濃縮液回灌對垃圾填埋體水位及穩定性的影響

詹良通，蘭吉武，鄧林恒，呂國慶，陳云敏

（1.浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，杭州 310027；2.中國市政工程華北設計研究總院，天津 300074）

成都長安垃圾填埋場滲濾液反滲透處理工藝日產260t濃縮液，擬在填埋場回灌處理。由于垃圾填埋體內現狀滲濾液水位較高，濃縮液回灌可能會導致水位進一步上升，威脅垃圾填埋體穩定安全，故開展該填埋場回灌工程的安全性及可行性評估工作。首先進行該填埋場工程地質與水文地質勘查，然后利用GMS軟件進行垃圾填埋體非飽和－飽和三維滲流分析，模擬和預測了濃縮液回灌前后填埋體內滲濾液水位變化；基于滲流分析結果，利用Slope／W軟件分析了濃縮液回灌對垃圾填埋體穩定性的影響，并提出回灌工程安全穩定控制措施。

1 場地工程地質與水文地質條件

如圖1所示，成都長安填埋場為山谷型填埋場，場底地形為U形山谷，谷底峽口設置高約30m的漿砌石垃圾壩，壩頂高程為598m，壩底設置有垂直防滲帷幕，深度18m。該填埋場典型填埋剖面及場底地質剖面如圖2所示，垃圾填埋體自下游垃圾壩起始直到上游680m高程，形成了一個約80m高的垃圾填埋體邊坡，其中630～650m和650～680m兩個高程間陡坡坡度分別為1∶0.9、1∶1.6。現場勘察時680m高程平臺仍在填埋作業。現場鉆探表明填埋體物質組成主要為城市生活垃圾，地表下約0～4m內垃圾較為干燥，降解程度低；4m以下垃圾降解程度較高。場底主要分布第四系坡積土，谷坡處厚度為0.3～2.5m，谷底處厚度為1.5～5.2m。坡積土下覆土層為侏羅系蓬萊鎮組泥質類巖石，滲透系數介于1.0×10－8～1.0×10－7m／s，形成相對隔水層。

圖1 現狀地形示意圖

根據現場水位監測結果，該填埋場內滲濾液水位較高，現狀滲濾液水位線如圖2所示，上游680m高程平臺局部水位埋深只有1～3m，陡坡處水位埋深大，在650m高程處及610m高程下游坡體發現有滲濾液溢出。

圖2 典型地質剖面圖

2 現場滲濾液回灌試驗

為了研究回灌可行性，筆者在680m高程平臺上開展回灌試驗。由于當時滲濾液處理廠還未建成，沒有濃縮液，因此利用該場高濃度的滲濾液進行回灌試驗。試驗采用回灌塘方式，回灌塘平面尺寸為6.0m×6.0m，深度約為1.8m。試驗過程中回灌塘內滲濾液水位高度維持在1.0～1.8m，當滲濾液入滲導致塘內水位下降至1.0m即補充滲濾液至1.8m高度。每日補充到回灌塘內的滲濾液總量即為日回灌量，同時在回灌塘周邊布設水位監測井監測周邊水位上升情況。其中2個回灌塘的日回灌量時程曲線見圖3，可見初期日回灌量大，4d后日回灌量趨于穩定值，介于28～30m3／d。日回灌量穩定值反映了淺部垃圾的滲透性，由Green-Ampt公式估算垃圾體飽和滲透系數Ks約為7.5×10－6m／s。

圖3 日回灌量變化曲線

3 回灌前后填埋體中水位模擬與預測

填埋體中滲濾液水位模擬與預測采用GMS（Groundwater Modeling System）軟件中Femwater模塊，Femwater是三維飽和－非飽和多孔介質中滲流分析有限元軟件，它擁有強大的前后處理功能，能方便的利用地形及地層信息生成三維數值模型。滲流分析中暫不考慮垃圾體及滲濾液自身壓縮性與滲濾液中化學溶質對滲流的影響，并假定垃圾填埋體為各向同性介質。Femwater模塊中非飽和－飽和滲流控制方程：

式中：h為總水頭，是位置水頭和壓力水頭之和；kw為非飽和滲透系數；q為匯源項，如降雨補給量、回灌量等；F為儲水系數，可從介質的土水特征曲線獲得。

垃圾水力參數見圖4，暫不考慮濃縮液對水力參數的影響，土水特征曲線參照中國類似組分垃圾的測試結果[9]，并采用van Genuchten公式擬合得特征參數值：θs＝0.59，θr＝0.25，α＝4.62，n ＝1.456；由土水特征曲線與現場回灌試驗得到的垃圾飽和滲透系數計算垃圾非飽和滲透性曲線[10]，如圖4（b）所示。三維滲流分析模型見圖5，填埋體頂面為現狀填埋面，面積約20.6萬m2，填埋體底面為泥質類巖石，填埋體最大厚度約60m，全場共劃分3594個三棱柱單元。

