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设坝垃圾填埋场沿底部衬里滑动的稳定性分析 ① 袁深根1, 贺建清2, 胡 伟2, 高文华2 (1.湘潭建筑设计院,湖南 湘潭 411100; 2.湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室,湖南 湘潭 411201) 摘 要 考虑填埋场底部衬里极限破坏界面转移和垃圾坝的作用,将填埋场分为垃圾坝、被动楔体、两个中间楔体和主动楔体 5 个 部分,分别对每个部分进行极限平衡分析,并建立了平衡方程,求解填埋场沿底部复合衬里界面滑动的安全系数。 结合工程实例分 析了垃圾坝、垃圾土及填埋场底部衬里界面剪切强度对填埋场稳定性的影响,分析结果表明,垃圾土粘聚力 csw、内摩擦角 φsw增加, 填埋场安全系数 Fs呈线性小幅增长,φsw对 Fs的影响略大于 csw。 随着坝底界面粘聚力 cd和摩擦角 δd增加,Fs逐渐增大,且与 cd 近似呈线性关系,δd对 Fs的影响大于 cd。 增加垃圾坝坝高 H2、减小坝背倾角 η,Fs增大。 填埋场底部衬里界面粘聚力 cb和摩擦角 δb增加,Fs增大,并与 cb近似呈线性关系。 高法向应力界面的强度指标对 Fs的影响程度远大于低法向应力界面的强度指标,δb对 Fs的影响尤为显著。 关键词 填埋场; 防渗; 复合衬里; 稳定性; 垃圾坝; 破坏面转移 中图分类号 TU44文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.04.006 文章编号 0253-6099(2019)04-0025-06 Stability Analysis for Translational Sliding along the Bottom Liner System of Landfill with a Retaining Dam YUAN Shen⁃gen1, HE Jian⁃qing2, HU Wei2, GAO Wen⁃hua2 (1.Xiangtan Architectural Design Institute, Xiangtan 411100, Hunan, China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan, China) Abstract Considering the translation of failure surface of the bottom liner system of a landfill and the influence of the retaining dam, the landfill was divided into five parts a retaining dam, a passive wedge, two interwedges and an active wedge, for which limit⁃equilibrium analysis was conducted separately. Then, an equilibrium equation was established to calculate the safety factor (Fs) of the landfill with sliding along the bottom liner system. The influences of the retaining dam, solid waste and the interface shear strength of the bottom liner on the stability of the landfill were analyzed based on engineering examples. It is found from the analysis that Fsof landfill shows a slight linear growth with the increase of internal friction angle (φsw) and cohesive force (csw) of the solid waste, and φswhas a slightly greater impact on Fsthan csw. And Fsalso gradually increases with the increase of the interface cohesive force (cd) and the interface friction angle (δd) between the dam and base, but is more highly influenced by δdand shows an approximate linear relationship with cd. Increasing the dam height (H2) or decreasing the back inclination angle (η) of the retaining dam can increase Fs. Increasing the interface cohesive force (cb) and interface friction angle (δb) of the landfill bottom liner system can also increases Fs, which shows an approximately linear relationship with cb. Comparing to the conditions at low normal stress, the interface strength indexes,specially δb, at high normal stress can bring much greater impact to Fs. Key words landfill; seepage⁃proofing; composite liners; stability; retaining dam; translation of failure surface 卫生填埋是国内目前处置城市生活垃圾的主要方 式。 为防止垃圾渗沥液对填埋区域地下水环境造成污 染,填埋场必须进行防渗处理。 按生活垃圾卫生填 埋场防渗系统工程技术规范(CJJ 113-2007)要求, 一般采用复合衬里防渗系统[1]。 