郭楷文 张坤勇,2 艾英钵,2 李 威 周 江
(1.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210024；
2.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室(河海大学)，南京 210024；
3.南京水利科学研究院岩土工程研究所，南京 210029；
4.中铁四局集团有限公司市政工程分公司，合肥 230023)
城市垃圾指城市区域内固体废弃物的混合体，因城市垃圾的含水率较高，堆填后其中的液体会形成渗沥液(包含水、废气和有机废液)。随着我国快速城市化，城市生活垃圾产出量急剧增加，填埋法是当前处理生活垃圾的主要方法[1]。近年来，我国生活垃圾的处置方式从填埋向焚烧转变，但是由于垃圾焚烧设施处于建设阶段，大部分生活垃圾仍须进行填埋处理[2]。垃圾填埋达到一定高度后，会覆上一定厚度的黏土作为覆盖层而后继续填埋垃圾。由于中间覆盖层的存在，渗沥液会以滞水的形式存在于垃圾体内，渗沥液产生的压力最大为垃圾的层高。部分填埋场采用防渗膜作为中间覆盖，当防渗膜破裂，各层垃圾间的渗沥液可能相互连通，形成整体渗流，渗沥液产生的压力比有覆盖层间隔时大很多。渗沥液的存在形式不同，对垃圾堆体稳定性影响也不同，容易引发边坡失稳问题[3-4]，危害周围环境[5]。
Koerner等调查了10个失稳填埋场，发现渗沥液液面升高是填埋场边坡失稳的主要原因[6]。陈云敏等通过计算发现填埋体中渗沥液饱和度越大、渗沥液液面越高，填埋体安全系数就越小[7]。冯世进利用有限元法分析了填埋体坡度、高度及渗沥液液面高程变化对填埋体安全系数的影响[8]。叶建忠等将填埋场所涉及的稳定问题分为五类并进行了分析[9]。沈磊在前人工作的基础上总结了三种渗沥液液面形成条件，并就滞液液面高程对边坡稳定性的影响进行了详尽分析[10]。邱贞波等研究了不同垃圾堆填高度和不同渗沥液液面条件下垃圾坝的稳定性，发现垃圾堆体液面高程对垃圾坝的稳定性影响较大[11]。黄志亮等建立了扩容后填埋场堆体边坡的计算模型，分析评价了三种不同工况边坡抗滑稳定性的影响[12]。杨逾等对液面高程、垃圾土的摩擦角、垃圾土的黏聚力进行敏感性分析，结果表明液面高程变化对安全系数的敏感度相对较大[13]。
长期服役填埋场垃圾堆填量不断累积，渗沥液存在形式可能发生变化，填埋体高度、坡度及渗沥液液面高程不断发生改变。仅就单一因素对垃圾堆体进行稳定性分析是不够的，分析多因素与垃圾堆体稳定性的关系，根据实时监测数据动态评估垃圾堆体稳定性，计算合理的堆填高度与堆填位置对实际工程具有重要的指导意义。
某填埋场于1994年建成并投入使用，设计总库容约462万m3。经过十几年的垃圾堆填和城区的不断扩大，一期工程已不能满足需要，于2007、2014年两次在原工程顶部进行扩建，设计总库容达到900万m3，如图 1所示。
图1 填埋场平面 mFig.1 A bird’s view of a landfill
根据现场资料，选取典型断面如图2所示，典型断面走势较陡，附近存在隧道、污水池、水位管。
a—实景；
b—典型断面，1∶100。图2 典型堆坡 mFig.2 Typical slopes
