城市垃圾堆体稳定性

城市垃圾填埋场堆体稳定性探究 一 国内外研究现状二 卫生填埋特点三 填埋场结构稳定性问题的产生原因四 填埋场边坡和地基结构失稳的基本形式 一 国内外研究现状 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 随着衬垫系统及渗滤液收集和排放系统的引进 这些系统的完整性开始引起人们的注意 如果边坡的失稳和滑移造成上述系统的破坏 就会引起MSW中渗滤液的泄漏 1988年位于美国Kettelmna山的一个垃圾填埋场发生了失稳 水平位移达到35英尺 修复工作大费周折 Mitehelzet al 1990 在1996年3月9日 美国的俄亥俄州辛辛那提发生了历史上最大的MSW填埋体的滑坡 大约120万立方米的填埋体发生了失稳滑动 这一切为填埋场的运营 扩容和稳定提供了深刻的教训 另一方面 如果过分强调填埋体的稳定就会导致坡度过缓而减少填埋场的容量以及服务年限 从而降低其经济效益 所以 填埋场的稳定是填埋场系统设计和分析的一个重要问题 国外垃圾填埋的历史较长 所作的研究也较多 但因国情的不同 我国垃圾的组分与国外发达国家的情况相差很大 因此其研究成果对我国填埋场建设而言用处不大 国内较早从事该项研究的是河海大学的钱学德先生 他主要借鉴美国填埋场的研究成果探讨了我国填埋场在稳定性方面应作的主要工作 浙江大学的胡敏云 柯翰以及青岛建筑工程学院的张振营等主要从与垃圾填埋体的安全稳定有关的工程力学参数方面作了探讨 建设部综合勘察设计研究院顾宝和先生对固体废弃物处理中涉及的岩土工程问题作了较为综合的介绍 浙江大学的陈云敏等对某一曾经发生过滑坡填埋场作了静力触探 室内常规 三轴等试验并利用得到的参数计算了填埋体边坡的稳定性 清华大学刘建国对填埋场特别是山谷型填埋场的综合稳定性分析作了全面的分析 但是因填埋场的特殊特征 所以一直未形成较为成熟的认识 我国在04年推出新的 生活垃圾卫生填埋技术规范 国内一些学者对msw进行了比较深入的研究 其中以钱学德 陈云敏 王立忠 孙继军 赵由才等人为代表对MSW做了比肩多的研究 美国环保局 EPA 建议卫生填埋场的技术要求是 Yong 1989年 l保证底部和边缘不渗漏 这主要依靠各种衬垫隔离层 2 合适的场址选择 3 稳定的地基 4 合适的底部渗滤液收集系统 5 合适的终场覆盖层 卫生填埋特点 卫生填埋是运用各种天然屏障和工程屏障 尽可能将废物与生态环境相隔绝的一项特殊的市政工程活动 就结构稳定性分析而言 卫生填埋工程具有如下不同于一般岩土工程的特点 1 固体废物填埋场的构筑方式和填埋方式与地形地貌有关 据此填埋场可分为山谷型填埋场和平地型填埋场 平地形填埋又可分为地上式 地下式 及半地上半地下式 不同类型的填埋场面临不同性质的结构稳定性问题 山谷型填埋场主要面临边坡稳定性问题 平地型填埋场主要面临地基稳定性问题 2 填埋场边坡包括天然岩土体边坡 人工开挖边坡 填埋体边坡 垃圾坝边坡等 影响各类边坡稳定性的因素不尽相同 工程上对各类边坡保持稳定的时间要求也不相同 天然边坡 填埋体边坡 垃圾坝边坡要求长期保持稳定 人工边坡要求在施工和填埋作业期间保持稳定 3 填埋场系统整体结构复杂 构成材料包括成分多变的固体废物 天然岩土体 层状压实粘土 有机聚合物等 边坡几何形状呈阶梯状 既存在局部稳定性问题 也存在整体稳定性问题 4 作业程序一般为 先挖后填 逐步挖 逐步填 不同于一般岩土工程边坡的 只挖不填 因此填埋过程有可能改善天然边坡的稳定性 5 填埋场设有防渗盖层 衬层系统和排渗导气系统 对填埋场边坡 地基 填埋体 垃圾坝等的渗流稳定和抗滑稳定性质有很大影响 填埋场结构稳定性问题的产生原因 卫生填埋场结构稳定性问题源于 