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一、优选的意义和未来垃圾处置规划区优选思路

（一）优选的意义

城市的发展往往伴随着垃圾产量的同步增长，日益增长的垃圾产量需要无害化处置。垃圾填埋处置方法具有不可替代的作用，原因：①这种方法成本低，最适合我国国情。②对垃圾处置彻底，不论何种垃圾都可通过填埋处置。③通过其他方法（如焚烧、堆肥等）处置，最后剩余的末端垃圾，也要通过填埋实现最终处置。④只要填埋处置的防护措施适当，此法完全能实现垃圾的无害化、资源化和减容化。总之，在今后相当长的时期内，填埋处置仍将作为垃圾处置处理的主要方法之一。

（二）平原区未来垃圾处置规划区优选思路

选出的未来适合垃圾填埋处置的规划区—它不是具体的场地，但在该区域内能选出适合的场地。北京平原区未来垃圾处置规划区的优选思路是：先根据环境地质条件的优劣分区，然后根据地质环境条件、场地建设条件、与城市的距离、交通运输条件、环境保护条件、社会经济发展及城市发展规划等情况，结合建设部《城市生活垃圾卫生填埋技术标准》、中华人民共和国《生活垃圾填埋污染控制标准》和中华人民共和国环境保护行业标准等，利用系统工程的层次分析法，进行定量评分评价，最后根据每个区域的分值大小，对它们的适宜性进行排序。

二、优选方法介绍

（一）垃圾填埋规划区的优选步骤

要选择好一个理想的场地，一般要经历下列几个步骤。

1.规划区选择技术基本原则

规划区选择的总原则是，以合理的技术、经济方案和尽量少的投资，收到最理想的经济效益，实现保护环境的目的。要实现这一目标，一般除了要考虑环境地质条件外，还要综合考虑当地经济、交通、地形、气候情况、地表水文条件等因素。根据国外发达国家成熟的研究结果和成功的处置经验和我国国情及北京市的具体实践，我们认为北京市平原区垃圾处置规划区选择的具体原则叙述如下。

（1）规划区与城市的距离。垃圾填埋场可能对城市的影响即污染大气、地下水与地表水资源及污染土壤等，从而威胁城市居民的健康。因此，堆场离城市距离越远越好。

（2）交通运输条件。从经济效益上考虑，交通条件便利的地方，运输成本低。在北京，交通运输条件一般考虑运输距离。当然，运输距离越近越便利。一般要求距离公路不超过500m。

