现代卫生垃圾填埋场组合破坏的研究.pdf

第42 卷第4期2023年8 月试验研究四川环境SICHUAN ENVIRONMENTVol.42,No.4August 2023D0I:10.14034/ki.schj.2023.04.009现代卫生垃圾填埋场组合破坏的研究高文银，涂帆，程学强（1.四川康藏路桥有限责任公司，四川雅安6 2 50 0 0；2.华侨大学土木工程学院，福建泉州36 2 0 2 1）摘要：为了提高垃圾填埋场的稳定性，减小安全事故的发生，建立了垃圾填埋场组合破坏模型，使用等弧长条分法建立安全系数解析式，并采用matlab程序语言编制程序Comslope进行求解，研究了不同参数情况下，组合破坏的安全系数与平移破坏长度的关系，以及垃圾坝几何参数和垃圾土力学参数对组合破坏的最小安全系数的影响，结果表明，当安全系数FS取得最小值时，组合破坏平移部分水平距离M0，此时组合破坏先于圆弧破坏发生，证明有发生组合破坏的可能性。研究证明，组合破坏的安全系数与平移破坏长度、垃圾坝几何参数、垃圾土力学参数密切相关。基于各参数对安全系数FS的影响，提出了关于填埋场设计、填埋场施工衬垫选用以及垃圾填埋过程中垃圾土的处理措施和建议。关键词：填埋场；组合破坏；等弧长条分法；Comslope；安全系数中图分类号：X7052.School of Civil Engineering Hua Qiao University,Quanzhou,Fujian 362021,China)Abstract:In order to improve the stability of the landill site and reduce the occurrence of safety accidents,the combineddestruction model of the landfll site was established.The analytic formula of the safety factor was established by the method ofequal arc length,and the program Comslope was developed by MATLAB programming language to solve the problem.Underdifferent parameter condition,the relationship between the safety factor of the combined destruction and the translationaldestruction length,and the influence of the geometrical parameters of refuse dam and the mechanical parameters of refuse soil onthe minimum safety factor of combined destruction were studied.The results showed that when the safety factor FS reached theminimum value,the horizontal distance of the translation part of the combined destruction M O,and the combined destructionoccurred before the arc destruction occurred,which proves that the combined destruction is possible.Studies have shown that thesafety factor of combined destruction is closely related to the translational destruction length,the geometric parameters of thelandfill dam,and the mechanical parameters of the MSW.Based on the influence of each parameter on the safety factor FS,thepaper puts forward some suggestions on the design of the landfill site,the selection of the construction liner of the landfill site andthe treatment of the waste soil in the process of the landfill.Keywords:Landfill;combined destruction;equal arc method;Comslope;safety factor文献标识码：AStudy on the Combined Destruction of Modern LandfillsGAO Wen-yin,TU Fan,CHENG Xue-qiang(1.Sichuan Kangzang Road&bridge Co.,Ltd,Yaan,Sichuan 625000,China;文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 4-0 0 49-0 6引言填埋场的垃圾土作为土体，本身有圆弧破坏的潜在危险；而随着衬垫在填埋场的广泛使用，衬垫本身是潜在的软弱面，容易引起平移破坏。