基于有限元的垃圾填埋场坝体稳定性分析——以阳东船尾石垃圾填埋场为例

施泽益

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司；广东省建设工程质量安全检测总站有限公司，广东广州 510500）

0 引言

垃圾填埋是我国处理生活垃圾的主要方式之一。随着城市化进程的不断推进，城市产生的生活垃圾越来越多，对垃圾填埋场的需求也越来越大。然而近年来在生活垃圾填埋场中，因坝体设计不科学、垃圾填埋作业不规范等原因，导致溃坝、坝体渗漏的事故时有发生，给周边的环境和影响区内的建筑和人员安全产生了很大的威胁。随着社会关注度的提升有关部门也出台了关于生活垃圾填埋场的标准[1-2]，因此，准确评估垃圾填埋场坝体的稳定性具有重大的意义。

有限元分析法是一种强大的数值计算方法，广泛应用于工程领域，在边坡稳定性定量分析方面，比极限平衡法准确性更高[3-4]。GTSNX 是Midas 系列软件之一，是一款利岩土有限元分析软件，其基于强度折减法对边坡进行稳定性分析，考虑了岩土体的非线性本构关系，其计算结果不仅能以云图的形式直观反映失稳边坡滑动面的位置，还能以动画的形式反映滑动面的形成、发展、贯通情况。因此，本文以阳东船尾石垃圾填埋场为工程背景，通过Midas-GTS 软件对填埋场坝体进行稳定性分析，为类似条件的坝体稳定性分析提供参考。

1 垃圾填埋场坝体实例分析

1.1 工程概况

垃圾填埋场填埋区是由三面环山的畦地和以土质材料填筑的堤坝构成的填埋库，该堤坝在本项目称之为库坝。填埋场总用地面积107879m2，坝体填筑体为场地内的人工填土层。坝长约150m，坝顶宽8.0m，坝高约8.0m，坝顶高程约28.5m，迎水坡比约1∶2，坝后坡比约1∶2，填埋库区容积为79 万m3。挡坝已运行5 年，坝体下游存在生产设备和生活管理区，且有沈海高速从坝体场区南侧通过，一旦失事将会造成严重损失。

根据勘察报告，坝体土层分布如下。

1.1.1 人工填土层（Q4ml）

场地内的人工填土层为坝体填筑体，依据成分组成的集中性，把坝体填土划分为①1混凝土层和①2素填土。

1.1.2 残积层（Qel）

②砂质黏性土呈黄褐、灰褐色，可塑～硬塑，局部坚硬，土质粗糙，土体具弱黏性，干强度中等，以粉黏粒为主，含较多石英砂粒，岩芯手捏易散、浸水易软化、崩解，扰动后呈砂粒状，由下伏花岗岩风化残积而成。

1.1.3 基岩及风化带（γ52-3）

场区内的下伏基岩为燕山三期（γ52-3）花岗岩，为硬质岩石。

1.2 坝体计算剖面

应选取坝体的最不利剖面进行稳定性计算，现状填埋状态剖面图如图1 所示。

图1 现状填埋状态剖面（单位：m）

此外，由于垃圾场还未达到最大容量，还需对设计终场状态进行坝体稳定性验计算。当达到设计终场状态时，库区垃圾自南向北以1∶3 的坡率堆积，垃圾堆填以10m 为一级，级间设置5m 宽平台。设计终场状态垃圾堆填剖面图如图2 所示。

图2 设计终场状态剖面（单位：m）

1.3 参数选取

经过反复试算对比模型尺寸对计算结果的影响，发现1/5H 的外扩距离可基本消除模型边界对计算结果的影响。计算模型除坡面外均外扩不小于1/5H（H 为坡高）。

1.3.1 材料本构及网格划分

边坡各剖面的计算分析属于平面应变问题，土体的本构选择摩尔-库伦模型[5-6]，可以更符合实际地描述土体材料的屈服特性，也更方便实际工程的应用。另外，不同土层需进行单独的网格划分，对坝体和坝体附近的网格节点需进行加密使得模拟结果更加精确。

1.3.2 土层参数

垃圾挡坝区域内岩土层物理力学参数如表1 所示。

表1 垃圾挡坝稳定计算岩土物理力学参数

1.3.3 边界条件

静力计算将坡面设置成自由边界，模型底部为固定边界条件，模型的侧边界为法向约束边界。动力计算在水平方向上采用自由场边界，在模型底部采用静态粘滞边界，用以消除应力波在边界上的反射效应。

1.3.4 分析工况

分析工况包含正常运行条件、饱水条件以及地震条件3 种工况。现状运行水位在坝顶以下约1.5m 的位置。当垃圾填埋量达设计终场量时，以渗滤液警戒水位h/H（渗滤液水位与垃圾填埋高度之比）等于0.6 为饱和工况时的水位高度进行计算。

场区的抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，本场地的场地类别为Ⅱ类，设计特征周期定为0.35s。

1.4 计算结果

1.4.1 现状填埋正常运行工况

极限状态下有效塑性应变发展区域由下往上贯通坝体，有效塑性应变发展如图3 所示。

图3 现状填埋正常运行工况模拟结果

1.4.2 现状填埋饱水工况

极限状态下有效塑性应变发展区域由下往上贯通坝体，有效塑性应变发展如图4 所示。

图4 现状填埋饱和工况模拟结果

1.4.3 现状填埋地震工况

在地震工况作用下有效塑性应变区由填土层向坝体发展，有效塑性应变区如图5 所示。

图5 现状填埋地震工况模拟结果

1.4.4 设计终场正常运行工况

有效塑性应变区域由坝底填土层向垃圾顶部发展，有效塑性应变区如图6 所示。

图6 设计终场正常运行工况模拟结果

1.4.5 设计终场饱水工况

有效塑性应变区域由坝底填土层向垃圾顶部发展，有效塑性应变区如图7 所示。

图7 设计终场饱水工况模拟结果

1.4.6 设计终场地震工况

有效塑性应变区域由坝底填土层向垃圾顶部发展，有效塑性应变区如图8 所示。

图8 设计终场地震工况模拟结果

根据现场勘察报告、监测结果，本项目对应选取了坝体Z1-Z1′、Z2-Z2′、Z3-Z3′3 个典型断面如图9 所示。

图9 断面位置

根据选取的断面位置建立了3 个剖面的数值模型，对该项目3 个剖面的有限元模拟验算包含了现状填埋和设计终场垃圾填埋两种状态，每种状态包括正常运行工况、饱水工况、地震工况3 种工况，一共建立18 个二维有限元计算模型，现状填埋状态安全系数汇总如表2 所示。

表2 现状填埋状态安全系数汇总

2 结论

按照行业规范《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》（GB 50869—2013）判定该垃圾挡坝的级别为Ⅰ级。即坝体在填埋作业期的稳定安全系数Fst 为1.20，在地震工况下的稳定安全系数Fst 为1.15。根据计算结果所得结论如下。

（1）现状挡坝3 个典型剖面正常工况下的最小稳定系数为1.65，大于规范要求的1.20；饱水工况下的最小稳定系数为1.35，大于规范要求的1.15；地震工况下的最小稳定系数为1.20，大于规范要求的1.15，综合评估现填埋状态下该垃圾挡坝处于相对安全的状态。

（2）设计终场垃圾填埋状态下，3 个剖面正常工况下的最小稳定系数为1.47，大于规范要求的1.20；饱水工况下的最小稳定系数为1.20，大于规范要求的1.15；地震工况下的最小稳定系数为1.16，大于规范要求的1.15，综合评估设计终场垃圾填埋状态下该垃圾挡坝处于相对安全的状态。