通过现场查勘确定最后一层黏土覆盖层厚度为43 m，渗沥液液面距地表12.7 m，垃圾体内渗沥液液面高程由定期对液面管内的液面测量所得。勘察报告中对不同年代垃圾土进行了分层分组试验，建议以各年份垃圾参数的平均值作为计算参数，密度为0.82 g/cm3，不排水剪切指标为19.33 kPa、17.54°，试验结果与文献[14]结果也较为符合。新进场未及时推平的垃圾荷载、用于填埋垃圾的行车道板荷载、机械荷载等是坡顶荷载的主要组成部分。新进场垃圾堆填范围近似一长方形，长、宽约为38，23 m。生活垃圾填埋场使用平面为8.0 m×1.5 m、每块约3 t的钢板路基箱铺在垃圾上作为行车道板，提高垃圾承载力，以此解决车辆进入填埋场的问题。实际用于堆放垃圾的范围长、宽约为30，15 m，荷载分布如图3所示，H代表新进场垃圾堆填高度。
图3 坡顶荷载分布 mFig.3 Loads on the top of slopes
极限平衡理论是经典的边坡稳定性分析方法[15]，以摩尔-库仑准则为基础，将潜在滑移面内的土体划分为若干土条，通过土条的平衡条件建立静力平衡方程，从而求解安全系数。若土坡沿某一滑面滑动，则在该滑面上的任一点的土体达到极限平衡状态，如式(1)所示：
τf=c′+σ′tanφ′=c′+(σ-u)tanφ′
(1)
式中：τf为抗剪强度；
c′为有效黏聚力；
σ′、σ为滑面上的有效应力和总应力；
φ′为有效摩擦角；
u为孔隙水压力。
极限平衡分析常用的方法有瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法等，这些方法不同之处主要在于对平衡条件、条间力以及条间力关系的假定不同。目前关于各方法之间的对比分析研究已经相当充分[16-19]，计算采用较严密的Morgenstern-Price法[20]，该方法考虑了土条间法向力和切向力，假定两相邻土条法向条间力与切向条间力之间存在函数关系，该方法同时满足整体力和力矩的平衡条件，考虑坡内静水和渗流对边坡稳定影响，适用于任意形状的滑动面。
安全系数通常有两种定义方法：一种是通过加大外力以达到极限平衡状态，具有超载系数的性质；
另一种是通过降低材料的强度达到极限平衡状态，具有强度储备系数的性质。Bishop定义了如下的安全系数具有强度储备的性质，即安全系数为整个滑动面上的抗剪强度与达到平衡所须的剪应力之比：
(2)
式中：τf为滑面上的抗剪强度；
τ为达到平衡所须的剪应力。
采用在Geo-Studio商业软件中的SLOPE/W模块下选择Morgenstern-Price法作为计算方法，条间力分布函数选择半正弦函数。建立几何模型后，定义垃圾土参数并设置水位条件和滑移面进出口范围，对垃圾填埋场典型断面不同工况下的稳定性展开计算，使用滑动面自动搜索功能搜寻最危险滑动面(边坡稳定性系数最小的滑动面)。根据CJJ 176—2012《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》规定，该工程安全等级为一级，边坡稳定安全系数应大于1.35。
2.1 填埋体现状稳定性评价
2.1.1计算工况
对典型断面考虑不同工况下的稳定性，各工况如表1所示。
表1 稳定性计算工况Table 1 Working conditions for stability
工况1，不考虑渗沥液的影响，相当于堆填体内无地下水位影响情形；
工况2，采用实测渗沥液液面高程，考虑2012年前垃圾填埋过程中的黏土覆盖层，土层间考虑黏性土覆盖层的滞液作用；
工况3，考虑在极端不利条件下，防渗膜及黏土覆盖层滞液作用未发挥，每层垃圾土间渗沥液贯通，在填埋体内形成整体稳定渗流的工况。
2.1.2计算结果
分别开展了圆弧滑动和非圆弧滑动计算分析，限于篇幅，只展示典型堆坡非圆弧滑动稳定性计算结果，如图 4所示。
