垃圾填埋場(chǎng)孔壓監(jiān)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析

1、第29卷 增2巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) V ol.29 Supp.22010年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept . ，2010收稿日期：20091203；修回日期：20100401 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50908140，垃圾填埋場(chǎng)孔壓監(jiān)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析張文杰1，2，林偉岸2，陳云敏2(1. 上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072；2. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058摘要：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)確定垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的孔壓，基于對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析得到填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液水位分布；取不同深

2、度的垃圾土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)測(cè)定其抗剪強(qiáng)度參數(shù)，利用極限平衡方法定量分析孔隙水壓力和孔隙氣壓力對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：該填埋場(chǎng)內(nèi)的滲濾液水位較高，由于中間覆蓋層的存在，使填埋場(chǎng)內(nèi)存在上層滯水；不同埋深垃圾土的抗剪強(qiáng)度不同，隨著埋深增加，垃圾土的有效黏聚力減小，有效內(nèi)摩擦角增加；滲濾液水位高低對(duì)填埋邊坡安全系數(shù)影響很大，上層滯水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，氣壓力對(duì)其穩(wěn)定性影響不大。 關(guān)鍵詞：邊坡工程；填埋場(chǎng)；孔壓；上層滯水；抗剪強(qiáng)度；穩(wěn)定性分析中圖分類號(hào)：P 642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10006915(2010增2362805PORE PRESSURE MONITORING AND

3、SLOPE STABILITY ANALYSIS OF AWASTE LANDFILLZHANG Wenjie1，2，LIN Weian2，CHEN Yunmin2(1. Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China ；2. MOE Key Laboratory of Soft Soils andGeoenvironmental Engineering，Zhejiang University，Hangzhou ，Zhejiang 310058，China Abstract ：Field mon

4、itoring is used to determine the pore pressure in a landfill；and the distribution of leachate level is obtained by analyzing the monitoring results. To determine the shear strength parameters of buried waste at different depths of the landfill，the triaxial test is conducted；and the influences of por

5、e water pressure and poreair pressure on slope stability of the landfill are analyzed quantitatively by using limit equilibrium method. The research results show that the leachate level is high，and there is perched groundwater in the landfill because of the existence of intermediate cover. The triax

6、ial tests demonstrate that the shear strengths for solid waste at different buried depths are different，and the effective cohesion of the buried waste decreases with buried depth，whereas the effective internal friction angle increases with buried depth. The leachate level can obviously influence the

7、 safety factor of landfill slope. The perched groundwater has a great influence on stability，whereas the pore air pressure has a minor impact on it.Key words：slope engineering；landfill ；pore pressure；perched groundwater；shear strength；stability analysis1 引 言目前，我國(guó)南方垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的滲濾液水位普遍較高，致使?jié)B濾液滲漏和擴(kuò)散加劇1，同時(shí)也對(duì)

8、填埋邊坡穩(wěn)定性造成威脅。R. M. Koerner和T. Y.Soong 2通過(guò)調(diào)查北美洲和歐洲發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)的10個(gè)填埋場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)其中7例失穩(wěn)都與填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液水位過(guò)高有關(guān)。填埋邊坡一旦失穩(wěn)，填埋場(chǎng)內(nèi)的有毒有害物質(zhì)將嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，特別是當(dāng)滲濾液水位過(guò)高時(shí)，其后果更具災(zāi)難性，如1997年美國(guó)一填埋場(chǎng)因滲濾液回灌導(dǎo)致水位過(guò)高而失穩(wěn)，1.2×第29卷 增2 張文杰，等. 垃圾填埋場(chǎng)孔壓監(jiān)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析 3629 106 m3垃圾攜帶滲濾液在20 min之內(nèi)沖出1.5 km，給周?chē)用窈铜h(huán)境造成重大損失3。因此，針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)填埋場(chǎng)滲濾液水位普遍過(guò)高的現(xiàn)狀，研究此條件下的填埋邊坡穩(wěn)定