圖4 填埋垃圾的非飽和水力參數

圖5 三維滲流分析模型

3.1 現狀滲濾液水位模擬

根據水文地質勘查結果確定模型的邊界條件：上游680m平臺處水位埋深約為1～3m，因此模型西側邊界ABC段和南側CDE段均設為定水頭邊界。其中AB段總水頭值為地表高程減去1m，即水位位于地表下1m；BCDE段總水頭邊界值為675m。由于滲濾液在610m左右高程處溢出，故東側邊界按溢出點劃分為2段，GH為溢出段，設為定水頭邊界，總水頭值等于節點高程；HE段設為不透水邊界。模型北側和模型底面為不透水邊界。指定模型頂面允許最大積水深度為零，此邊界條件含義為：迭代過程中當頂面處的節點的孔壓為零時，軟件自動將此節點的邊界條件重置為定水頭邊界，總水頭值等于節點高程。考慮到現狀滲濾液水位是填埋體長期滲流的結果，采用穩態滲流分析模擬現狀水位。

⑥取出數組Array最大數所對應的下標值,即為特征向量M在多重隨機森林加權大數投票算法中的最終分類標簽;

填埋體穩定滲流分析得到的流速矢量圖（圖6），1－6號剖面為下文垃圾填埋體穩定分析剖面。可見滲流場主要分布在2－5號剖面之間，這與填埋場底部為中間低兩側高的山谷地形有關，此區域垃圾體厚度大導致滲濾液匯集。圖中W1、W2、W3三點實測水位埋深分別為2.3、3.2m和4m，模擬水位埋深為3.6、4.7、3.6m，模擬結果與實測結果比較一致。

圖6 流速矢量圖

剖面1、3、6現狀水位線分布見圖7，可見剖面1滲濾液在630m高程溢出，3號剖面在650m和630m高程2處溢出，6號剖面溢出點高程為650m，與實際情況相符。對比3號剖面與圖2中水位分布，可見在680m平臺上模型西側水平距離為0～100m內的填埋體模擬水位與實測水位差別較大，但下文穩定分析表明該填埋場危險滑動體位于620～650m高程，此處局部水位差異對穩定分析影響可以忽略。

在3號剖面上取A、B兩點繪制孔隙水壓力隨深度分布圖，這兩點分別位于680m和650m高程，距垃圾體上游為160m和320m，如圖8所示，可見兩點水位埋深分別為17.2、7.4m，由于分析中假定填埋體各向同性，水位線上下的孔隙水壓力均隨深度呈線性減少，呈靜水壓力分布模式。

圖7 典型填埋剖面中滲濾液水位線分布

圖8 孔隙水壓力隨深度變化曲線

3.2 濃縮液直接回灌后水位上升預測

從穩定安全考慮，滲濾液回灌區域設置在680m高程平臺西南側2／3區域，距填埋體陡坡頂有35～65m的距離，如圖5中BCDF所圍成區域，面積約40800m2。設計回灌總量為260t／d，回灌模擬分析時假設滲濾液均布在回灌區域，即在BCDF區域內施加定流量邊界條件，單位面積入滲量為6.37×10－3m／d，模型其它邊界條件同前。考慮到滲濾液回灌的長期性，采用穩態滲流分析預測直接回灌后水位上升情況。

在現狀水位條件下直接實施回灌后滲濾液水位線分布見圖7，可見，填埋體內水位均有明顯上升，1－6號剖面水位最大上升高度分別為：2.2、2.2、3.2、3.8、4.54、3.66m，1－4號剖面水位上升最大處位于為650m平臺附近。各剖面水位上升規律為：680m平臺水位上升約1.3～2.0m，其余高程點水位上升程度隨高程減小而增大，滲濾液溢出點位置明顯抬升。濃縮液直接回灌后A、B兩點孔壓隨深度變化曲線見圖8，A、B兩點水位上升高度為2.0m和3.2m。回灌前后孔壓對比表明B點孔壓上升較A點明顯。回灌工程對650m平臺水位影響更明顯。