（3）环境保护条件。

①要求场地面积及容量能保证使用10年左右，在成本上才合算。

②对地表水不造成污染或污染的可能性很小，垃圾的渗出液不排入土地或农田，因此，最好不要堆放在河流岸边。

③要求与当地居民区的距离大于500m，选择常年风向不易于携带臭味到居民区的地段。

④尽可能地利用废弃土地或使用便宜土地或荒地。

⑤远离飞机场，要求距离大于10 km。

（4）场地建设条件。

①地形越平坦越好。

②除垃圾处置区外，要求有足够大的地方建办公室和磅称房等，还需留有机动区和作业区域。

③最好有作填埋场衬垫系统的粘土或其他衬垫材料。

④建场费用越小越好，如最好已通水通电等。

（5）地质环境条件。

①地下水位埋深场地离地下水位的垂直距离等要足够大，当地不能有作为地下水源的地下水流出。

②场地地质稳定性要好，不能有边坡失稳、泥石流、地面塌陷等发生。

③隔水层粘土厚度越大越好。

④地下潜水水质越差、水量越小的地方越适宜。

⑤与供水井的距离至少大于800m，远离水源地800m以上。

⑥作为衬垫层，其渗透系数要求在10-8～10-9cm/s最好。要求土料液限含水量大于30%，塑性指数大于15。

⑦低洼湿地、河畔、沟浜等地段不能建场。

⑧包气带土层对垃圾淋滤液净化能力越大越好。

⑨专用水源地地区不宜建场。

（二）地质环境条件分区

1.地质环境条件分区参数及其标准的确定

地质环境条件分区参数及其标准的确定可见第六章第四节文字及表6-2。

2.地质环境条件分区结果

根据北京市平原区大量的地质、水文地质、工程地质等方面的钻孔资料及我们调查数据，应用上述分区标准（第六章表6-2），对北京市平原区进行分区，得到如图版Ⅷ－1（北京市平原区垃圾填埋场优选分区图）所示的分区结果：北京市平原区未来垃圾处置规划区可分为地质条件理想的地区、地质条件较好的地区、地质条件基本合格的地区和不宜填埋垃圾的地区四类。

（三）垃圾填埋规划区的定量优选方法

1.规划区的优选层次分析法

应该说，用于场区的选择方法是相当多的，比如有灰色系统理论的灰色聚类法、模糊数学中的模糊综合评判法、专家系统法和地理信息系统（GIS）等，但根据我们多年的实践经验，我们认为层次分析法既能综合处理具有递阶层次结构的场区适宜性影响因素之间的复杂的关系，又易于操作，得到比较量化的结果，方法科学而准确。

（1）层次分析法（AHP）简介。层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是美国运筹学家沙坦（T.L.Saty）于20世纪70年代提出的，本身即是一种定性与定量结合的多目标决策分析方法。特别是将决策者的经验判断给予量化，对目标（或因素）结构复杂且又缺少必要的数据的情况时更为实用。这种方法在我国各个领域的应用发展的相当迅速。其基本思路是：先根据当地的城市规划、交通运输条件、环境保护、环境地质条件等，拟定若干可选场地（段），再将这些场地（段）的适宜性影响因素与上述选择原则结合起来，构造一个如图11-1所示的层次分析图，再把各层次的各因素进行一一的量化处理，得出每一层各因素的相对权重，直至计算出方案层各个方案的相对权重，根据这些权重进行评判。

（2）层次分析法的基本原理及计算。

①基本原理。设有n件物体A1,A2，…，An，它们的质量分别为W1,W2，…，Wn。

若将它们两两地比较质量，其比值可构成n×n矩阵A:

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

A矩阵具有以下性质：若用重量向量表示，则

W＝（w1,w2，…，wn）T

若乘以A矩阵，则得到

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

即

（A-ni）W=0

由矩阵理论可知，W 为特征向量，n为特征值，若W 为未知向量，则可根据决策者对物体之间两两相比的关系，主观得出比值判断，或用Delphi法来确定这些比值，使A矩阵为已知，故判断矩阵记作： 。

根据正矩阵的理论，可以证明：若A矩阵有以下特点（设aij=wi/wj）：

①aij=1（i=j）

②aj=1/aji（i，j=1,2，…，n）

③aij=aji（i,j，…，n）

则该矩阵具有唯一非零的最大特征值λmax，且λmax=n。若给出的判断矩阵A具有上述特性，则该矩阵具有完全的一致性。然而人们在对复杂事物的各个因素采用两两比较时，不可能做到对判断的完全一致性，而存在估计误差，这必然导致特征值及特征向量也产生偏差。

这时问题由AW=nW，变成： 。这里λmax是矩阵A的最大特征值，W＇便是带有偏差的相对权重向量。这就是由判断不相容而引起的误差。为了避免误差太大，所以要检验矩阵A的一致性。当A矩阵完全一致时，因 ，存在唯一的非零A=Amax=n。而当矩阵判断存在不一致时，一般是λmax≥n。

这时

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由于

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

故以其平均值作为检验判断矩阵的一致性指标

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

当λmax=n,CI=0时，可判定为完全一致。CI值越大，判断矩阵的完全一致性差，一般只要求CI不大于0.1，认为判断矩阵的一致性可以接受，否则必须重新进行两两比较判断。