9、性具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。X. D. Qian等3，4將填埋邊坡分為主動(dòng)和被動(dòng)楔體，建立兩楔體的平衡方程，分析填埋邊坡穩(wěn)定性；G . M. Filz等5使用極限平衡法和有限元法分析了Kettleman 填埋場(chǎng)的漸進(jìn)累積破壞；J. D. Bray等6，7進(jìn)行了填埋邊坡的地震穩(wěn)定分析，但上述分析都沒(méi)有考慮滲濾液水位的影響；T. D. Stark等8針對(duì)不同滲濾液水位高度進(jìn)行了填埋邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析；陳云敏等9考慮浸潤(rùn)線水位高度分析了國(guó)內(nèi)某填埋場(chǎng)失穩(wěn)實(shí)例，研究表明，隨滲濾液水位增加，填埋邊坡穩(wěn)定性大大降低。但這些研究都沒(méi)有考慮以下因素：(1 填埋場(chǎng)中不一定存在單一的滲濾液水位，在局部低滲透性垃圾或土

10、層之上，可能存在上層滯水，并未考慮它對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定的影響；(2 填埋場(chǎng)中不同深度處的垃圾土填埋齡期不同，降解程度不同，因此不同埋深的垃圾土抗剪強(qiáng)度可能有較大差別；(3 垃圾降解產(chǎn)生大量甲烷氣體，使填埋場(chǎng)中存在氣壓力，氣壓力將對(duì)堆體穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)，測(cè)得不同深度處的孔壓，分析得到填埋場(chǎng)中的水位分布；在鉆孔中取得垃圾土樣，進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，測(cè)得不同深度處垃圾土的抗剪強(qiáng)度；考慮垃圾土抗剪強(qiáng)度沿深度的變化，根據(jù)實(shí)測(cè)孔壓分析填埋邊坡的穩(wěn)定性。本研究有助于明確填埋場(chǎng)內(nèi)的孔壓和水位分布，明確孔隙水壓力和孔隙氣壓力對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定性的影響。2 孔壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)蘇州七子山垃

11、圾填埋場(chǎng)是20世紀(jì)90年代建設(shè)部填埋場(chǎng)建設(shè)的樣板工程，屬于山谷型填埋場(chǎng)，總庫(kù)容約4.7×106 m3，現(xiàn)填埋深度最大約35 m。由于滲濾液收集導(dǎo)排不暢、缺乏有效雨污分流措施、環(huán)庫(kù)截洪溝失效等原因，導(dǎo)致該填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液水位過(guò)高，場(chǎng)區(qū)局部已出現(xiàn)滲濾液側(cè)向滲漏、地表積水等現(xiàn)象。為探明填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液水位分布，沿填埋場(chǎng)中軸線共布置5個(gè)鉆孔，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖1 。垃圾具有降解特性，填埋場(chǎng)內(nèi)不斷產(chǎn)生大量甲烷，它和滲濾液形成泡沫，使得普通水位計(jì)不能準(zhǔn)確測(cè)量其水位，所以本文使用SZ 型差阻式滲壓計(jì)量測(cè)孔壓，所測(cè)數(shù)據(jù)為孔隙水壓力和孔隙氣壓力之圖1 場(chǎng)區(qū)局部地表積水及孔壓監(jiān)測(cè)照片 Fig.1 Photo

12、graph of accumulated surface water and fieldmonitoring at landfill area和。在該填埋場(chǎng)鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，地表下約10 m處存在一厚度為2030 cm的黏土層，為中間覆蓋層。因?yàn)轲ね翝B透性較低，其上可能存在上層滯水，所以在每個(gè)鉆孔中埋設(shè)3個(gè)滲壓計(jì)對(duì)不同深度處的孔壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)(期間有探頭和電纜損壞 。依靠鉆孔取樣時(shí)確定的中間覆蓋層位置，在該層上、下分別布置滲壓計(jì)，中間覆蓋層處用黏土泥球封孔，以阻止?jié)B濾液和氣體通過(guò)。另外，各孔口均有大量甲烷溢出，為安全操作，在地表處也用黏土封口。鉆孔及滲壓計(jì)布置如圖2所示。圖2各監(jiān)測(cè)孔中的數(shù)字和黑點(diǎn) 如(

