干污泥高維填埋的堆體邊坡穩定性模擬與分析

米 瓊,戴世金*,張瑞娜,鄧 悅,徐 勤,趙由才,2 (.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092；2.污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；.上海市環境工程設計科學研究院有限公司,上海 20022；.上海老港廢棄物處置有限公司,上海 2002)

目前,污泥填埋因其投資少、容量大、見效快等優點,依然是中國較為成熟的污泥處置技術[1-4].填埋場接收的污泥為壓濾后含水率低于60%的干污泥,其抗壓強度等能滿足污泥填埋要求[5].據估計我國 65%左右的干污泥進入填埋場,以單獨填埋或混合生活垃圾填埋的方式進行處置[6].

由于生活垃圾成分復雜,大小不一,經過碾壓作業后,生活垃圾各成分能有效的填充互補,且具有較高的抗壓和抗剪強度,遇水后變形亦較小,故生活垃圾的填埋作業主要是坑填+堆高作業[7].而污泥填埋作業方面,因為污泥遇水易吸水變形,抗壓和抗剪強度會急劇下降,因此,為保證其能安全有效的填埋,一般采用的是坑填作業,極少堆高[4,8].生活垃圾與污泥混合填埋,從污泥的角度分析,增加了填埋物料的“加筋相”,提高了污泥的力學性能[9].然而,隨著污泥產量的日漸龐大以及用地的日益緊張,如何在現有土地上,實現污泥的最大量填埋,成了目前亟需解決的難題[1,10-12].

一般來說,增加填埋高度可以有效地增加庫容,從而減小單位庫容的投資費用,尤其是在庫底防滲措施完善的填埋場.在條件允許的情況下,污泥填埋厚度應盡可能高,因此污泥高維填埋逐漸被提上了日程[13-14].然而,由于工程實際的特殊性,高維填埋的邊坡穩定性一直是工程上的難題.本文基于污泥高維填埋過程中最佳放坡坡度和最大填埋高度不明這一科學問題,搜索并計算各放坡坡度和填埋高度下最危險滑動面的最小安全系數,尋找適宜的污泥高維填埋放坡坡度,初步測算污泥高維填埋的最大填埋高度,為污泥高維填埋的實際工程應用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 高維填埋模擬軟件的選擇

目前,以極限平衡法為理論計算基礎的邊坡穩定性分析模擬軟件應用較多和較成熟的是由全球著名的加拿大巖土軟件開發商 GEOSLOPE公司開發的面向巖土、采礦、交通、水利、地質、環境工程等領域的一套仿真分析軟件––GEO-STUDIO 系統軟件中的 GEOSLPOE/W 模塊.該模擬軟件目前已在各領域的二維邊坡穩定性分析中得到廣泛的應用.如袁屹璋等[15]、王旭升等[16]、高倩等[17]、肖慧等[18]分別利用GEO-SLOPE/W模擬分析模塊對填方、垃圾填埋場、干式赤泥堆場、尾礦庫等進行了邊坡穩定性分析,均得出了較為合理的模擬結果,為后續邊坡的穩定性治理提供了參考依據.

因此,本研究采用 SLOPE/W(邊坡穩定性分析軟件)對污泥填埋堆體進行模擬分析.SLOPE/W模塊在進行邊坡穩定性分析時,假定滑動面為圓弧面,并可采用極限平衡法中的瑞典圓弧法、簡化 Bishop法、Janbu法和 Morgenstern-Price法四種方法進行計算.

1.2 高維填埋模型

1.2.1 邊界條件 本研究基于上海老港綜合填埋場一期工程中的相關設計數據.污泥填埋庫區的總表面積為27.8625萬m2,分為4個填埋單元,每個單元的污泥分層填埋,每層厚度約為 5m,當污泥填至圍堤堤頂標高后,自堤肩內側開始,污泥在庫區四周邊緣以一定的斜坡逐漸堆高,直至封場高度后,以 5%的極為平緩坡度向中心區變化造坡,直至中心.其中,污泥填埋基坑深度為2m,坡度為1:5,圍堤高6m,寬度為10m,內側坡度與污泥填埋基坑坡度一致,為1:5,外側則為1:2.取每個單元的面積約為 65000m2,長寬分別為 260m 和250m,則以該長度和面積對污泥堆高進行模擬.

