【doc】填埋场垃圾体的安全稳定性分析

填埋场垃圾体的安全稳定性分析
第15卷第6期
2005年6月
中国安全科学
ChinaSafetyScienceJournal
V o1.15No.6
Jun.2005
填埋场垃圾体的安全稳定性分析
张志红
(北京交通大学土木建筑工程学院)
饶为国高级工程师
(郑州市公路管理局)
学科分类与代码:620.5020
【摘要】卫生填埋场是一种安全经济,行之有效的固体废弃物最终处置方案.笔者总结分析了固体废弃
物填埋场边坡不稳定问题以及其稳定破坏的类型和破坏机理,影响填埋场垃圾体稳定性的因素等,研究表明固体
废弃物的强度指标,填埋体中淋滤液的饱和度,边坡角度和浸润线的埋深,以及填埋年代等因素都会影响填埋场垃
圾体的稳定性.在此基础上,指出了目前填埋场垃圾体稳定问题研究的
不足,提出了相关建议.
【关键词】卫生填埋场;固体废弃物;边坡稳定性;垃圾体SafetyandStabilityAnalysisonDumpingGroundGarbage
ZHANGZhi-hong
(SchoolofCivil&ArchitectureEngineering,BeijingJiaotongUniversity) RAOWei-guo,SeniorEngineer (ZhengzhouHighwayAdministration) Classificationandcodeofdisciplines:620?5020
Abstract:Thesanitarydumpinggroundisasafe,economic,effectiveultimatedi spositionprotocolofsolidwastes.Thecauses ofinstabilityoftheslopeatsolidwastedumpingground,typesofslopedeteriorat ion,mechanismofdeterioration,andfactorsin—fluencingthestabilityaresummarizedandanalyzed.Resultsshowthatthestren gthindexesofsolidwastes,thesaturationdegreeof
leachingliquid,slopeangle,embeddeddepthanddumpingtimeetc.wouldaffec tthestabilityofdumpinggroundgarbage.Au—thorsindicatethatthestudyonthestabilityofdumpinggroundgarbageisquitein sufficient.
Keywords:SanitarydumpinggroundSolidwasteSlopestabilityGarbage
1引言
卫生填埋垃圾处理是目前中国城市生活垃圾处理的主
要手段,一种垃圾处理的最终方法.过去通常认为填埋场边
坡失稳后可以将垃圾放回原来的位置而使这一问题得以弥补,所以填埋场的稳定问题在很长一段时间内都没有引起足够的重视,由于不重视填埋场的安全分析却给人们留下了惨痛的教训.
填埋场边坡失稳现象无论在国内还是国外都时有发生.
例如,1988年位于美国Ketfleman山的一个垃圾填埋场就发生了失稳,水平位移达到35英尺,修复工作大费周折;
1996年夏西班牙一个与深圳下坪垃圾填埋场相类似的垃圾填埋场,发生了数以百万吨计的垃圾崩泻,造成数人死亡及
数百万美元的财物损失;1996年3月9日,美国的俄亥俄州辛辛那堤发生了历史上最大的填埋场的滑坡,大约120万m]的Msw(城市固体废弃物,Municiplasolidwaste)发生了失稳滑动;2000年7月10日菲律宾首都马尼拉附近的一座大型垃圾填埋场因暴雨而滑塌,造成了218人被活埋,100余人失
踪的重大惨剧,塌下的垃圾厚达10m;2002年6月14日晚重庆沙坪坝区凉枫垭垃圾场也因暴雨滑塌,4o万m]垃圾呼啸而下,将山坳碎石厂的3层楼宿舍吞没,死亡10人.上述案
例为填埋场的运营,扩容和稳定提供了深刻的教训.
因此,在设计垃圾堆体以及挖掘边坡时的稳定性已成为
填埋场系统设计和安全分析的一个非常重要的方面,许多学者对填埋场的稳定问题作了深入而细致的研究,已取得很大进展.
2国内外填埋场边坡安全设计研究
填埋场边坡稳定分析乃至合理的边坡设计是关系填埋
场经济和安全的重要问题:填埋场边坡坡度过缓,将减少填埋场的垃圾容量;但边坡坡度过陡,易引起边坡失稳.填埋
场边坡失稳常引起填埋场渗滤液泄漏,污染周围环境,给国民经济造成难以挽回的损失,已经引起了岩土工程界的高度
第六期张志红等:填埋场垃圾体的安全稳定性分析’109’
关注.
