月到6 月以及9 月到来年1 月间，年平均气温为 16.3 ℃，多年平均降雨量为1 489.7 mm，风向以东北东南风为主，平均风速为 1.7 m/s，最大风速为 3.4 m/s。

1.3 工程地质

该区域原始地层以强～中风化泥质粉砂岩为主，紫红色，局部灰白色。节理裂隙发育，岩芯破碎，多呈碎块及短柱状，岩石主要成分为石英、云母，夹杂粉砂质泥岩，局部泥岩呈鱼鳞片状。 岩石为软岩，岩体较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ。 整体而言，该区域地质条件较好，无断层、滑坡、崩塌及岩溶等不良地质现象。

1.4 地震效应

所在场地抗震设防烈度为7 度， 地震峰值加速度为 0.10 g，地震反应谱特征周期值为 0.45 s，故设计地震分组为第一组， 属于可进行建设的一般性地段，须进行抗震计算。

2 填埋库区现状

根据实地踏勘和现场实测， 一期堆体主要由主坝、分区坝、固废堆积体及防渗系统组成。 主坝下游分为三级坡，排水棱体坡率约为1∶1.50，上面两级坡率均为 1∶2.00。 固废堆积体在标高约+70 m 以下采用约1∶3.40 斜坡坡率分层填埋而成， 表面采用橡胶雨布覆盖。固废堆积体在标高+70 m 以上，坡度相对较陡。填埋区外围均已修建截洪沟与排水沟，并通过导排系统排至主坝下游。

一期堆积体长约170 m，目前坡高约33 m，坡角为 15°～30°，顶部局部坡角约 70°。 堆积体主要由主坝及固废堆积体组成，主坝坝顶标高约+59.80 m，坝高 15.50 m；下游坝坡中部设置马道，马道标高+54.80 m，下游坝坡以坡度约为26°。 主坝两岸坝肩设置排水沟，下游坝坡草皮护坡。 堆积体在标高约+68 m 以下均采用橡胶雨布热焊形成整体，能将降雨排至主坝坝顶截水沟。一期堆体顶部呈倒扣脸盆形，堆积体顶部不填埋时采用雨布与废弃汽车轮胎盖住， 堆积体四周均设置有截洪沟。

3 勘察测量成果

建设方于2018 年5 月委托勘察单位在堆体上取样进行土工试验。试验共布设钻孔6 个，各孔均进行现场剪切试验。

根据钻探结果， 已填废物填埋体及场地地层主要分为4 层，自上而下分别为：

1）①-1 层杂填土。 该层呈灰黑色、浅灰色，干～稍湿状，稍密，主要由危废焚烧后的固体废物及生锈的铁皮组成， 局部钻探揭露该层含有废弃的化学试剂瓶。该层固废中掺了固化剂，强度较高，含水率、孔隙比、干密度及密实性在空间分布极不均匀，且为近期堆填，在自重下尚未完成固结，层厚约 2.70～5.40 m。

2）①-2 层杂填土。 该层呈灰黑色、浅灰色，局部黄褐色，稍湿状局部湿，松散状态，主要由危废焚烧后的固体废物及生锈的铁皮组成， 局部钻探揭露该层含有废弃的化学或者医用试剂瓶。该层密实性、成分较为复杂且在空间差异性较大，为近期堆填，在自重下尚未完成固结，揭露层厚 3.40～8.10 m。

3）①-3 层素填土。 该层呈红褐色，稍湿状，稍密，主要由泥质粉砂岩风化料组成，风化岩粒径约为40～100 mm，为修建主坝分层碾压填筑而成。 在主坝揭露该层，层厚 8.50～10.20 m。

4）②层强风化泥质粉砂岩。该层呈紫红色，局部灰白色，节理裂隙发育；岩芯破碎，多呈碎块及短柱状。 岩石主要成分为石英、云母，夹杂粉砂质泥岩，局部泥岩呈鱼鳞片状。 岩石多为软岩，岩体较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ。 本次勘查揭露层厚为8.00～8.90 m，未揭穿，岩石质量指标 RQD 为 45～55。

场地未见地表水汇集，堆体范围内未见地表水。钻探揭露发现有上层滞水、 第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。 上层滞水主要分布在素填土中，水量较小，无统一地下水位，主要由大气降水下渗补给。 在坝体钻孔处揭露第四系孔隙潜水，勘查期间测得其初见水位埋深为 7.80～8.30 m，标高为+47.03～+51.48 m；稳定水位为 8.10～8.70 m，标高为+46.73～+51.08 m；水量一般，含水层贮水、透水性一般，主要由地下径流、上层滞水下渗补给。由于设置有地下水导排管，水位年变幅较小。基岩裂隙水则赋存于岩石风化层中，主要由大气降水下渗补给，含水层贮水性较差，水量较小。

堆体及地基土层岩土力学指标建议值见表1。

表1 堆体及地基土层岩土力学指标

通过勘测查明现有的废物堆体分层结构， 以及废物填埋体的容重、剪切强度、承载力等有关物理力学指标，为计算堆体稳定性分析提供基础依据。

4 填埋场堆体边坡稳定性分析论证思路

4.1 失稳破坏模式[2]