3.3 先降水再回灌后水位上升預測

上述滲流分析結果表明在現狀水位條件下直接實施回灌后滲濾液水位上升明顯，下文穩定分析表明該回灌方法不能滿足填埋體穩定安全控制要求。通過研究，筆者建議了采取以下措施來解決回灌工程安全問題：預先將全場滲濾液水位降低3m，然后再實施回灌，并且回灌期間持續實施降水。筆者對此工況進行滲流分析預測全場降水3m后再回灌可能導致的水位上升情況，滲流分析模型與邊界條件類似于3.2節，只是改變ACE和GH 段的定水頭邊界值來模擬全場水位降低3m，即將ACG和GH 段總水頭值降低3m。同樣采用穩態滲流分析。

預先降水3m再回灌后水位上升情況見圖7，可見此工況的水位低于現狀水位，滲濾液溢出點位置有所下降。6號剖面的680m平臺局部水位高于現狀水位，但上升程度明顯低于滲濾液直接回灌的工況。

3.4 滲濾液水位迫降措施

為了實現回灌前將滲濾液水位迫降3m的要求，根據相關工程經驗，建議采用豎井抽排滲濾液降水。根據場底地形條件及上述的滲流場模擬結果，建議在680、650、630m高程平臺各布置15口豎井，680m高程豎井間距為40m，從平臺邊緣起呈正方形排列，井深為10m；650m和630m高程的豎井布置在2－6號剖面之間，沿等高線呈單排布置，間距取10～15m，井深為8m，豎井設計抽水量取24m3／d[11]。根據填埋體滲流分析結果，采用上述設計時預計在3個月內可將全場水位降低3m。水位下降3m后可實施濃縮液回灌，回灌過程中630m和650m高程的30口豎井應持續工作以控制填埋體邊坡中水位。豎井結構設計及施工必須采取防淤堵措施，保證其長期有效性。

4 回灌對垃圾填埋體穩定性影響分析

采用Geoslope軟件進行垃圾填埋體穩定性分析，圖9顯示了具有代表性的3號剖面的分析模型。根據現場勘察結果，模型中填埋體分為4m厚的淺層垃圾，4m以下為深層垃圾；土層包括3m厚坡積土和泥質類巖石。各土層的材料特性參數如表1所示，城市生活垃圾抗剪強度特性復雜，與垃圾組分、應變水平及齡期有關[9]，強度參數變化大。目前美國推薦的垃圾強度取值為：深度0～4m內，c＝24 kPa，φ＝0°；4m以下，c＝0kPa，φ＝33°；英國推薦取值為：c＝5kPa，φ＝25°。從該填埋場鉆探取樣的三軸剪切試驗結果表明：該場填埋垃圾的c值介于18～61kPa，φ值介于21.9°～29.5°。參考類似工程經驗，分析垃圾強度的參數取值如表1所示，表中其它材料強度參數取值來自地質勘察報告。

表1 填埋體穩定分析中所用材料參數表

填埋體穩定分析剖面包括圖6中1－6號剖面，其中3號剖面如圖9所示。模型中滲濾液水位線采用上述兩種工況條件下水位模擬結果，即現狀水位和濃縮液直接回灌后水位。利用Slope／W軟件搜索危險滑動面，采用Morgenstern Price法計算安全系數[12]。填埋體穩定安全評價標準采用填埋場工程常用的穩定安全控制標準：即整體穩定安全系數Fs≥1.3，局部穩定安全系數Fs≥1.1。

在現狀水位下3號剖面的潛在滑動面及對應的穩定安全系數見圖9，可見，在現狀滲濾液水位條件下，填埋體整體穩定安全系數Fs＝1.308，滑動面穿過垃圾體底部，屬于深層滑動；局部穩定安全系數Fs＝0.867，滑動面位于650m高程的陡坡處，屬于淺層滑動，可通過削坡處理解決該局部穩定問題。其它剖面的穩定分析結果見表2，表明現狀水位條件下垃圾填埋體恰能滿足穩定安全控制要求，現狀水位線即為安全控制水位。

如前所述，滲濾液直接回灌后水位明顯上升，對應水位條件下填埋體穩定分析見表2，可見整體穩定安全系數明顯降低，尤其是2、3號剖面從1.358、1.308分別降到1.028、1.059，明顯低于整體穩定安全控制要求的Fs≥1.3；局部穩定安全系數也降低，3－5號剖面低于局部穩定安全控制要求Fs≥1.1，因此濃縮液直接回灌填埋體的安全儲備不足，在現狀高水位條件下不宜實施直接回灌。如前所述，如果預先將全場滲濾液水位降低3m后再實施回灌，回灌后水位低于現狀水位，垃圾填埋體能夠滿足穩定安全控制要求，因此上述的先降水再回灌的措施具有安全性，可以實施。