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它可压缩土时 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 渐进破坏与其它可能影响边坡土体或填埋体长期行为的作用 填埋场边坡和地基结构失稳的基本形式 边坡失稳通常有三种基本方式 滑坡 slide 崩塌 fall 和扩离 spread 就破坏机制而言 滑坡以剪切破坏为主 崩塌以拉断破坏为主 扩离则以塑性流动破坏为主 山谷型填埋场常见的边坡破坏方式为滑坡 包括平滑型或顺层型 translationa 滑坡 以及转动型或圆弧型 rotational 滑坡 前者发生于存在软弱夹层或结构面的边坡中 主要诱导因素为孔隙压力 后者发生于均质土体边坡中 主要诱导因素为坡脚开挖或风化 见陈云敏 城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析 填埋场地基稳定性问题存在于平面型填埋场和某些山谷型填埋场中 所谓地基稳定性 是指填埋场地基在填埋体压力和其它外荷作用下抵抗剪切破坏的能力 一般而言 平面型填埋场地基大多都是承受垂直分布荷载的软土地基 其破坏形式主要有三种 整体剪切破坏 局部剪切破坏和冲剪破坏 具体发生何种形式的破坏 取决于地基土体的压缩性 如果地基土体是不可压缩的 且具有一定的抗剪强度 其破坏形式通常为整体剪切破坏 如果地基土体较为松散软弱 则其破坏形式通常为冲剪破坏 压缩性介于上两者之间的地基土体 发生局部剪切破坏的可能性较大 填埋体沉降 填埋体的另一个结构稳定性问题是沉降 填埋体发生沉降的机制主要包括 1 固结 废物被压实时 体积逐渐被压缩 应力状态发生变化 部分水量从废物中排出 外加应力相应地从孔隙 水与气 转移到废物颗粒骨架上 使颗粒发生扭曲 倾侧 变向和破碎 直至变形达到稳定 2 潜蚀 填埋体中的一部分小颗粒被渗透水流溶解 化学潜蚀 或携带进入较大的空隙中 机械潜蚀 3 化学反应 废物中的一部分有机物生化降解为填埋气体和水分 以上三种填埋体沉降机制中 固结的作用最为显著 根据变形随时间而发展的机理的不同 固结又可分为主固结和次固结 主固结是指填埋体因超静孔隙压力逐渐消散而引起的渗水排气压缩过程 其快慢取决于孔隙水和气向外排出的速率 次固强是在超静孔隙压力基本消散后 有效应力基本稳定的条件下 主要因废物颗粒表面结合水膜蠕变及颗粒结构重新排列等引起的极为缓慢的变形 其快慢与水气排出速率无关 卫生填埋因有较为完善的排渗导气系统 孔隙水和气排出较快 故主固结较快达到稳定 少于一月 次固结沉降则在填埋场封场期和最终贮存期还依然存在 主固结沉降量可根据太沙基1925年提出的单向渗透固结理论进行估算 次固结沉降量的估算则因必须考虑填埋体的流变性质而较为复杂 对一个服务年限为10年的典型的卫生填埋场 主 次固结沉降之和可达初始填埋高度的30 根据Sowers 1973 的资料 主固结系数Cc和次固结系数Ca与填埋体初始空隙比e0之间存在如下线性关系 Cc 0 15 0 55 e0Ca 0 03 0 09 e0潜蚀是一种渗透变形 其强弱取决于填埋体内废物颗粒的级配和水分的渗透运移情况 因此废物颗粒粒径差别越大 填埋场渗滤液产生量越大 潜蚀造成的沉降就越大 但潜蚀造成的填埋体沉降很难计算 渗滤液回灌会加剧潜蚀作用 进而造成填埋体沉降 由于填埋体在空间上的非均质性 其沉降量在空间上常常也是不均匀的 不均匀沉降有可能破坏填埋场盖层系统的完整性 损坏填埋气体导排系统 影响填埋场的生态恢复和最终利用 填埋体的不均匀沉降也可能因地基土体的压缩性在空间上的显著差异而产生 这种不均匀沉降除有上述危害外 还可能破坏填埋场底部衬层系统的完整性 损坏渗滤液收集管道系统 造成更为