因此，收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 9基金项目：福建省自然科学基金项目（E0710019）。作者简介：高文银（197 8），男，四川天全人，毕业于华桥大学土木工程学院防灾减灾工程及防护工程专业，硕士，研究方向为环境岩土工程。在一定条件下，填埋场极易发生部分沿土体圆弧破坏，部分沿衬垫平移破坏的组合破坏。Qian提出双楔体分析法，建立平移破坏模型，对填埋场进行了固体废弃物沿衬垫接触面滑动50的稳定性评价，有效解决了填埋场平移破坏的理论分析。但是环境岩土工程领域对组合破坏的研究尤为欠缺，因此研究填埋场的组合破坏具有重大的现实意义。1理论分析方法填埋场的一部分沿土体发生圆弧破坏，圆弧破坏面与衬垫接触部分沿衬垫下滑发生平移破坏，两种破坏同时存在、相连产生构成组合破坏。岩土工程中关于组合破坏的研究比较多，主要运用经典土力学理论，采用搜索算法进行计算。张鲁渝2-3 建立组合破坏模型，编制程序ZSLOPE计算复杂边坡的组合滑面；刘志斌4 通过建立安全系数与相关参数的方程，程序语言试算，得到最小安全系数；对组合破坏安全系数的求解，石林珂、涂帆等学者采用等弧长条分法5-6 ，赵敏采用积分法并编程计算7 ，均取得了很好的效果。本文使用等弧长条分法建立安全系数解析式，采用matlab程序语言编制程序Comslope进行求解，研究了不同参数情况下，组合破坏的安全系数与平移破坏长度的关系，以及垃圾坝几何参数和垃圾土力学参数对组合破坏的最小安全系数的影响。1.1基本假设（1）垃圾体为均质连续土体，经典土力学理论适用于垃圾土。（2）垃圾体底面基础为刚性基础，即在发生组合破坏的过程中，垃圾体在底面只发生沿衬垫平移破坏，衬垫下基础不发生沉降或破坏。1.2组合破坏模型组合破坏断面示意图如图1所示。J四川环境的位置由圆弧的割线与水平线的夹角确定，圆弧的曲率由圆弧过F点的切线与水平的夹角确定。建立稳定系数FS的数学模型，则稳定系数FS是M、和的函数，FS=f（M，），所求最小安全系数FSmin即为边坡的稳定系数，与之相对应的参数M、所确定的滑面即为最危险组合滑面。组合破坏的平移破坏部分，可以直接求解；圆弧破坏部分，可以采用等弧长条分法求解。由图1可以推出组合破坏相关参数：L=H-M tan,弦长 FI=L/sino,半径R=0.5L/（s in g s in（-)）,角度变化区间,2-以0 为坐标原点，以下坐标为：F(Rsin,-Rcoso),E(Rsin-M,-Rcos-Mtan)EJ的直线方程为Y-Ye=k（X-X），带人k=tan，则EJ的直线方程为：Y1=tan（X-R s i n o +M)-R c o s -M t a n=xtan+tan(M-Rsin)-Rcos-MtanIJ水平线的方程为Y2=H-RcosQ-Mtan设土体及材料参数如下：垃圾土的粘聚力和摩擦角分别为Csw、sw，衬垫的粘聚力和摩擦角分别Cln、in，垃圾土的重度sw，设FS为组合破坏安全系数，FSmi为组合破坏最小安全系数。1.3组合破坏解析式(1）当MH cot，如图2。0iI42卷JFM图2 组合破坏模型（情况1）工FEM图1组合破坏断面示意图Fig.1 Schematic diagram of the combined destruction section图中：=填埋场护坡坡角，=填埋场底部边坡角，H=填埋场高度。组合滑面平移部分由水平距离M确定，圆弧EFig.2The model of combined destruction(case 1)采用极坐标方程，以0 为坐标原点，圆弧起点对应角为Wo=，圆弧终点对应角为n=2-0。以O为圆心坐标，填埋场表面线与边坡交点做垂线与圆弧交点，过该交点的角度为j，填埋场边坡线与顶面联合方程F（x），则：x=Rsin（o,）=R s in +H c o t-M4期=w=arcsin(sing+W,=1/2M(tan-tan)高文银等：现代卫生垃圾填埋场组合破坏的研究Hcot-MT,=W,sinR51J工当;,时,F()=F(sino,)=sino,tan+tan（M -R s in o）-R c o s a -Mtan当w;W;时,F（x）=F（s i n o;）=H-R c o s o-M t a n 直线部分S,=Ci.M/cos+W,costaninT,=W,sin曲线部分则每个分条w=（2）/n，每条弧长L;=RA，边坡线及表面线联合方程为Y=F（X），以第i条为研究对象，则各分点和各土条圆弧中点所对应的圆心角分别为：w;=0+(i-1)wW;=W;+0.5A则圆弧中点的纵坐标：y;=RcoswoiL;=RAaAy;=F(X)-y:Ax;=R（s in（+io）-s in +（i-1)圆弧分条重量：W,=Ay;Ax;T;=W,sino;N,=W,XcosO;设土条安全系数K，则C.L;+N,tangsK=TSt+Z(C.aL,+N,tang.m)nFS=T.