判断矩阵的维数n越大，判断矩阵的一致性越差，故应放宽对高维判断的矩阵一致性要求。于是引入修正值R·I，见表11-2，并取更为合理的C·R为衡量判断矩阵一致性的指标。

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

表11-2 R·I与维数的关系表

标度的确定：

为了使各个因素之间进行的两两比较得到量化的判断矩阵，引入1～9的标度。心理学家研究指出：人们区分信息等级的极限能力为7±2，特制定表11-3。

表11-3 标度aij的确定表

可见n×n矩阵，只需要给出n（n-1）/2个判断数值。除表9-3的标度方法之外，还可以用其他标度方法，此处不再详述。

（3）层次模型及判断矩阵的建立。根据问题的具体情况，一般分为目标层A，制约因素层B，制约子因素层C或层次更多的结构。对于图11-1所示的层次结构，可建立如下的矩阵：

目标层A和制约因素层B的判断矩阵 制约因素层B和制约因素层C的判断矩阵

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

（4）相对权重的计算方法。一般地讲，在AHP法中计算判断矩阵的最大特征值与特征向量（即相对权重），并不需要高的精确度，故用近似方根法计算即可。

图11-1 垃圾填埋场优选分区层次结构模型图

这是一种近似计算法，其计算步骤为：

①计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

得到

②将wi归一化，即计算

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

得到 ，即为所求特征向量的近似值，这也是各因素的相对权重。

③计算判断矩阵的最大特征值λmax

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式中： 为向量 的第i个元素；A＝判断矩阵。

④计算判断矩阵一致性指标，检验其一致性。

所计算的相对权重通过一致性检验后，就认为这个权重正确。各制约因素（制约子因素）对上层次因素相对权重求出来后，便可以利用下述广义目标函数定义的数学模型对适宜性进行综合评价。

2.规划区适宜性综合评价评分的数学模型

对于垃圾堆放场适宜性评价系数，我们用多目标决策的线性加权方法来描述，建立一个广义的目标函数，将垃圾堆放场适宜性评价这个大系统的各个子系统（大因素之下的各个子因素）有机地结合起来，评价其适宜性。这个广义的目标函数可表述为：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：Z为某堆放场适宜性总分；i为第一层制约因素第i项影响因素，i=1,2，…，n;n为某堆放场第一层制约因素个数；Zi为第一层制约因素第i项影响因素之总分。

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：Zi为第一层制约因素第i因素之总分；i为第一层制约因素个数；j为第一层制约因素第i项影响因素的第二层子因素第j子因素j=0,1,2; L为第二层制约因素第三层子因素的第L子因素L=0,1,2，…，n; K1为第一层制约因素第i项影响因素之个数，K1=1,2，…，n; Ki00为第一层制约因素第i子因素权重；Kij0为第二层制约因素第j子因素权重；KijL为第三层制约因素第L因素权重；KijLs为第三层制约因素第L因素实际贡献权重。

从理论上讲，制约因素层次可无限细分，但对北京堆放场适宜性评价来讲，最多是三层。有的是一层，或是二层，不足三层子因素的。其对上层因素的权重分别可用Ki00=1或Kij0=1来补足。

对于最后层次子影响因素，其对上层的权重由理论权重（层次分析法计算而得）和实际权重Kij LS（用实际资料、数据、结合评判标准求得）综合而得。

若按百分制计，层次分析综合评价数学模型则为：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

利用层次分析法求得各因素权重和这个评价模型即可对堆放场适宜性进行综合评价。

3.填埋场适宜性评判标准

适宜性评价标准分两类，一是等级标准，二是各因素对场区适宜性影响的具体标准。

（1）适宜性评价的等级标准。根据有关研究成果和成功的实践经验，适宜性的等级标准采用百分制是较适合的。表11-4是填埋处置场（区）适宜性等级标准。

表11-4 适宜性等级标准

（2）适宜性评价的具体标准。某个城市垃圾填埋场场地（区）适宜性评判标准是由该城市的建设发展规划、经济发展情况（经济实力）、土地资源、环境保护要求、垃圾的成分和数量、地质环境条件等所决定的。评价标准采用相对权重的形式表示，目的是为了与广义目标函数所定义的适宜性平稳的数学模型及层次分析法计算方法的权重配套使用。下列即是适宜性评价的具体标准。