a—工况1计算结果；
b—工况2计算结果；
c—工况3计算结果。图4 典型堆坡非圆弧滑动稳定性计算 mFig.4 Calculations for non-circular sliding stability of slopes
整理不同渗沥液赋存形式的计算结果如图5所示，典型断面在工况1、2下，堆填体内无论是非圆弧滑动破坏或圆弧滑动破坏，安全系数均大于1.35，满足现行标准的要求；
对比工况1、2，堆填体内从无液到滞液，安全系数降低，可见堆填体内渗沥液的存在对填埋体的稳定性有重要影响；
工况3在两种滑动方式下，计算安全系数均小于1.35，不满足CJJ 176—2012的要求，说明填埋体极有可能出现失稳状况；
对比工况2与3，渗沥液的状态从滞液到形成整体渗流，安全系数再次降低，可见渗沥液存在的状态对堆填体稳定性有重要影响。
2.2 考虑渗沥液液面高程变化对堆填体长期稳定性影响分析
随着渗沥液液面高程的提高，孔压增大，滑动面上的垃圾强度指标降低，造成垃圾体稳定性的降低，故有必要考虑渗沥液液面高程变化对堆体稳定性的影响。因此须考虑典型断面在工况2的基础上液面高程最大变化2 m范围内的稳定性。给出拟合曲线和警戒液面高程计算值随液面高程变化规律如图6 所示。
非圆弧滑动；
圆弧滑动。图6 典型堆坡稳定性随渗沥液液面高程变化Fig.6 Stability changes of slopes with leachate levels
堆填体内无论是非圆弧滑动破坏还是圆弧滑动破坏，随着渗沥液液面高程的上升，堆填体安全系数减小，稳定性降低。根据最危险断面的计算结果，建议在运营中保证渗沥液液面高程不能比现有液面高程高2.4 m。
2.3 新进场垃圾堆填高度对堆体稳定性影响分析
垃圾堆体的稳定性除受渗沥液影响之外，堆体上部的荷载对堆体稳定性也有重要影响。堆体上部荷载主要包括新进场垃圾荷载、机械荷载、用于行车的道板荷载等。考虑新进场垃圾的不断积累，随着堆填高度的增加，堆体稳定性将发生变化。
对典型断面，考虑在现在断面形状及渗沥液液面高程的情况基础上，按前所述荷载填加方法及添加范围，分别计算垃圾堆填高度达5，10，15，20 m时堆体稳定性，并分析随堆填高度增加，堆体稳定性变化情况。限于篇幅，只展示非圆弧滑动下垃圾堆填高度为5 m的稳定性计算结果，如图7所示。拟合曲线和警戒堆填高度计算值如图8所示。
图7 垃圾堆高度为5 m时断面非圆弧滑动下稳定性计算结果 mFig.7 Stability calculation results of slopes with rubbish dump hieght of 5 m
非圆弧滑动；
圆弧滑动。图8 典型堆坡稳定性随垃圾堆填高度变化Fig.8 Section stability with landfill heights
从图8可见：堆填体内无论是非圆弧滑动破坏或圆弧滑动破坏，断面的安全系数随着垃圾堆填高度的增加而减小，稳定性降低，计算得到垃圾堆填高度警戒值为8 m。建议堆高根据现场实际情况宜控制在4 m，最高不超过6 m，按照现控制标准计算(控制高度6 m，堆填面积15 m×30 m，垃圾密度0.7 t/m3)，每日进场垃圾量应控制在1 900 t以下。
2.4 新进场垃圾堆填高度及渗沥液液面高程变化共同作用下堆体稳定性影响分析