国外Mitchellll等人曾就美国加州KettlemamHill填埋场
边坡滑动进行检验,发现用传统2一D分析安全系数约为1.20～1.25,但采用3一D分析则安全系数为1.08,若考虑填埋体湿度,则安全系数降至1.0l.从整体而言,现场安全系
数应在0.851.25之间,环境改变很容易引起填埋场边坡失稳.在此基础上,进一步对填埋场的稳定进行了土工分析,
提出了填埋场设计施工的指导建议.
在国内,陈云敏_2j等人结合某卫生填埋场工程,计算分
析了填埋场的边坡稳定性,讨论了填埋场中渗滤液的饱和度,边坡角度和浸润线埋深对填埋场边坡稳定的影响.
3填埋场垃圾体稳定性问题的产生
原因
填埋场垃圾体不稳定是由于下列原理产生的:
(1)天然边坡本身不够稳定(对山谷型填埋场).
(2)人工开挖边坡坡度太大,或是坡脚开挖降低了天然
边坡的稳定性(对山谷型或平面型地下式填埋场).
(3)地基承载力不足,尤其是地基土为软粘土或其他可
压缩土时(平面型或某些山谷型填埋场).
(4)固体废物抗剪强度低,压缩变形大.
(5)作为中间盖层的压实粘土抗剪强度低.
(6)地表水,渗滤液,气体导排系统有可能发生故障,造
成填埋体孔隙压力过大.
(7)填埋体与天然土体在接触部位有可能产生不利于
边坡稳定的相互作用.
(8)裂隙粘土的自然软化,蠕动,渐进破坏与其他可能
影响边坡土体或填埋体长期行为的作用.
4填埋场边坡稳定破坏类
4.1填埋场的稳定破坏类型
填埋场在开挖和填埋期间,以及在封闭后,可能出现各
种不同的破坏模式,其破坏机理也不同.几种潜在的破坏模式如图l所示,大致可分成下列类型:
(1)边坡及衬垫底部土体发生整体滑动破坏[见
图l(a)].
浅层或局部滑
图1(a)边坡及坡底破坏
这种破坏类型可能发生在开挖或铺设衬垫系统但尚未
填埋时.图中仅表示了地基产生圆弧滑动破坏的情况,但实际上由于软弱层及裂缝所导致的楔体或块体破坏也不能忽视.这种破坏模式可用常规的岩土勘探和边坡稳定分析方法来评价.
(2)衬垫从锚沟中脱出及沿坡面滑动[见图l(b)].
锚沟
图1(b)衬垫系统从锚沟拔出
这种破坏通常发生在衬垫系统铺设时.衬垫与坡面之
间摩擦及衬垫各组成部分之间的摩擦能阻止衬垫在坡面上的滑移,同时由于最底一层衬垫与掘坑壁摩擦及锚沟的锚固作用也可阻止衬垫的滑动.其安全程度可由各种摩擦阻力与由衬垫系统自重产生的下滑力之比加以评价.
(3)沿固体废弃物内部破坏[见图l(C)].
图1(e)废弃物内部破坏
当废弃物填埋到某一极限高度时,就可能产生破坏.填
埋的极限高度与坡角和废弃物自身强度有关,这种情况可用常规的边坡稳定分析方法进行分析.
(4)沿废弃物内部及地基破坏[见图l(d)].
图1(d)破坏穿过废弃物,衬垫和地基
破坏可以沿着废弃物,衬垫及场地地基发生.当地基土
强度较小,尤其是软土地基,更容易发生这种破坏.这种类
型破坏的可能性常作为选择封闭方案的一个控制因素. (5)沿衬垫系统的破坏[见图l(e)].
废弃物的侧位移
图1(e)沿衬垫系统滑动破坏
图1填埋工程中几种可能破坏的形式示意图
复合衬垫系统内部强度较小的接触面形成一滑动单元.
这种破坏常受接触面的抗剪强度,废弃物自重和填埋几何形状等因素所控制.
(6)封顶和覆盖层的破坏
由土或土及合成材料组成的封顶系统(最终覆盖)用于
斜坡上时,抗剪强度低的接触面常导致覆盖层的不稳定而沿填埋的废弃物坡面向下滑动.