①环境地质条件（B1）。

②交通运输条件（B3）。

表11-5 环境地质条件权值确定

表11-6 交通运输条件权值确定

③境保护条件（B2）。

表11-7 境保护条件权值确定

续表

④建场条件（B4）。

表11-8 建场条件权值确定

⑤社会环境影响（B5）。

表11-9 社会环境影响权值确定

垃圾填埋场稳定性的计算

据统计，中国每年产生超过4亿吨生活垃圾。如果算上建筑垃圾，这个数字将超过30亿吨。建筑垃圾是新建、改建、扩建和拆除建筑物过程中产生的渣土、弃土、弃料、淤泥及其他废弃物的总称，目前也是我国城市单一品种排放数量最大、最集中的固体垃圾。

在建筑垃圾治理体系中，推进建筑垃圾减量化一直是其中的重要内容。修订后的《固废法》要求政府制定包括源头减量在内的建筑垃圾（污染环境）防治工作规划后，住建部很快在《关于推进建筑垃圾减量化的指导意见》（下简称《意见》）中提出了“2020年年底，各地区建筑垃圾减量化工作机制初步建立”的近期工作目标，并围绕施工现场这一建筑垃圾减量化工作的主战场制定了《施工现场建筑垃圾减量化指导手册（试行）》（下简称《手册》）。

结合2018年以来的建筑垃圾治理试点工作经验，新政围绕存量治理与增量控制双管齐下，旨在有效减少工程全寿命期的建筑垃圾排放。

1、建筑垃圾存量治理

当前，我国存量建筑垃圾已达200余亿吨，建筑垃圾“围城”、“堆山”、“填河”等现象愈演愈烈。对占用公共用地、影响城市环境的存量建筑垃圾进行消纳治理，是建筑垃圾减量化的当务之急。

消纳治理即确保建筑垃圾被倾倒至指定场所，而非倾倒、抛撒或堆放于其他场所。相应的，《手册》从施工现场端予以了规范：出场建筑垃圾应运往符合要求的建筑垃圾处置场所或消纳场所。针对消纳治理基础设施状况，修订后的《固废法》也要求政府做好消纳设施和场所布局及建设工作。此外，地方政策还因地制宜设置了弹性要求，如《湖南省人民政府办公厅关于加强城市建筑垃圾管理促进资源化利用的意见》明确：对城区和城乡结合部现存的渣土堆，短期内不能清理的，各地应在安全加固、地形整理基础上进行绿化。

在加快建筑垃圾消纳治理的同时，建立健全建筑垃圾开发和再利用体系也是存量治理的路径之一。建筑垃圾并非“一无是处”，其中的许多废弃物经分拣、剔除或粉碎后可作为再生资源重新利用，如砖、瓦可重复使用，且废砖、碎瓦可作为再生骨料。

为提高建筑垃圾的资源化利用率，《意见》明确：施工单位应充分利用混凝土、钢筋、模板、珍珠岩保温材料等余料，在满足质量要求的前提下，根据实际需求加工制作成各类工程材料，实行循环利用。事实上，施工单位在地形整理、工程填垫等环节合理利用建筑垃圾，能够直接实现就地减量。当然，《意见》也对不具备就地利用条件的施工现场做出规定，要求其按规定及时转运到建筑垃圾处置场所进行资源化处置和再利用。