前文给出了单因素影响下警戒液面高程值及警戒垃圾堆填高度值。当填埋场遭遇强降雨等不利因素引起渗沥液液面高程短时间内显著变化时，堆填过程中，考虑堆填垃圾高度变化的同时，须考虑渗沥液液面高程变化的影响。此外，通过分析垃圾堆填高度及渗沥液液面高程共同作用对堆体稳定性的影响，可以确定某一堆填高度下允许液面高程及某一液面高程下允许垃圾堆填高度。故下面对断面1进行双因素共同作用下堆体稳定性影响分析。
对典型断面分别计算垃圾堆填高度为5，10，15 m时，渗沥液液面高程分别为-2，-1，1，2 m条件下堆体的安全系数。计算结果如表2所示。
可见，安全系数与渗沥液液面高程及垃圾堆填高度间呈线性关系，双因素共同作用下，考虑安全系数与两者之间为线性关系，对表2计算结果进行线性回归分析：
表2 双因素影响下堆坡安全系数Table 2 Safety factors of landfill slopes influenced by two factors
非圆弧滑动下，回归方程为：Fs=-0.033 9H-0.096 8h+1.602 7，判定系数R2=0.96。
圆弧滑动下，回归方程为：Fs=-0.028 1H-0.099 7h+1.739 5，判定系数R2=0.98。
依据回归方程，给出任意垃圾堆填高度和液面高程就可以得到相应的安全系数，见图9，以此评估施工的合理性。
2.5 新进场垃圾的堆填位置对堆体稳定性影响
新进场垃圾堆填位置对堆体稳定性亦有影响。通过将垃圾荷载向坡体后方移动以反映堆填位置改变，分别计算荷载向后移动-6，-4，-2，0，5，10，15，20，25 m情况下堆体的稳定性，计算结果如图10、11所示。
图10反映了垃圾堆填高度为5，10，15 m时，不同渗沥液液面高程下堆填位置后移对安全系数的影响。从中可看出：相同堆填高度位置下，安全系数随渗沥液液面高程的增大而减小。相同渗沥液液面高程下，堆填位置后移10 m范围内安全系数略有下降，从后移10 m开始，随着后移距离的增加，安全系数逐渐增大。
a—非圆弧滑动下；
b—圆弧滑动下。图9 典型堆坡双因素回归方程Fig.9 Two-factor regression equations of slopes
a—垃圾堆填高度5 m；
b—垃圾堆填高度10 m；
c—垃圾堆填高度15 m。—液面高程为-1 m；
—液面高程为0 m；
—液面高程为+1 m。图10 渗沥液液面高程对堆体安全系数影响Fig.10 Influence of leachate levels on safety factors
图11分别对应渗沥液液面高程为-1，0，1 m时，不同垃圾堆填高度下堆填位置后移对安全系数的影响。可见，同一垃圾堆填高度下，在对应的渗沥液液面高程下，堆填位置向前移动4 m范围内安全系数有所降低，当前移距离大于4 m时降低明显，故堆填范围最多前移4 m，且当堆填高度过高或在对应的渗沥液液面高程上升明显时严禁堆填位置前移，应保持堆填位置不变或适当后移。向后移10 m范围内安全系数略有下降，从后移10 m开始安全系数逐渐增大，不同堆填高度间安全系数差值减小，当后移距离达到25 m时，不同垃圾堆填高度下堆体安全系数相同，说明此时上部荷载对坡体最小安全系数无影响，可不考虑上部堆载对坡体稳定性的影响。
a—渗沥液水位高程为-1 m;b—渗沥液水位高程为0 m;c—渗沥液水位高程为+1 m。—垃圾堆填高度5 m；
—垃圾堆填高度10 m；
—垃圾堆填高度15 m。图11 垃圾堆高位置对堆体安全系数影响Fig.11 Influence of position of landfill heights on safety factors
根据以上计算分析，可能造成该填埋场安全问题主要原因为：1)垃圾堆填速度快，填埋作业面有限，对下部垃圾堆体稳定性产生不利影响；