填埋场堆体边坡失稳破坏模式主要包括沿堆体内部失稳破坏、沿边坡及坡底破坏、贯穿废弃物与地基发生破坏、沿复合衬垫系统薄弱界面滑动破坏等4 种。

4.2 填埋场稳定性分析方法

依据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》第 6.4.1 条第 3 款[3]，填埋场边坡稳定验算应采用摩根斯坦—普赖斯法（Morgenstern-Price 法）。 该法适用于任意形状的滑裂面， 可对任意复杂滑动面的边坡进行稳定性分析， 在分析固体废弃物填埋场稳定性时， 可计算沿废物内部的圆弧形滑动或非圆弧形滑动，以及沿土工材料界面的折线滑动。它考虑了坡体自重、地表荷载、动水压力、暴雨、地震和边坡岩土体与潜在滑动面的抗剪强度等参数差异对边坡稳定性的相互作用， 是一种通用的二维边坡稳定性分析方法。 由于摩根斯坦—普赖斯法计入了土条间作用力的影响，因此多数情况下求得的Fs值较接近实际。

采用摩根斯坦—普赖斯法计算见图1。 图中E及X 分别表示土条间的法向和切向条间作用力，W为土条自重力，Q 为土条的水平作用力，N、T 分别为土条底的总法向力和切向力。 G 表示土条垂直边上的总作用力。

4.3 计算工况及荷载组合

结合填埋场堆体结构特征及可能出现的荷载情况，拟定3 种工况，分别为：1）正常运用条件，填埋场渗沥液处于正常水位（天然状态）；2）非常运用条件Ⅰ，即遭遇强降雨等引起渗沥液水位显著上升（饱和状态）；3）非常运用条件Ⅱ，即正常运用条件下遭遇地震。

5 现状填埋场堆体边坡稳定性分析

现状危险废物堆体Ⅰ-Ⅰ′剖面总平面布置见图2。

本次废物堆体边坡整体稳定性分析选取垂直或者近于垂直堆填边坡走向布置Ⅰ-Ⅰ′剖面，见图3。

采用Slide v6.0 边坡稳定性分析软件对现有废物堆体区域Ⅰ-Ⅰ′剖面在3 种荷载组合工况下采用摩根斯坦—普赖斯法进行整体稳定性分析计算，其结果如表2 所示。

分析结果表明，在3 种工况下，堆体内部滑动抗滑安全稳定系数、 沿堆体衬垫滑动抗滑安全稳定系数均能够满足规范要求。

6 扩容后的填埋场堆体边坡稳定性分析

依据规划， 二期工程拟扩容填埋至标高+96 m，继续采用斜坡分层填埋工艺，分层的外坡坡度为1∶3，废物堆体每升高2 m，设置1 个1 m 宽小平台，总库容增加 10.2×104m3，可服务约 5 年。依据二期扩容填埋加高总平面布置图（图4），本次废物堆体边坡整体稳定性分析选取垂直或者近于垂直堆填边坡走向布置Ⅱ-Ⅱ′剖面（图 5）。

采用摩根斯坦—普赖斯法， 对二期堆体扩容至标高+96 m 平台废物堆积体Ⅱ-Ⅱ’剖面的整体稳定性进行分析，得到了堆积体在正常运用条件、非常运用条件Ⅰ、 非常运用条件Ⅱ等3 种不同状态下的稳定状况，见表3。

表3 二期堆体填埋扩容至+96 m 平台稳定分析计算结果

表3 的参数分析结果表明，在这3 种工况下，堆体内部滑动抗滑安全稳定系数、 沿堆体衬垫滑动抗滑安全稳定系数均能够满足规范要求。

7 结论及实施建议

根据杭州危险废物处置中心安全填埋场现状断面和扩容后的断面所进行的抗滑稳定分析计算可知， 填埋场扩容前后几种不同工况的抗滑稳定安全系数均在规范允许值范围以内， 因此本扩容工程在技术上是可行的。

根据本项目具体情况，对填埋区扩容实施提出如下要求：1）必须保证废物堆填土边坡体内各处的地下水位不能超过设计计算值。 同时加强对填埋场内渗沥液液位的监控，并随时增加应急疏通作业，确保填埋场库区渗沥液排出。排水和放气渠道通畅，能提高废物堆填土的强度参数，保障填埋坡体的稳定。2）因勘查数据取值的局限性，填埋场地的离散型、复杂性、不确定性很难逐一查清，这就要求建设方按规范要求在整个填埋系统布置完善的自动监测系统，对填埋场的边坡稳定状况进行全面的监测和管理，及时掌握填埋场表面变形状况，以便必要时及时采取相应的工程补救措施， 防止人身伤害事故和环保事故的发生。3）为保护环境和防止地质灾害的发生，已经完成废物填埋区域应及时进行封场设计和封场施工。