大型生活垃圾填埋场库区对高速公路影响分析

罗卫华

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010）

0 引言

边坡失稳对于高速公路运营有非常大的影响，当边坡失稳后可能引起大范围破坏［1］，是一种地质灾害［2］。垃圾填埋场的库区由挖方边坡和垃圾挡坝构成，在垃圾填埋过程中和封场后，可能会因垃圾堆体的作用，造成边坡和挡坝失稳，导致渗滤液泄漏、填埋气体外散以及堆体坍塌等一系列环境污染和安全事件。因此对大型生活垃圾填埋场库区邻近高速公路的垃圾挡坝和挖方边坡在不同工况下的稳定性的分析至关重要。

1 工程概述

广州某应急填埋场承担着广州市中心城区生活垃圾的处理任务，是特大型生活垃圾填埋场，设计总库容量约为1 190万m3，总投资约7.8亿元。其北侧填埋库区紧邻广河高速公路，此高速公路是广州市重要的东北出入口。填埋场北部布局与广河高速公路的位置关系如图1所示。项目北侧工程与广河高速公路的对应关系如表1所示。

图1 填埋场北侧边坡、挡坝断面位置示意图Fig.1 Schematic Diagram of the North Side Slope and Dam Section of the Landfill

表1 填埋场北侧工程与高速公路地理位置对应关系Tab.1 Corresponding Relationship between the Project on the North Side of the Landfill Site and the Geographical Location of the Expressway

2 工程地质条件

本项目场地为低山丘陵地带，地层主要为第四系覆盖层和下卧混合花岗岩，第四系覆盖层分布整个场地，主要为坡积土和残积土。

根据工程地质勘察结果，该场地自上而下各类岩土特征如下：

〈1〉人工填土层：主要为素填土，松散，稍湿～湿。主要成分为粉质粘土含砂及花岗片麻岩风化残积土夹碎石块等。

〈2-1〉淤泥质土：流塑，饱和，见腐殖质。

〈2-2〉淤泥质细砂：松散，饱和，含少量腐殖质，局部混少量粘土。

〈3-1〉细砂：稍密～密实，局部松散，饱和。

〈3-2〉粗砂：中密～密实，饱和，含石英质砾砂及局部混石英质碎石。

〈4〉粉质性土：由坡积作用而形成的粉质粘土，可塑～硬塑。

〈5-1〉可塑状砂质粘性土：花岗片麻岩风化残积而成，长石、云母及暗色矿物已完全土化，岩芯手捏易碎，遇水变软。

〈5-2〉硬塑状砂质粘性土：含少量石英质粗砂及砾石，岩芯手捏易碎，遇水变软。

〈6〉全风化混合花岗岩：岩芯呈土柱状、土块状，坚硬，岩石组织结构已基本破坏，但尚可辨认，遇水易崩解软化。

〈7〉强风化混合花岗岩：岩芯呈土柱状、碎块状，块状构造及片麻状构造，风化裂隙很发育，岩块用手可折断。

〈8〉中等风化混合花岗岩：岩芯呈短柱状、碎块状，岩块锤击声脆，且不易击碎，不能用镐挖掘，岩芯钻方可钻进。

3 计算断面基本概况

填埋场库区北侧设有环场道路，路面标高约为135～140 m，道路内侧为填埋库区，按照1∶2 的坡率构建边坡，每级不超过10 m，平台宽3.0 m，构建至库底底标高约为115.2～110.0 m 处。库区内生活垃圾按1∶3 坡率从道路边填高至145 m 标高。根据原状地形和库区的建设要求，按道路里程将库区北侧划分为挖方边坡和垃圾挡坝，如图1所示。其中道路里程R2 K0+500～R2 K0+300 为挖方边坡，R2 K0+300～140 为垃圾挡坝。现选取8个代表性断面分别计算其稳定性，选取断面平面位置如图1所示。各断面的基本特征如表2所示。

表2 断面及其特征Tab.2 Section Selection and Characteristics

3.1 挖方边坡D-D剖面如图2⒜所示。

构建边坡以上原状山体标高约为137～150 m，挖方高度约为10～17 m。

设计道路标高为137 m，道路内侧为填埋场构建边坡，坡率为1∶2，每级边坡不超过10 m，每两级边坡间设置宽3 m 的平台，库底标高约为115 m；道路外侧为原状山体，坡率约为1∶2.5。垃圾按1∶3 坡率从道路边填埋至高度145 m标高处，渗滤液水位最高时达143 m。垃圾堆体与边坡之间设置两层2.0 mm的双糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防渗层［3］，防止库区内的垃圾渗滤液渗漏。

边坡的土层组成，从路面标高（137 m）往下依次为砂质粘性土（原状，厚度2 m）、全风化花岗岩（原状，厚度6 m）、强风化混合花岗岩（原状，原状厚度6.9 m）和中风化混合花岗岩（原状）。

3.2 垃圾挡坝G-G剖面如图2⒝所示。

图2 典型边坡剖面Fig.2 Profile View of Typical Slope （mm）

原状地形标高约为125～127 m，低于构建边坡标高。挡坝高度约13～15 m。

设计道路标高为140 m，道路内侧为填埋场构建边坡，坡率为1∶2，每级边坡不超过10 m，每两级边坡间设置宽3 m 的平台，库底标高约为115 m；道路外侧按1∶2 的坡率填方构建至坡脚标高125 m 处。坡面采用菱形骨架护坡并植草防护，浆砌片石护脚［4］。脚线距离广河高速道路边线约36 m。垃圾按1∶3 的坡率从道路边填埋至高度145 m 标高处。在挡坝的内侧，垃圾堆体与挡坝之间设置两层2.0 mm 的双糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防渗层［3］，防止库区内的垃圾渗滤液渗漏。挡坝采用砂质粘性土碾压夯实回填，回填要求分层夯实，每层厚度不超过300 mm，压实度不小于0.96。

