暴雨條件下LFG氣壓力對垃圾堆場穩定性的影響分析

陳俊禮 姚夏蘭

摘 要 垃圾堆場由于特殊的物質組成，使其內部較一般土質邊坡具有高填埋氣壓的特點，且在暴雨條件下，大量滲入堆場的雨水堵塞填埋氣體-LFG運移通道，導致堆場內部產生封閉氣壓，濕潤區以下的封閉氣壓產生的頂托作用使得堆場極有可能沿著濕潤鋒滑移。因此基于非飽和土滲流理論，建立考慮暴雨入滲的氣-液-固多場耦合的堆場穩定分析模型。通過耦合軟件COMSOL，結合所建立的數學模型綜合分析隨著暴雨的持續堆場安全系數的變化趨勢，并與傳統圓弧滑面搜索算法進行比較，結果表明該模型適用于短時強降雨工況下的垃圾堆場穩定性分析。

關鍵詞 垃圾堆場;LFG氣壓力;暴雨工況;穩定性分析

引言

值得注意的是生活垃圾中所含的有機物在微生物作用下降解，其過程產生大量的填埋氣體-Land Fill Gas（LFG）。填埋氣如不及時排出，會使垃圾堆場體內氣壓增大，導致垃圾體有效應力減小，從而對垃圾堆場的穩定性產生影響，使垃圾堆體坍塌，甚至危及填埋場周圍居民的生命財產安全[1]。可見LFG氣壓力是影響垃圾堆場穩定性的重要因素之一。

在暴雨條件下，大量滲入堆場的雨水堵塞LFG運移通道，使得堆場內部出現一個封閉氣壓力場，封閉氣壓會隨著濕潤線的推進不斷升高直至突破孔隙水頭值。因此本文考慮到暴雨條件下堆場內部封閉氣壓場的存在，建立了暴雨入滲的氣-液-固多場耦合的堆場破壞預測模型，研究暴雨條件下LFG氣壓力對垃圾堆場的穩定性影響，可為暴雨條件下垃圾堆場安全評價提供理論保障。

1暴雨條件下堆場穩定分析模型

如圖1所示的垃圾填埋場邊坡，暴雨入滲過程中，土體濕潤鋒也就是最危險滑動面為ABCD。由于滑動面為非直線非圓弧的不規則形狀，故先將滑動土體分成若干豎向土條，其中任一土條上的作用力如圖2所示：

圖中：為滑動面切向反力;為條塊寬度;為條塊重力;為條塊滑移面的法向反力;、為條塊兩側的法向力;、為條塊兩側的豎向力;為條塊滑移面長度。

根據圖2所示土條在豎向及水平向的靜力平衡條件，可求得土條的水平法向力增量的表達式為：

其中：

對整個邊坡而言，均為內力且滑動土體無水平外力作用，然后根據=0可得堆場安全系數的表達式為：

運用有限元軟件COMSOL求解垃圾土固-液-氣三相耦合計算模型，將邊坡模型不同時間步濕潤鋒處的孔隙水壓、氣壓分布作為已知條件，采用本節所建立暴雨條件下垃圾填埋場穩定分析模型式（2），即可求出不同時間點的堆場安全系數。

2算例分析與討論

為深入了解暴雨工況下，采用本文考慮封閉氣壓的堆場破壞預測模型對堆場進行穩定分析的必要性以及可行性，現假定一垃圾堆場，坡高50米，坡比1：1.5，下部為滲透系數近似為0的襯墊層，利用COMSOL建立垃圾堆場的計算模型：

本次算例中降雨共持續3h，分別運用傳統的圓弧滑面搜索算法和本文考慮封閉氣壓的穩定分析方法式（24）進行計算。

降雨前期本文穩定分析方法所得安全系數明顯小于傳統方法，且隨著降雨的進行，安全系數降低幅度高于傳統方法，因此在這一階段采用傳統的圓弧滑面搜索算法分析堆場穩定性有一定風險，本文方法偏于安全。在降雨中期，雖然本文方法計算得到的安全系數降低幅度較前期放緩，但總體數值仍小于傳統方法，可見本文方法在這一階段仍然適用。

在降雨后期，隨著濕潤鋒不斷下移，濕潤區產生更多的封閉氣泡，從而使土體滲透系數下降，濕潤鋒上方的非飽和區不斷加寬，濕潤鋒處基質吸力增長幅度逐漸減小，同時封閉氣泡的擠壓作用會使濕潤區產生附加孔壓，大大降低有效應力，這時堆場很可能會出現一個沿濕潤區內部圓弧面的滑動破壞。因此在這一階段采用傳統的滑面搜索算法得到的安全系數低于本文方法，對堆場的穩定分析更加準確[2]。

3結束語

（1）雨水入滲垃圾填埋場過程中會占據土體孔隙，使得填埋氣發生運移，且雨水會增加上部土體容重，使得堆場進行應力調整從而發生變形，因此本文在對暴雨工況下的填埋場穩定性分析時，首先基于連續介質力學原理，建立了垃圾堆場固-液-氣耦合數學模型。

（2）暴雨工況下，填埋氣被壓縮在基質吸力降低明顯的濕潤鋒與襯墊層之間，在堆場內形成一個封閉且不穩定的氣壓場。隨著濕潤鋒的不斷推進，封閉氣壓不斷增大，氣體產生的頂托作用使得堆場在暴雨工況下的破壞模式極有可能是沿著坡面濕潤鋒的滑移破壞。基于此，本文建立考慮暴雨入滲的氣-液-固多場耦合的堆場破壞預測分析模型。通過算例，與傳統的圓弧滑面搜索算法進行比較分析，認為本文方法適用于短時強降雨工況下的垃圾堆場穩定分析。

參考文獻

[1] 謝焰，陳云敏.考慮氣固耦合填埋場沉降數學模型[J].巖土工程學報，2006（3）：602-603.

[2] 邱戰洪，何春木.不同降雨模式下山谷型垃圾填埋場水分運移及其穩定性研究[J].巖土力學，2012（33）：3153-3154.