2)新填埋区渗沥液液面较高，由于垃圾本身密度小，渗沥液的浮力及渗透力对垃圾堆体稳定性产生不利影响；
3)新填埋区垃圾堆填方式与老垃圾堆填方式不同，原来垃圾堆填过程中，每堆填8～10 m高就会设置一中间覆盖黏土层，可以隔开上、下两层垃圾中的渗沥液；
而现在采用行车道板填埋垃圾，利用防渗膜作为中间覆盖，致使上、下层垃圾中的渗沥液容易联通，形成连续渗流，对垃圾堆体稳定性不利。
根据对不同因素影响下堆体稳定性分析结果，针对堆填现场可能出现的安全隐患，提出以下处置措施建议：
1)通过现场监测和理论分析，抽排竖井迫降水位是最直接、有效的应急抢险措施。填埋过程中应定期对堆体内渗沥液液面高程变化情况进行监测，当液面接近警戒位时，应进行应急抢险：a.及时采取应急措施降低液面高程，如采用小口径抽排竖井快速迫降渗沥液液面高程。b.停止垃圾进场，将坡顶堆填垃圾适当清除。
2)堆填过程中，新进场垃圾应及时推平，堆填高度不宜过高，最大填高控制在6 m以下，日均垃圾进场量控制在1 900 t。雨季垃圾堆填过程中，进场垃圾含水率很高，抗剪强度比老垃圾低且新填垃圾无凝聚力，呈现散粒体材料特性，为防止降雨导致局部堆体渗沥液液面升高，出现局部表层溜滑，应密切监测液面高程数据。当液面比现状液面高程高出1.0 m时，应将堆填高度控制在4 m以下，对应日均垃圾进场量控制在1 300 t以下；
当液面比现状液面高程高出1.8 m时，应将堆填高度控制在2 m以下，对应日均垃圾进场量控制在700 t以下。
3)堆填过程中，垃圾堆放严格按照设计断面施工，临时堆放不能超过设计堆填界限4 m，且当堆填高度过高或水位上升明显时，需要严格控制垃圾堆填范围严格按照设计堆填位置作业，确保堆填位置不变或适当后移。
对某填埋场垃圾堆体稳定性分别考虑渗沥液赋存形式和高程、新进场垃圾堆填高度及位置，开展了极限平衡稳定分析，根据稳定分析结果，给出以下结论和建议：
1)垃圾体内的渗沥液对填埋场安全性有较大影响。当渗沥液导排系统有效工作时，垃圾体内渗沥液及时排除，垃圾体稳定性能得到有效控制；
坡体内渗沥液以分层滞液形式存在时的堆体稳定性，高于渗沥液在坡体内贯通后形成整体渗流时的稳定性；
对于极端情况，原垃圾土层间黏性土及防渗膜的滞液作用受各种不利因素影响失效，垃圾土层内渗沥液贯通，原以滞液形式存在的渗沥液在坡体内形成整体渗流，垃圾体稳定性显著降低，可能导致边坡失稳。
2)渗沥液液面与坡体稳定性之间存在明显规律。在大量计算基础上给出了不同断面坡体安全系数与渗沥液液面高程之间关系，确定了不同断面对应的警戒液面高程；
根据最危险断面计算结果，建议在运营中控制渗沥液液面高程不得比现有液面高程高2.4 m。
3)堆体安全系数与垃圾堆填高度间存在良好的线性关系。根据两者间关系确定不同断面对应的警戒垃圾堆填高度，最终计算警戒值为8 m；
建议堆高根据现场实际情况宜控制在4 m，最高不超过6 m，每日进场垃圾量应控制在1 900 t以下。
4)考虑渗沥液液面高程和垃圾堆填高度共同作用下堆体的安全稳定性变化规律。对三者关系进行回归分析，根据回归式和安全系数，可以确定某一堆填高度下允许渗沥液液面高程或某一渗沥液液面高程下允许垃圾堆填高度。
5)分析了堆填位置对堆体稳定性的影响。堆填位置前移堆体稳定性降低，堆填位置后移一定距离后，堆填垃圾对堆体稳定性减小直到可忽略堆载对堆体稳定性的影响；
根据计算结果给出在现有渗沥液液面高程条件下，堆填前移位置允许变化范围不宜超过现有界限4 m。