1.2.2 高維填埋堆高方式 根據現有工程經驗,填埋可能的堆高方式主要為按一定的放坡坡度將固體廢棄物造坡堆高至一定高度,然后以 5%坡度造坡至封場高度.因此,本研究便以此堆高方式為基礎進行污泥高維填埋的模擬分析.具體而言,污泥的填埋堆高方式為污泥按照目前填埋工藝,分層攤鋪壓實,并按一定的坡度不斷填埋堆高,然后進行封場[19-20].此模擬僅考慮污泥在自然條件下進行堆高作業,不考慮外加荷載、地震、降雨等特殊情況對污泥填埋堆體的影響.

1.2.3 最小穩定安全系數和相關計算參數 邊坡穩定性安全系數一般定義為沿假定滑裂面的抗滑力與滑動力的比值,當該比值大于1時,坡體穩定;等于1時,堆體處于極限平衡狀態;小于1時,邊坡即發生破壞.根據工程經驗,正常靜力運行情況下,填埋堆體所允許的最小穩定安全系數取K=1.3[21-22].相關的污泥和圍堤用土的相關物理參數則如表1所示.

表1 干污泥和圍堤用土的相關物理參數Table 1 Relevant physical parameters of dry sludge and soil used as causeway

2 模擬計算結果討論

2.1 高維填埋放坡坡度對邊坡穩定性的影響

干污泥分別按 1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4五種不同的放坡坡度堆高到 15m后,按 5%的坡度造坡至封場高度,得到的各堆體的最小安全系數與放坡坡度的關系如圖1所示.

由圖 1可知,4種計算方法得到的最小安全系數存在一定的差別,計算結果的大小順序依次為 Bishop法＞Morgenstern-Price法＞Ordinary法＞Janbu法,本研究中選用普適性和收斂性均較好的 Morgenstern-Price法計算得出的結果作為參考來衡量污泥高維填埋堆體的邊坡穩定性[23-24].

圖1 污泥高維填埋的放坡坡度與邊坡最小安全系數的關系Fig.1 Relationship between minimum safety factor and slop gradient in sludge high-dimensional landfill

圖1表明,隨著放坡坡度的逐漸變緩,堆體邊坡的最小安全系數逐漸增大,即堆體的邊坡穩定性增強.在將污泥統一堆高至15m的情況下,放坡坡度為1:2和1:2.5時,堆體邊坡的最小安全系數(Morgenstern-Price法計算值)均小于工程要求的最小值1.3,分別為1.13和1.289,堆體存在滑坡的危險,即干污泥在這兩種放坡坡度下難以填埋至15m的高度;而當增緩放坡坡度至1:3、1:3.5、1:4時,堆體邊坡的最小安全系數均高于 1.3的標準值,分別為1.442、1.588、1.728,堆體邊坡穩定性較佳,即在這 3種放坡坡度下,污泥高維填埋至15m時,堆體較為穩定.

由此可知,污泥高維填埋時放坡坡度的陡緩,直接影響著堆體的邊坡穩定性,放坡坡度越緩,堆體的邊坡穩定性越好.

2.2 高維填埋高度對邊坡穩定性的影響

干污泥分別按 1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4五種不同的放坡坡度進行堆高,相應的填埋堆高高度與邊坡最小安全系數的關系如圖 2和圖 3所示.

圖2 各放坡坡度下填埋高度的增加對堆體最小安全系數的影響Fig.2 Effects of landfill height on the minimum safety factor at different slope gradients

由圖 2可知,在各種放坡坡度下,堆體的最小安全系數均隨堆體的填埋高度的增加而逐漸降低,即堆體的填埋高度越高,堆體的邊坡穩定性越差.