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第15卷
2005正
(7)过大的沉降
过大的沉降尽管不是严格意义上的一种稳定破坏.但
由于垃圾的压缩,腐蚀,分解产生过大沉降及地基自身的沉降可能导致淋滤液及气体收集系统发生破裂,填埋场的沉降会使斜坡上的衬垫产生较大的张力,可能导致破坏.此外,
不均匀沉降也可以使有裂缝的覆盖层和衬垫产生畸变,如果水通过裂缝进入填埋场也会对其稳定性产生不利影响.
所有这些破坏类型都可能由静荷载或动(地震)荷载引
发,在这些破坏类型中,衬垫系统的破坏最受关注,因为一旦衬垫破坏,填埋场的淋滤液就可能进入周围土体及地下水, 造成新的环境污染.
4.2固体废弃物的稳定破坏类型
固体废弃物由于其自身重力作用,其内部也会产生稳定
,/\,,/,\
/,
/~,/,,
(a)废弃物内部破坏
F,?-?—————-
(c)衬垫藉出的楔形破坏
性问题.图2表示邻近边坡的固体废弃物可能存在的几种稳定破坏类型.图2(a)表示在废弃物内部产生圆弧滑动,这
只有在废弃堆积很陡时才会发生,其分析方法与常规的土坡圆弧滑动相同,唯其抗剪强度参数的选择要十分小心.图2 (b)～(d)代表了当多层复合衬垫中存在有低摩擦面时可能发生的几种破坏情况,沿废弃物与土工膜,砂层与土工膜,土工膜与土工网及土工膜与湿粘土之间这些接触面发生滑动现象都有可能,如果fl;fJ破坏面发生在第二层土工膜的下面,则整个复合衬垫脱离锚沟沿此临界面发生破坏的可能性很大.
固体废弃物沿衬垫接触面滑动的稳定安全性评价,可采
用双楔体分析的方法.
(b)衬垫土楔形破坏
一,\\釜鹫
——————-
fd)衬垫拉断的楔形破坏
图2紧靠斜坡的固体废弃物几种可能的破坏形式
5填埋场边坡破坏机理[4]
填埋场边坡稳定分析,应从短期及长期稳定性两方面考虑,边坡稳定性通常与土的抗剪强度参数(总应力和有效应力强度指标),坡高,坡角,土的容重及孔隙水应力等因素有关.对土层剖面进行充分的岩土工程勘察和水文地质研究是很必要的.在勘察中,对土的表观描述,地下水埋深,标准
贯入击数应作详细记录并通过室内试验来确定土的各项工
程性质和力学性质指标.
短期破坏通常发生在施工末期.因边坡较陡,在开挖结
束后不久即发生稳定破坏.对于饱和粘土,由于开挖使土体内部应力很快发生变化,在潜在破坏区内孔隙水应力的增大相应地使有效应力降低,从而增大发生破坏的可能性.当潜在破坏区的变形达到极限变形时,就会出现明显的负孔压, 负的孔隙水应力消散常直接导致边坡稳定破坏.由于负孔压消散速率主要取决于粘土的固结系数和在破坏区的平均深度,而且土体的排水抗剪强度参数也随着负孔压的消散同时增大,边坡稳定的临界安全系数常常与负孔压消散完毕时相对应.
用太沙基固结理论可以估算出负孔压消散的时问,如若
一
边坡土体的固结系数C=0.01m/d,潜在破坏区平均深
度H=0.5m,已知对应于固结度为90%的时间因数
T=0.85,则孔压的消散需6年时间,因此,这种情况就属
于长期稳定破坏问题.
综合上述,以下两种情况需要进行稳定分析:
(1)施工刚刚结束.此时应考虑孔隙应力快速,短暂且
轻微的增长,对不排水强度指标进行修正后用于稳定分析.
(2)在负孔压消散一段时间后.用排水剪强度指标,应
考虑围压的减小(或增大)对强度参数的影响.
对于填埋场的覆盖,长期稳定似乎更关键,可用有效应
第六期张志红等:填埋场垃圾体的安全稳定性分析
力法进行分析.所用参数可由固结排水剪试验或可测孔压的固结不排水试验来确定,孔压可由流网或渗流分析得出, 安全系数取1.5.
6影响填埋场稳定的因素分析
固体废弃物的物理及工程力学性质等是影响填埋场系
统安全及稳定性的重要因素.对填埋场进行稳定分析时,关键在于其抗剪强度参数的选择,固体废弃物的强度指标对分析填埋场边坡稳定,甚至将来利用它来做地基需确定其地基承载力时是非常重要的.