+T.(2）当MH cot时，如图3。采用极坐标方程，以0 为坐标原点，圆弧起点对应角为=，圆弧终点对应角为=2-0。填埋场顶面方程F（x)。则：W,=1/2Hy(2M-Hcot）-1/2 M y t a n F（x）=F（s i n o;）=H-R c o s-M t a n 直线部分S,=CinM/cos+W,costanpinFEM图3组合破坏模型（情况2）Fig.3 The model of combined destruction(case 2)曲线部分则每个分条=（2）n，每条弧长L;=RA，边坡线及表面线联合方程为Y=F（X），以第i条为研究对象，则各分点和各土条圆弧中点所对应的圆心角分别为：w;=Q+(i-1)AaWoi=W;+0.5Aa则圆弧中点的纵坐标：y;=RcosooiL;=RAaAy;=F(X)Ax;=R（s in（+io）-s in+（i-1)4J)圆弧分条重量：W;=Ay;xAx;yT,=W,xsino;N,=W,coso;设土条安全系数K；，则C.uL;+N,tangK,=T,S,+Z(C.L;+N,tang.)FS=T,+ZT.=12结果与分析垃圾土的成分因地域、生活方式的不同而不同，导致垃圾土的性质差异较大，表1为垃圾土强度值，表2 为垃圾土重度值；衬垫也因为种类的不同，力学性质相差较大，表3为常用的衬垫类型的强度值。52资料来源Qianc(kpa)09()33表2 垃圾土重度Tab.2The gravity of msw资料来源朱向荣8 16.8表3衬垫强度值Tab.3 The Strength of liner资料来源Qian 1c(kpa)3$()15材料类型将填埋场几何参数和垃圾土的参数带人组合破坏解析式，通过matlab编制程序Comslope计算，可得出各参数变化时FS与M关系。2.1对 FS 的影响当=1545时，FS与M的关系如图4。在不同的值时，FS随着M值的增加而减少，达到最小值后，FS的值会随着M的增加而增大。当M值比较小时，边坡角小，相应安全系数大；当M值比较大时，边坡角小，相应安全系数较小。随着的增大，FSmm减少，发生FSmin对应位置的M值减小。取=45，计算出最小安全系数FSmin=0.967发生在M=17m处，填埋场处于失稳状态，这样的情况在填埋场的设计中应坚决杜绝；取=15，计算出最小安全系数FSmin=1.8404发生4.03.53.02.522.01.51.0米0.500Fig.4Relationship between FS and M with various 四川环境表1垃圾土强度值Tab.1The Strength of mswEid805035骆行文12 0.74 0.94 郭志平141.229波纹面土工膜粘土衬垫=1.1,=30m,w=10.2 kN/m3Cm=3kpa.0m=15.Cc.w=25kpa,.m-2203060M图4变化时FS与M关系42卷在M=85m处，此时填埋场处于稳定状态。可见，在填埋场的设计中，需要认真考虑的取值，使王朝晖9高文银10 4.631.414.427.440.4 49.6 32.5 36.5(kN/m)Sharma 133.1 13.2叶宝民1519.629.4-=15+=200*=25*=30=35=40=45090120填埋场的修建在满足安全性同时满足经济性。2.2 对 FS 的影响当=08时，得到FSmn与M关系如图5。当M比较小时，FS随值增加而增大；当M比较大时，FS随值增加而减小。随着的增大，FSmin减小，发生FSmin对应位置的M值增大。因为填埋场底部放坡主要是考虑到排水要求，因此在满足排水要求的情况下，设计当中值尽量取小。3.20=18.43.01.1,2.8Ch=3kpa.2.6米0.=15Cw=25kpa2.4C=1502.2Y0m=10.2kN/m2.01.81.61.40Fig.5 Relationship between FS and M with various 2.3 H对 FS 的影响当H=3090m时，FS与M的关系如图6。FS随着H的增加而减小；FSmmn随着H的增大而减小，发生FSmin对应位置的M值增大。设计当中应考虑H的取值，既安全又经济。5.0=18.4,4.5-1.1,Cim=3kpa,4.0Cm=15,3.5Csw=25kpa,3.0Psw-1502.5Ysw=10.2kN/m32.01.51.0米0.500Fig.6Relationship between FS and M with various H2.4w对 FS 的影响当sw=1535时，FS与M的关系如图7。150在同样的水平位移M条件下，w值越大，安全系数越大；sw取不同的值时，FS随着M的增加而减小，达到最小值后，FS随M的增加而增加。