13、8.0· 分別表示滲壓計(jì)埋深(從鉆孔最頂端算起，單位為m 和滲壓計(jì)位置。距離/m圖2 鉆孔及滲壓計(jì)布置圖 Fig.2 Layout of boreholes and osmometers高程/m水平比例尺：11 000垂直比例尺：1200 3630 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010年 監(jiān)測(cè)時(shí)間/年月日?qǐng)D3 1#監(jiān)測(cè)孔的孔壓Fig.3 Pore pressure of monitoring borehole #1壓力，故這2處的水頭不連續(xù)，說(shuō)明中間覆蓋層上存在上層滯水。需要注意的是，因?yàn)椴捎昧损ね练饪?，因此滲壓計(jì)測(cè)得的壓力為孔隙水壓力與孔隙氣壓力之和，圖2中5#監(jiān)測(cè)孔埋深1 m處滲壓計(jì)測(cè)得

14、的孔壓(即孔隙氣壓力 約17 kPa。由埋深8 m處1#監(jiān)測(cè)孔的孔壓計(jì)算得到，上層滯水位于地表下約4.7 m處；同理，由深度17 m處的孔壓計(jì)算得到主水位位于地表以下10.7 m處。各滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及水位埋深計(jì)算值見(jiàn)表1，計(jì)算出各孔的主水位和上層滯水水位，其水位分布見(jiàn)圖4。圖4表明，上層滯水水位與鉆孔取樣時(shí)的初見(jiàn)水位基本吻合；填埋場(chǎng)中主水位較高，且上層滯水規(guī)模較大，這可能對(duì)填埋堆體穩(wěn)定性造成一定影響。表1 各滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及水位埋深計(jì)算值Table1 Monitoring results and calculated values of waterburied depth of osmomet

15、ers監(jiān)測(cè) 孔號(hào) 深度/m孔壓/kPa上層滯水埋深/m主水位埋深/ma b c a b c1#8 17.0 25.0 50 80 140 4.7 10.72# 8 50 5.0 3# 8 17.0 25.0 43 36 140 5.4 15.14#8 14.7 25.6 50 100 110 6.0 16.35# 1 25.0 17 120 15.7注：同一監(jiān)測(cè)孔的孔壓對(duì)應(yīng)于相同序號(hào)的深度，如位于深度a 處的孔壓為a 。3 原狀垃圾土樣的中型三軸試驗(yàn)及結(jié)果為分析填埋邊坡穩(wěn)定性，需要確定垃圾土的抗剪強(qiáng)度。垃圾土中含有較多大尺寸顆粒，所以其抗距離/m圖4 填埋場(chǎng)內(nèi)的主水位和上層滯水分布Fig.4

16、Distribution of main water level and perched groundwaterin landfill剪強(qiáng)度需通過(guò)中型的三軸試驗(yàn)確定。為了考慮垃圾土抗剪強(qiáng)度隨埋深和填埋齡期的變化，鉆孔時(shí)在不同深度取得垃圾土樣，選取完整性較好的代表性土樣28個(gè)，試樣直徑為7998 mm，按埋深和填埋齡期將其分成8組，并分成淺層、中層、深層3大類，在室內(nèi)進(jìn)行三軸固結(jié)排水試驗(yàn)。試驗(yàn)得到主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的變化曲線，其中第一組試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，可見(jiàn)垃圾土表現(xiàn)出加工硬化的特性。應(yīng)變達(dá)到30%時(shí)強(qiáng)度還在繼續(xù)增長(zhǎng)，這是因?yàn)槔量紫侗却螅鋲嚎s性大，并且垃圾中含有大量塑料等纖維物

17、質(zhì)，導(dǎo)致了垃圾土的強(qiáng)度隨變形逐漸增大。填埋邊坡要同時(shí)滿足穩(wěn)定性和側(cè)向變形2方面的要求。分析結(jié)果10表明，取破壞應(yīng)變10%進(jìn)行穩(wěn)定性分析可以同時(shí)滿足以上要求，故本文選取10%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析。軸向應(yīng)變/%圖5 第一組試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the first group of specimens第一組試樣破壞應(yīng)變10%對(duì)應(yīng)的莫爾圓及強(qiáng)度包線如圖6所示。由圖6確定其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c = 24 kPa ，=14.7°。按填埋深度及填埋齡期將各組試樣的試驗(yàn)結(jié)果整理取平均值列入表2。由表2可知，隨著埋深增加(填埋齡期增加 ，垃圾土的