能否正确地确定土的抗剪强度,往往是设计和工程成败
的关键所在,因而正确测定抗剪强度指标对工程实践具有重要的意义.
垃圾土的强度参数比较复杂,由于各地区垃圾成分相
异,填埋方法也有较大的差别,导致垃圾土强度指标存在较大的差异;其次,垃圾土自身成分极不均匀,常导致试验结果离散性较大.为了获得MSW的抗剪强度参数,迄今为止,国内外已采用了多种直接或间接手段,以期获得能真实反映垃圾土强度的指标.如室内试验有不同规模的三轴压缩试验, 无侧限抗压试验和直剪试验等L5.j;原位试验包括现场大型
直剪试验,十字板剪切试验,标准贯入试验和静力触探等;
也有人在填埋体边坡上根据载荷试验结果,结合边坡失稳状况反演垃圾土的强度指标,张季如等人利用旁压试验推求
了垃圾土的强度指标J.
室内试验包括重塑试样的直剪试验,由薄壁取样器或冲
击式取样器取样做三轴试验,以及无侧限抗压和抗拉试验等.现场试验主要在大直剪仪中进行.美国Maine州中心填埋场在现场制作了16ft的混凝土剪切盒,完成六组直剪试验,其法向力是通过堆放大的混凝土块加上的Ll.根据现
场大直剪试验的结果,凝聚力c=0～23kPa,内摩擦角
∞=24～41113
.
由破坏面或荷载试验结果反算强度参数的方法在很多
文献中提到过.通常要使c,同时满足两个平衡方程,然后
利用安全系数F:l求出两个未知数.由于有些填埋场的边
坡并未破坏,其F>l,所以求出的强度偏于保守.
表l和表2给出可用于MSW强度验算的有关资料,这些
资料大部分是根据工程实况反算和现场大直剪试验求得的. 室内试验由于需对废弃物重塑,试样尺寸又太小,其结果不甚可靠.表2给出的摩擦角是假定c=5kPa的条件下用简化Bishop法反算求出的.
这4个填埋场的边坡已建成多年,并未产生过大的变形
或有其他不稳定迹象,其安全系数估计可能大于1.3,因此,
即使使用F=1.2的结果也是偏于安全的.
表1可用于MSW强度验算的资料
资料来源试验方法结果备注
Pagottoeta1.(1987)由荷载板试验反算c=29kPa0:22.无废弃物类型及试验过程资料
Landvaeta1.(1990)室内直剪试验c=19～22kPa.=24.～39.法向应力达到480kPa,其中破碎垃圾强度较低未采用
Richardsoneta1.(1991)现场大直剪试验c=10kPa.=l8.一43.法向应力l438kPa,废弃物和覆盖的容重约为15kN/m
表2已建填埋场边坡反算结果(c=5kPa)[]
平均边坡最陡边坡废弃物强度
填埋场名称
高(m)坡比高(m)坡比F.=1.0F=1.1F.=1.2
LopezCanyon,Al20l:2.535l:1.7252729
0II.CA75l:220l:1.6283034
Babylon,NY30l:1.910l:1.25303438
PrivatelandU.0H40l:210l:1.2303437
除了填埋场的强度对填埋场的稳定影响很大,填埋体中
淋滤液的饱和度,边坡角度和浸润线的埋深对填埋场的稳定
性影响也很大.陈云敏等人通过分析杭州某填埋场边坡发
现,随着饱和度的增加,填埋场边坡的稳定系数逐渐降低;同
时,放坡系数的大小也直接影响填埋体的稳定;加大浸润线
的埋深,也有利于填埋场边坡的稳定性.
废弃物的填埋年代(指不同年代填埋场的组成成分,压实
方式和每日覆盖土的数量等)也是一个影响因素.例如,20世
纪60年代,用于包装的塑料制品数量猛增,Landva及clark_l] 注意到塑料袋间的摩擦角仅为9o,但废物流中的塑料制品并
未使城市固体废弃物的平均单位体积强度降至ndva及Clark曾测出一塑料含量极高的破碎废弃物的内摩擦角为24o. 另外有机质和纤维素含量以及废弃物的年龄和分解程度
也对城市固体废弃物的强度特性具有重要的影响-.