垃圾挡坝的土层组成，从路面标高（140 m）往下依次为填方砂质粘性土（填方土，厚度约15 m）、全风化混合花岗岩（原状土，厚度约3.4 m）、强风化混合花岗岩（原状，厚度6.15 m）和中风化混合花岗岩（原状）。

4 稳定性分析

4.1 力学参数及计算模型

4.1.1 垃圾堆体力学参数

《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范：CJJ 176—2012》［5］中给的垃圾土体力学参数建议值如表3所示。

表3 垃圾抗剪强度指标建议值Tab.3 Recommended Values of Garbage Shear Strength Indexes

本项目的垃圾堆体的力学参数参考文献［5］及陈位洪等人［6］的研究成果，按埋深及渗滤液水位来取值：埋深小于10 m的浅层垃圾分为渗沥液水位线以上，渗沥液水位线以下两种；埋深大于10 m的深层垃圾。其力学参数如表4所示。

表4 本项目垃圾堆体力学参数Tab.4 Mechanical Parameters of Garbage Dump of the Project

4.1.2 相关岩土参数根据地质勘察报告，相关岩土参数如表5所示。

表5 地勘报告相关岩土参数Tab.5 Relevant Geotechnical Parameters of Geological Survey Report

针对挡坝段回填砂质粘性土的粘聚力和内摩擦角取值确定，毗邻本项目的工程曾就砂质粘性土填土（回填土分层夯实，每层厚度不超过300 mm，压实度不小于0.96）进行现场实测数据，其土样固结快剪下对应的粘聚力和内摩擦角最低的取值分别为62.3 kPa、37.8°。本项目考虑到填方区域的坝体暴露在室外条件中，可能存在吸水饱和状态，所以在坝体安全稳定性计算中，对回填的砂质粘性土强度参数在原状砂质粘性土基础上进行折减，其粘聚力和内摩擦角分别取为20 kPa、20°。由此，确定北侧挡坝、边坡稳定性计算分析的参数取值如表6所示。

表6 本项目相关岩土力学参数Tab.6 Relevant Geotechnical Mechanical Parameters of the Project

4.2 计算方法及工况

根据文献［5］的规定，垃圾填埋场边坡稳定性计算需满足《水利水电工程边坡设计规范：SL386—2007》［7］的要求。

根据《生活垃圾卫生填埋处理技术规范：GB 50869—2013》［3］挡坝及边坡建筑级别为I级，按7度地震烈度设防［8］，顶设有15 m 宽道路，汽车荷载设计等级为公路-Ⅱ级。明确规定了3 种计算工况，分别为：①正常运用条件，即填埋场填埋过程、填埋场封场后以及填埋场正常运营状况；②非常运用条件Ⅰ，即遭遇强降雨等引起的渗沥液水位上升；③非常运用条件Ⅱ，即遭遇地震（烈度为7 度）。工况1、工况3 垃圾堆体里渗沥液水位143 m（垃圾堆体顶面下2 m）；工况2 垃圾堆体里渗沥液水位145 m（平垃圾堆体顶面下2 m）。对选取的8 个断面分别进行以上3 种工况下的稳定性计算。

验算的破坏模式包括通过垃圾堆体内部的滑动破坏和通过垃圾堆体内部与下卧地基的滑动破坏。计算采用摩根斯坦-普赖斯法（稳定计算采用有效应力法）。

经Plaxis 2D 有限元分析，挡坝及边坡整体稳定性安全系数计算结果如表7所示。

表7 填埋区北区挡坝及边坡稳定性计算结果Tab.7 Calculation Results of Retaining Dam and Slope Stability in the North of Landfill Area

通过上述稳定分析计算，各断面（A-A至H-H断面）安全系数满足文献［7］、《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》［9］的 最 小 安 全 系 数 要求，即正常使用工况下需满足K正常≥1.35，非正常运用条件1 满足K非常1≥1.25，非正常运用条件2（地震工况下）满足K非常2≥1.15。其中挡坝G-G断面计算分析结果如图3所示。根据填埋区北区挡坝、边坡稳定性计算结果，证明本项目对于高速公路的影响极其有限。

图3 Plaxis 2D有限元计算分析结果Fig.3 Plaxis 2D Finite Element Calculation and Analysis Results

为确保填埋场在建设和使用过程中的安全，在挖方边坡、挡坝外侧布设有监测点［10］，北侧边坡、挡坝沉降和位移监测布置平面如图4所示。

图4 北侧边坡、挡坝监测点平面布置Fig.4 Layout Plan of Monitoring Points of North Side Slope and Retaining Dam

5 结语

为保证填埋库区在施工和运营阶段的安全性要求，结合以上边坡、挡坝稳定性计算结果，进一步加强整体安全稳定性，就施工和填埋运营阶段提出以下建议：

⑴施工时提前对填方所用的粘性土和风化岩土进行压实试验并测试其在压实度满足设计要求的状态下抗剪强度参数值。

⑵选择少雨期施工，严禁下雨施工，土石坝施工间歇期，确保及时在已压填坝体表面铺HDPE 土工膜，坡面和坡脚做好截排水措施，使得边坡土质尽量保持其天然状态。

⑶建议运营过程中及时对垃圾进行日覆盖、中间覆盖以及阶段性中间覆盖，尽可能地减少由于降雨引起渗沥液的增加。

⑷ 填埋区库区运营单位要根据垃圾的填埋情况，及时布设渗沥液抽水井，以便极端情况下可及时抽排降低填埋库区内渗沥液的水位［11］。