表2 回灌前后填埋體的穩定安全系數

圖9 3號剖面的潛在滑動面及對應的穩定安全系數

5 結 論

根據成都長安填埋場的現場勘查、填埋體滲流分析和邊坡穩定性評價結果，得到以下結論及建議：

1）該填埋場現狀滲濾液水位高，多數區域埋深只有1～3m。若直接實施濃縮液回灌，回灌后全場滲濾液水位明顯上升，各剖面處上升幅度達2～5m。若預先將全場水位降低3m后再實施濃縮液回灌，回灌后水位低于現狀水位。

2）現狀水位條件下垃圾填埋體能滿足穩定安全控制要求，現狀水位線可作為安全控制水位。濃縮液直接回灌后，填埋體整體與局部穩定安全系數均明顯降低，不能滿足安全控制要求。若采取本文建議的先降水再回灌的措施，回灌后垃圾填埋體仍能滿足穩定安全控制要求，該回灌工程措施具有安全性。

3）建議采用豎井抽排滲濾液降水，在680、650、630m高程平臺各布置15口豎井，預計3個月內可將全場滲濾液水位降低3m。水位下降3m后可在680m高程平臺實施濃縮液回灌，同時建議630m和650m平臺的30口豎井持續實施降水。

4）文中現場試驗及理論分析結果是基于現場高濃度滲濾液的流體特性獲得的，必須采用滲濾液反滲透處理工藝產生的濃縮液進一步開展研究工作。

[1]中華人民共和國環境保護部.GB 16889—2008生活垃圾填埋場污染控制標準[S].北京：中國環境科學出版社，2008.

[2]中華人民共和國環境保護部.HJ 564—2010生活垃圾填埋場滲濾液處理工程技術規范（試行）[S].北京：中國環境科學出版社，2008.

[3]陳軍.礦化垃圾處理垃圾濃縮液 [J].環境科學與管理，2007，32（12）：109-112.CHEN JUN.Treatment of strong sewage from refuse with mineralized garbage[J].Environmental Science and Management，2007，32（12）：109-112.

[4]劉研萍，李秀金，王寶貞，等.滲濾液的反滲透濃縮液回灌研究 [J].環境工程，2008，26（4）：89-93.LIU YAN-PING，LI XIU-JIN，WANG BAO-ZHEN，et al.Study on infiltration of leachate concentrate from ro into landfill[J].Environmental Engineering，2008，26（4）：89-93.

[5]BLIGHT G.Slope failures in municipal solid waste dumps and landfills：a review[J].Waste Management＆ Research，2008，26（5）：448.

[6]KOERNER R M，SOONG T Y.Leachate in landfills：the stability issues[J].Geotextiles and Geomembranes，2000，18（5）：293-309.

[7]EPA. Bioreactor Performance[R]. United States Environmental Protection Agency.2007.

[8]HETTIARACHCHI H，GE L.Use of geogrids to enhance stability of slope in bioreactor landfills：A conceptual method[C]／／Contemporary Topics in Ground Modification，Problem Soils，and Geo-Support（GSP 187）Proceedings of Selected Papers of the 2009 International Foundation Congress and Equipment Expo.，ASCE，2009.

[9]ZHAN T L T，CHEN Y M，LING W A.Shear strength characterization of municipal solid waste at the Suzhou landfill， China[J]. Engineering Geology，2008，97（9）：97-111.

[10]VAN GANUCHTEN M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898.

[11]劉釗.填埋垃圾滲透特性測試及抽排豎井滲流分析[D].杭州：浙江大學，2005.

[12]MORGENSTERN N R，PRICE V E.The analysis of the stability of general slip surfaces[J].Geotechnique，1965，15（1）：79-93.

[13]詹良通，劉釗，顧高莉.成都長安垃圾填埋場濃縮液回灌現場試驗測試報告[R].杭州：浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，2008.

[14]詹良通，蘭吉武.成都長安垃圾填埋場濃縮液回灌工程滲流穩定分析報告[R].杭州：浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，2009.

[15]朱偉，程南軍，陳學東，等.淺談非飽和滲流的幾個基本問題 [J].巖土工程學報，2006，28（2）：235-240.ZHU WEI，CHENG NAN-JUN，CHEN XUE-DONG，et al.Some fundamental problems of unsaturated seepage[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（2）：235-240.

[16]馮世進.城市固體廢棄物靜動力強度特性及填埋場的穩定性分析[D].杭州：浙江大學，2005.

[17]張季如，陳超敏.城市生活垃圾抗剪強度參數的測試與分析 [J].巖石力學與工程學報，2003，22（1）：110-114.ZHANG JI-RU，CHEN CHAO-MIN.Measurement and analysis of shear strength parameters of municipal solid waste[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（1）：110-114.