相同的M值的情况下，w值大，FS值大，可见垃圾=03：3=20-40=60=82040图5变化时FS与M关系-H=30mH=40m-H=50m*H=60m*一H=70m50100图6 H变化时FS-M关系60M150M801001201402002504期填埋场的安全系数随w增大而增大。随着w的增大，FSmm值增大，发生FSmm对应位置的M值增大。4.03.5*3.022.5元2.01.51.00Fig.7Relationship between FS and M with various sw2.5Csw对 FS 的影响当Csw=050kpa时，FS与M的关系如图8。填埋场的安全系数随着Csw的增大而增大；Csw一定时，FS先随M增大而减小，达到最小值后，FS先随M增大而增大。随着Csw的增大，FSmn增大，发生FSmm对应位置的M值增大。4.0=18.4=1.1,Chm=3kpa,0m=153.5m=22,H=30m3.0w=10.2kN/m32.52.01.51.00Fig.8 Relationship between FS and M with various Cs2.6,对 FS 的影响当Plm=1530时，FS与M的关系如图9。7.0=18.4-1.16.20m=15H-30m,5.4m224.6C.m-25kpa,3.8Ysw=10.2kN/m33.02.21.40Relationship between FS and M with various PinFig.9高文银等：现代卫生垃圾填埋场组合破坏的研究=18.4,=1.1,+sI=15Ch=3kpa,0m-15sw=20+s=251m=10.2kN/m3C.u-25kpa,H-30m3060M图7 w变化时FS与M关系一CsW=0-Csw=10kpa-Csw=-20kpaCsw=30kpa*-Csw=-40kpa-Csw=50kpa*+中2040图8 Csw变化时FS与M关系1n=151n=201n=25*1n=303060图9当in变化时FS与M关系53FS随着ln的增加而增大，FSmin也随ln的增加而增大；因此在填埋场的设计施工中，应尽量使用Pln大的衬垫类型。2.7C.的影响-*0s-35ds=30906080M90120M当Cin=020时，FS与M的关系如图10。4.5+C1n=04.0+cln=5kpaCln=10kpa0,-22c,25kpa,3.5-*Cln=15kpa3.0*Cln=20kpa1202.5*2.01.51.00图10 当Cm变化时FS与M关系Fig.10Relationship between FS and M with various CinFS随着Cin的增加而增大，FSmin也随Cn的增加而增大；因此在填埋场的设计施工中，应尽量使用Cin大的衬垫类型。3 结 论（1）取得最小安全系数FSmm时的M0，说明组合破坏先圆弧破坏发生，证明了组合破坏发生的可能性。（2）FS随值增加而减小，随的增加而减小，随H的增加而减少。因此，在填埋场的设计100120140150180=18.4,=1.1m=15,H-30m,Y.w=10.2kN/m3一30过程中，应综合考虑填埋场的几何参数，以期达到安全经济的效应。（3）FS随Cim值增加而增大，随的增加而增大。填埋场施工当中，衬垫选用除了考虑渗透系数等因素外，还应该考虑衬里的力学性能。（4）FS随Csw值增加而增大，随w的增加而增大。填埋场在分区填埋过程中，应考虑增大垃圾土力学强度的措施，如分层填埋、压实等。（5）本研究可以作为垃圾填埋场设计和施工工作指导，应综合考虑几何因素和衬垫性能，使之安全又经济。参考文献：1 Q i a n,Xu e d e,a n d K o e r n e r,R.M.“A Ne w M e t h o d t o A n a l y z efor,and Design against,Translational Failures of Geo-syntheticLined Landills C J.Geo-synthetics and Geo-synthetic-Engi-neered Structures,The ASME/ASCE/SES Mc Mat 2005 Confer-60M9012015054ence,Baton Rouge,Louisiana,2005:61-98.2张鲁渝.边坡稳定分析软件ZSlope的开发J.岩石力学与工程学报,2 0 0 4,2 3（16)：2 8 30-2 8 35.3张鲁渝.边坡稳定分析中组合滑面的构造模型J.岩土工程学报,2 0 0 5,2 7(8):8 55-8 59.4刘志斌，王志宏，王铁.露天煤矿顶帮边坡最危险组合滑面的确定方法J.阜新矿业学院学报（自然科学版），19 9 5(2):71-74.5石林珂，李振兵，孙懿斐，等.等弧长条分法及其工程应用J.华北水利水电学院学报,2 0 0 4,2 5（2）：4145.6涂帆.土坡渐进破坏的可靠度J.岩石力学,2 0 0 4,2 5（1)：87-90.7赵敏，何晖，厉巍生.土质边坡稳定分析的积分法及程序设计J.西安工业大学学报,2 0 0 6,2 6（5）：46 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