虽然复合衬里防渗 系统具有良好的防渗效果,但由于粘土与土工合成材 料界面、土工合成材料与土工合成材料界面之间的抗 剪强度较低,使得填埋体容易沿底部复合衬里界面发 ①收稿日期 2019-01-05 基金项目 国家自然科学基金(41272324);湖南省自然科学基金(2017JJ4039) 作者简介 袁深根(1964-),男,湖南浏阳人,高级工程师,主要从事工程设计工作。 第 39 卷第 4 期 2019 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №4 August 2019 万方数据 生滑移破坏。 近 20 年来全球发生的 15 例大型垃圾填 埋场失稳事件中,11 例为垃圾体沿衬里系统的平移破 坏,仅 4 例为垃圾体内部的圆弧滑动破坏,且所有采用 了复合衬里防渗系统的垃圾填埋场其破坏形式均为破 坏面沿衬垫系统的平移破坏[2]。 1988 年,美国 Kettleman Hills 填埋场发生了破坏面 沿衬垫系统的平移破坏,文献[3-5]分析了 Kettleman Hills 填埋场的稳定性,探讨了该填埋场沿底部复合衬 里系统平移破坏的机制。 考虑填埋场沿衬里系统平移 破坏,滑动面为已知,文献[6-7]将填埋场分为主动和 被动楔体,提出了双楔体分析法,但该法仅适用于不设 垃圾坝的填埋场。 工程实际中,无论是山谷型垃圾填 埋场,还是横向扩建的垃圾填埋场均建有垃圾坝,以形 成初始库容,阻隔渗沥液渗出,同时增加填埋场的整体 稳定性,文献[8]在文献[6-7]研究的基础上,将填埋 场划分为主动楔体、被动楔体和垃圾坝 3 部分,进行了 垃圾填埋场沿底部衬里系统破坏的稳定性分析。 有研 究发现,复合衬里系统的平移破坏界面并非固定不变 的,随着界面法向应力的变化,发生由一个界面向另一 界面转移、且在一定的法向应力范围内还可能同时出 现相同剪切强度的极限破坏界面[9-12]。 本文在文献[13-14]的研究基础上,将设坝填埋 场分为 5 个部分垃圾坝、被动楔体、两个中间楔体和 主动楔体,分别对每个部分进行极限平衡分析,建立平 衡方程,采用 Matlab 软件编程求解填埋场沿底部衬里 界面滑动破坏时的安全系数,分析垃圾坝、垃圾土及填 埋场底部衬里界面剪切强度对填埋场稳定性的影响。 1 稳定分析模型的建立及求解 1.1 稳定分析模型 由于楔体沿着底部复合衬里界面发生滑动破坏, 滑动面为已知,填埋场稳定分析模型如图 1 所示。 以 同一坡面破坏面发生转移对应的法向应力为临界法向 应力,以临界法向应力为分界点,将填埋场分成 5 个部 分垃圾坝、被动楔体、中间 1 楔体、中间 2 楔体和主动 楔体。 考虑主动斜体和被动楔体底部的法向应力较 低,破坏界面选用土工布⁃土工膜界面;中间 1、2 楔体 底部所受的法向应力较高,破坏界面选用土工膜⁃GCL 界面。 为分析简便,假设垃圾坝背与垃圾体之间的作 用力平行于填埋场背坡。 Wd Edp Fda Fp Nda Np Wp Ehm2 Fm2 Nm2 W2 B1 W1 Eh1 EhaEvm1 Ehm1 Fa Na Wa Eva Ev1 Ev2 Eh2 Fm1 Nm1 Evp EhpEvm2 Eda B2 H2 H1 ,;Fs 图 5 安全系数 Fs与坝底界面粘聚力 cd的关系曲线 1661δd 1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 155253545 9;Fs 图 6 安全系数 Fs与坝底界面摩擦角 δ δd的关系曲线 91η 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 30402050607080 9;Fs 图 7 安全系数 Fs与坝背倾角 η η 的关系曲线 -H2m 1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 10812141618 9;Fs 图 8 安全系数 Fs与坝高 H2的关系曲线 2.2.3 垃圾填埋场底部衬里界面强度指标的影响 目前,鲜有资料报道界面倾角对其强度指标的影 响,本文忽略底部衬里界面倾角对衬里界面强度指标 的影响,假定在一定的应力范围内,衬里界面强度指标 一致。 考虑主动楔体和被动楔体均处于低法向应力状 态,令 ca =c p、δa =δ p;中间 1 楔体和中间 2 楔体处于高 法向应力状态,令 cm1 =c m2、δm1 =δ m2。 在上述假定的基 础上,分析底部衬里界面强度指标对填埋场稳定安全 系数的影响。 图 9~10 分别给出了底部衬里界面粘聚力 cb和摩 擦角 δb的变化对填埋场稳定安全系数 Fs的影响。 在 其它参数不变的条件下,随着填埋场底部衬里界面粘 聚力 cb和摩擦角 δb增加,稳定安全系数 Fs逐渐增大, Fs与 cb近似呈线性关系。 在界面强度指标(cb、δb)增 316C24cbkPa 1.35 1.25 1.15 1.05 0.95 0.85 0.75 15525354555 9;Fs ,A416 -,A416 图 9 安全系数 Fs与底部衬里界面粘聚力 cb的关系曲线 92第 4 期袁深根等 设坝垃圾填埋场沿底部衬里滑动的稳定性分析 万方数据 31661δb 4.0 3.2 2.4 1.6 0.8 155253545 9;Fs ,A416 -,A416 图 10 安全系数 Fs与底部衬里界面摩擦角 δ δb的关系曲线 幅相同的情况下,高法向应力界面的强度指标对 Fs的 影响程度明显大于低法向应力界面的强度指标,其中 δb对 Fs的影响尤为显著。 3 结 论 1) 考虑填埋场底部衬里极限破坏界面转移和垃 圾坝的作用,将填埋场分为 5 个部分,分别对每个部分 进行极限平衡分析,建立相应的极限平衡方程,求解填 埋场沿底部衬里界面破坏的稳定安全系数。 计算方法 符合工程实际,计算结果可靠,具有较好的实用性。 2) 垃圾土粘聚力 csw和内摩擦角 φsw增加,填埋场安 全系数 Fs呈线性小幅增长,φsw对 Fs的影响略大于 csw。 3) 随着坝底界面粘聚力 cd和摩擦角 δd增加,Fs逐 渐增大,与 cd近似呈线性关系,δd对 Fs的影响大于 cd。 4) 增加垃圾坝坝高、减小坝背倾角 η,Fs增大,η 对 Fs的影响明显大于 δd。 5) 填埋场底部衬里界面粘聚力 cb和摩擦角 δb增 加,Fs增大,并与 cb近似呈线性关系。 高法向应力界 面的强度指标对 Fs的影响程度远大于低法向应力界 面的强度指标,δb对 Fs的影响尤为显著。 参考文献 [1] GB508692013, 生活垃圾卫生填埋处理技术规范[S]. 2013. 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