7结束语
(1)根据我国的实际情况,城市固体废弃物的安全填埋
是目前最为经济,方便和适用的处理方法,也是未来相当长
的时间内处理城市固体废弃物的主要手段.
(2)我国《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》(cJJl7—
2001)整个规范缺乏对卫生填埋场填埋过程及封场后废弃物的稳定性及变形验算的严格规定.仅对地基土的沉降做了规
定,对废弃物自身的沉降问题未做考虑,而这一点对填埋场的
排液排气系统,密封系统以及填埋场的库容是非常重要的. (3)该”规范”含糊地规定了要考虑封场后堆体的稳定
性,缺乏对填埋过程中废弃物堆场的外部及内部稳定性考
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虑,更缺乏对复合衬垫层与土体相互作用的考虑.
(4)作为特殊土的垃圾填埋体,其物理力学指标是设计
的基础资料,虽然国外早已开展了这方面的研究,国内也开
始了这方面的工作,但由于时间短,资料还不多,国内大多数
设计单位还没有掌握这些资料,更谈不上用来进行堆体边坡
稳定计算.
(5)填埋场过坡稳定分析乃至合理的边坡设计是关系
填埋场经济和安全的重要问题,因此,对垃圾堆体的稳定问
题不能掉以轻心,应引起岩土工程界的高度重视,尽力开展
这方面的研究工作.
(收稿:2004年11月;作者地址:北京市西外上因村;北京交通大学土木建筑工程学院;邮编:100044)
参考文献
1MitchellJK,SeedRB,SeedHB.WastelandfillslopefailureI:LinearSystemPr
operties[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvi—
ronlnent&lEngineering,1991,116(4):647～668
2陈云敏,王立忠,胡亚元等.城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析[J].土木工程,2000,23(3):92～97
3刘建国,聂永丰,白庆中.卫生填埋场结构稳定性问题分析[J].重庆环境科学,2001,23(1):62—66
4钱学德,郭志平,施建勇等现代卫生填埋场的设计与施工[M]北京:中国建筑工业出版社,2001
5GabrMA,V aleroSN,GeotechnicalPropertiesofMunicipalSolidWaste[J].G eotechnicalTestingJourna1.ASTM,1995,18(2):
24l～25l
6张振营,吴世明,陈云敏.城市生活垃圾土性参数的室内试验研究[J].岩土工程,2000,22(1):35～39
7陈云敏,王立忠,胡亚元等.城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析[J].土木工程,2000,33(3):92～97
8EidHT,StarkTD,EvansWD,eta1.MunicipalSolidWasteSlopeFailure.I:Wa steandFoundationSoilProperties[J].Journal ofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2000,126(5):397～407 9张季如,陈超敏.城市生活垃圾抗剪强度参数和测试与分析[J].岩石力学与工程,2003,22(1):110～114
10RichardsonG,ReynoldsD,GeosyntheticConsiderationsinaLandfillonCo mpressibleClays[A].ProceedingsofGeosynthetics’91
V ol2.StPaulMN[C].IndustrialFabricsAssociationInteITIati0na1.1991
11LandvaAD,ClarkJI.GeotechnicalofWasteFill[A].LandvaA,KnowlesGD. eds.GeotechnicsofWasteFills—theoryandPrac.
tice[C].Philadelphia:ASTMSTP1070,1990:86～103
12KavazangiansSJr,MatasovicN,BonaparteR,SehmertmannCR,Evaluatio nofMSWPropertiesforSeismicAnalysis[A]Pro—ceedingsofGeoEnvironment2000[C]GeotechnicalSpecialPublicationNo46 .NewOdeans,LA:ASCE,1995:24～26
13Landva,A,O.andClark,J.I.,GeotechnicalofWasteFill[A].Geotechnicsof WasteFills—theoryandPractice[C].ASTMSTP
1070,ArvidLandvaandG.DavidKnowles,Eds.,Philadelphia,1990:86～103 14Fassett,J.B.,Leonards,G.A.,andRepetto,P.C..GeotechnicalPropertiesof MunicipalSolidWastesandTheirUseinLand—
fillDesign[A].WasteTech’94,LandfillTechnology,TechnicalProceedings[C ].Charleston,SC,January13t014,1994
l5周健,王浩.现代卫生填埋场设计中的岩土工程问题[A].第一届全国环境岩土工程与土工合成材料技术研讨会论
文集[c],2002:217～220。