另一方面,由圖3可知,堆體的放坡坡度越緩,填埋高度與最小安全系數的關系曲線越平緩,這表明堆體的放坡坡度越緩,填埋高度的增加對最小安全系數的影響越小,即對邊坡穩定性的影響越小.由此可以說明,填埋高度對邊坡穩定性的影響還與放坡坡度有關,放坡坡度越平緩,填埋高度的增加對邊坡穩定性的影響越微小.

圖3 填埋高度對邊坡穩定性的影響強度與放坡坡度關系Fig.3 The relationship between the effect strength of landfill height on slope safety and slop gradient.

2.3 各放坡坡度下所允許的最大填埋高度和庫容增加量

當以最小安全系數為1.3為堆體邊坡穩定性的臨界值時,各放坡坡度下所允許的最大填埋高度和庫容增加量分別如表2和圖4所示.

表2 各放坡坡度下所允許的最大填埋高度Table 2 The allowable highest landfill height at different slope gradients

圖4 各放坡坡度下所允許的最大庫容增加量Fig.4 The allowable increasing of capacities at different slope gradients

由表 2可知,放坡坡度越平緩,堆體所允許的最大填埋高度越大.這表明污泥高維填埋時,適當的放緩填埋坡度不僅能保證污泥堆體的穩定性,而且還能使得污泥高維填埋所允許的填埋高度更大,從而最大可能的提高填埋單元的空間利用率.

由圖4可知,在放坡坡度為1:2、1:2.5、1:3、1:3.5這4個放坡坡度下,坡度越緩,相應的庫容增加量也越大.然而,當放坡坡度為1:4時,相應的庫容增加量卻小于1:3.5時的庫容增加量.這是因為受模擬填埋單元水平距離的限制,按 1:4的放坡坡度堆高時僅能堆高至 32.5m,而非理論上可堆高的最大填埋高度.32.5m 的填埋高度下,最小安全系數為1.372,遠大于臨界值1.3,這說明32.5m并非 1:4放坡坡度所允許的最大填埋高度.由此可知,從最大限度的增加填埋庫容的角度來看,模擬填埋單元污泥高維填埋的最佳放坡坡度為1:3.5.

2.4 最佳坡度所允許的最大填埋高度情況下的堆體受力分析

對于模擬填埋單元而言,干污泥高維填埋的最佳放坡坡度為 1:3.5,相應所允許的最大填埋高度為 28m.此情況下,堆體的最危險滑動面如圖5所示,其滑動面各滑塊的受力分析情況如圖6所示.

圖5 放坡坡度1:3.5所允許的最大填埋高度情況下堆體堆高模擬滑動面模型Fig.5 The simulated sliding surface of pile at the allowable landfill height of the optimal slop gradient 1:3.5

圖 5所示弧線部分為穩定安全系數最小的可能滑動面,即最危險滑動面.如圖 6所示可知,最危險滑動面對應的安全系數為 1.312,大于工程經驗所要求的最小穩定安全系數(K=1.3),即在污泥堆體填至圍堤堤頂標高后,自堤肩其按1:3.5的坡度堆高 26m,然后按 5%的坡度緩慢造坡至最大填埋高度28m時,理論上測算污泥堆體邊坡是穩定性安全的.

圖6 污泥填埋堆體的受力分析Fig.6 The stress analysis of sludge landfill pile

由圖 6可知,堆體上滑動面上的任意滑動模塊的受力情況主要由滑塊自身重力、底部污泥對滑塊的法向應力和摩擦力、左右污泥對滑塊的法向應力和剪切力組成.對于整個滑動坡面而言,在滑動面中部區域即水平距離80m左右處的各種力達到最大值,為形變最為嚴重的部分.

3 結論

通過GEO-SLPOE軟件對污泥高維填埋邊坡穩定性進行模擬分析發現,填埋放坡坡度越緩,堆體穩定性越強,所允許的最大填埋高度越高,庫容增加量越大;填埋高度越高,堆體穩定性越差;模擬填埋單元的最佳放坡坡度為 1:3.5,相應的最大允許填埋高度為28m,庫容增加量為447.2萬m3.

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