18、有效黏聚力c 減小(由21.6 kPa降到0 kPa，有效內(nèi)摩擦角增孔壓/k P a高程/m水平比例尺：11 000垂直比例尺：1200淺層垃圾上層滯水中層垃圾主水位深層垃圾主應(yīng)力差/k P a第29卷 增2 張文杰，等. 垃圾填埋場(chǎng)孔壓監(jiān)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析 3631 主應(yīng)力/kPa圖6 第一組試樣的莫爾圓及強(qiáng)度包線Fig.6 Mohr circles and strength envelope of the first group ofspecimens表2 各深度處垃圾土的參數(shù)取值Table 2 Parameters for solid waste at different buried

19、depths垃圾土分類 高程范圍/m填埋齡 期/a孔隙比密度/(g·cm 3c /kPa /(°天然 飽和 淺層 4055 2.06.0 2.30 0.97 1.23 21.6 9.6中層 3040 6.09.5 1.98 1.111.278.021.4加(從9.6°增加到29.5° ，這與X. D. Qian等3的結(jié)論一致，即抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化與垃圾降解有關(guān)。4 填埋邊坡穩(wěn)定分析填埋邊坡穩(wěn)定分析采用極限平衡方法中的Bishop 法，選取填埋場(chǎng)中軸線剖面，在指定圓心和半徑范圍內(nèi)自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。各層垃圾土的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，分析時(shí)考慮如下工況：(1 不

20、考慮水作用；(2 考慮填埋場(chǎng)中的主水位；(3 誤將上層滯水水位當(dāng)作主水位；(4 考慮主水位和上層滯水；(5 考慮主水位和上層滯水，并考慮氣壓力的影響(此為真實(shí)工況 。初步試算表明，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面出現(xiàn)在坡度較大、靠近垃圾擋壩處，故選擇此處進(jìn)行分析，另外，前幾種工況計(jì)算較簡(jiǎn)單，所以僅簡(jiǎn)要敘述。工況1：不考慮水作用。各層垃圾土取天然重度，計(jì)算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)s F = 3.30。工況2：考慮填埋場(chǎng)中的主水位。水下垃圾土取飽和重度，并考慮孔隙水壓力的影響，計(jì)算得到s F = 2.11，比工況1小1.19，可見(jiàn)滲濾液水位較大降低了穩(wěn)定系數(shù)。工況3：誤將上層滯水水位當(dāng)作主水位。此時(shí)填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液水頭達(dá)20

21、多米，場(chǎng)底孔隙水壓力很大，計(jì)算得到穩(wěn)定系數(shù)僅為1.02，填埋邊坡的穩(wěn)定性接近臨界狀態(tài)。工況4：考慮主水位和上層滯水。此時(shí)有2條水位線，使邊坡存在上部飽和區(qū)和下部飽和區(qū)，如圖7所示，上部飽和區(qū)和下部飽和區(qū)垃圾土均取飽距離/m圖7 考慮主水位和上層滯水時(shí)的邊坡計(jì)算簡(jiǎn)圖 Fig.7 Calculating sketch of slope considering main waterlevel and perched groundwater和重度，考慮孔隙水壓力的影響。計(jì)算得到s F = 1.63，比工況2小0.48，說(shuō)明上層滯水對(duì)穩(wěn)定系數(shù)影響較大。工況4的計(jì)算結(jié)果比工況3大0.61，說(shuō)明誤把上層滯水

22、位當(dāng)作主水位的計(jì)算結(jié)果明顯偏低。工況5：考慮主水位和上層滯水，并考慮氣壓力的影響，即真實(shí)工況。因?yàn)橛行?yīng)力定義為土顆粒間的接觸應(yīng)力，所以孔隙氣壓力的存在將使有效應(yīng)力減小，通過(guò)監(jiān)測(cè)邊坡潛在滑動(dòng)面處的測(cè)壓管水頭(見(jiàn)圖8 ，分析孔隙氣壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。在邊坡潛在滑動(dòng)面處A 點(diǎn)，測(cè)壓管中的水頭包含兩部分：與水壓平衡的水頭和與氣壓平衡的水頭，即w h =w w /u +a w /u (1式中：w h 為A 點(diǎn)測(cè)壓管水頭，w u 為孔隙水壓力，a u 為孔隙氣壓力。圖8 邊坡潛在滑動(dòng)面處的測(cè)壓管水頭Fig.8 Piezometric head at potential slip surface of

23、 slope由有效應(yīng)力原理，該點(diǎn)有效應(yīng)力為n w w n a w ( Ah u u =+ (2 式中：n 為滑動(dòng)面上A 點(diǎn)的總法向應(yīng)力。由式(2可知，孔隙氣壓力越大，滑動(dòng)面上有效應(yīng)力越小，滑動(dòng)面處的抗剪強(qiáng)度越低，從而使得邊坡穩(wěn)定性也越低。本文現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的孔壓為孔隙氣壓力和孔隙水壓力之和，即a w u u +。將各滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)得到的a w u u +值標(biāo)于邊坡中(見(jiàn)圖9 ，考慮孔隙氣壓力計(jì)算安全系數(shù)。假定孔壓呈線性變化，則用線性插值的剪應(yīng)力/k P a高程/m監(jiān)測(cè)孔1最危險(xiǎn)滑動(dòng)面u a /w測(cè)壓管u w /w 坡面浸潤(rùn)線滑動(dòng)面Au a 3632 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010年 距離/m注：圖中僅

24、標(biāo)出位置，未標(biāo)數(shù)值的孔隙氣壓力均為17 kPa圖9 考慮孔隙氣壓力的邊坡計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：kPaFig.9 Calculating sketch of slope considering pore air pressure(unit：kPa方法可求得任意一點(diǎn)的孔壓，為了使插值更加精確合理，圖9中增加了輔助線1，2，并根據(jù)水位深度 設(shè)置了幾個(gè)插值參照點(diǎn)。另外，水位線處以及不飽和區(qū)的孔隙氣壓力均取17 kPa。通過(guò)插值求得不同滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的各土條底面處的孔壓后，可確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，其值s F = 1.55，比工況4(不考慮氣壓力時(shí) 減小約0.08，說(shuō)明氣壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大。以上各

25、工況的計(jì)算表明：滲濾液水位高低對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定性影響很大，上層滯水對(duì)穩(wěn)定性影響較大，誤將上層滯水當(dāng)作主水位進(jìn)行計(jì)算得到的安全系數(shù)明顯偏低，氣壓力對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定性影響不大。因此，為分析填埋邊坡穩(wěn)定性，很有必要掌握填埋場(chǎng)內(nèi)的水位分布規(guī)律。5 結(jié) 論本文在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的孔壓監(jiān)測(cè)，取得了寶貴數(shù)據(jù)，進(jìn)行三軸試驗(yàn)測(cè)得不同深度處垃圾土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，考慮填埋場(chǎng)水位分布和氣壓力以分析邊坡穩(wěn)定性，得出如下主要結(jié)論：(1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析表明：該填埋場(chǎng)中存在上部飽和區(qū)和下部飽和區(qū)，中間覆蓋層以上的上層滯水規(guī)模較大，該填埋場(chǎng)內(nèi)的氣壓力約17 kPa。(2 室內(nèi)三軸試驗(yàn)表明：垃圾土的抗剪強(qiáng)度隨埋深和填埋齡期變化較大

26、，隨著深度增加(填埋齡期增加 ，垃圾土的有效黏聚力減小，有效內(nèi)摩擦角增加。(3 邊坡穩(wěn)定性分析表明：滲濾液水位高度對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定性影響很大，誤將上層滯水水位當(dāng)作主水位使穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯著偏低，上層滯水對(duì)穩(wěn)定性影響較大，孔隙氣壓力對(duì)填埋邊坡穩(wěn)定性影 響不大。參考文獻(xiàn)(References：1 ZHANG W J，QIU Q W. Analysis of contaminant migration throughvertical barrier walls in a landfill in ChinaJ. Environmental Earth Sciences ，2010，61(4：84785

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