2、建筑垃圾增量控制

为减少建筑垃圾的产生，《意见》要求各参建主体积极开展绿色策划、实施绿色设计、推广绿色施工，在工程建设全周期控制建筑垃圾增量。

绿色策划即在项目构成和总体设想中推动建筑垃圾增量控制常态化。从建造方式看，绿色建筑、装配式建筑以及全装修交付等建设方式的应用能够减少施工现场建筑垃圾的产生，也是建筑行业现代化的必经之路；从建造用材看，可再生、可循环利用的绿色建材和施工周转工具能够提高建材利用效率，是实现建筑垃圾减量化的长远选择。另外，为减少因施工质量、“错漏碰缺”等原因造成的返工而浪费建筑材料、产生建筑垃圾，《意见》还鼓励建设单位推进建筑信息模型（BIM）等技术在工程设计和施工中的应用，并创新组织模式加强设计与施工的深度协同。

绿色设计即在工程设计中为建筑垃圾增量控制提供体系化依据。《意见》一方面要求设计单位推进功能模块和部品构件标准化，通过细节的统一化、系列化、通用化、组合化、模块化避免或减少施工过程中拆改、变更产生建筑垃圾；另一方面要求设计单位深化设计，保证设计深度满足施工需要，减少施工过程设计变更。

绿色施工即在工程施工过程中将建筑垃圾增量控制落到实处。为落实各方建筑垃圾减量化责任，《意见》要求施工单位在建筑垃圾源头减量（源头减量措施包括设计深化、施工组织优化、永临结合、临时设施和周转材料重复利用、施工过程管控等）、分类收集与存放、就地处置、排放控制等方面采取相应措施；也引导各参建主体采用先进技术、工艺、设备和管理措施，应用技术力量实现建筑垃圾减量化。其中，围绕《意见》提出的“鼓励以末端处置为导向对建筑垃圾进行细化分类”，《手册》也制定了施工现场建筑垃圾的分类收集与存放细则，这也将为建筑垃圾资源化利用以及垃圾分类提供助力。另外，《手册》还从施工现场建筑垃圾减量化专项方案的编制、源头减量、就地处置、排放控制等维度进行了部署。

存量治理与增量控制齐头并进，方能够做好建筑垃圾减量化工作，促进绿色建造和建筑业转型升级。在此基础上，建筑垃圾治理体系也应加紧完善：通过在建筑垃圾收集、运输、资源化利用和处置管理全周期落实建筑垃圾减量化，我国建筑垃圾治理能力才能得到整体提升，建筑业也将为节约资源、保护环境做出应有贡献。

一、用土工膜覆盖的土质边坡的稳定性计算

在考虑衬垫下土质边坡的稳定性时，通常均假定以圆弧滑动作为其可能的破坏方式。在此假定前提下，可出现几种破坏形式，包括底部破坏，顶部破坏（在锚沟内或以外）和坡面破坏，如图4-11所示[103]。

常规的设计步骤包括已知坡高、土的工程性质和抗剪强度参数。由于整个场地均有望位于地下水位以上并处于平衡状态，因此常规方法均采用总应力分析法。

图4-11 用土工膜覆盖的土质边坡的破坏形式[3]

假设一个转动中心和滑弧半径，对于图4-11中a、b两类滑弧可将士体分成若干垂直土条并对滑动中心取力矩平衡，给出下列安全系数公式

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式中：Wi为i土条质量；θi为i土条底部中点切线与水平线交角；Δli为i土条底部弧长；φ为土的内摩擦角；土的凝聚力；R为破坏滑弧的半径；n为所利用的土条数。

上式中分子分母均有R，可以消去。若考虑其他因素如地震力，活荷载等则上式应作相应变化。在对假定滑弧任意选择的转动中心和半径算出其他安全系数后，就可进行搜索以找出安全系数最小的那个滑弧。在此标准下算得的最小安全系数若Fs<1.0，表示边坡不稳定，Fs＝1.0表示刚开始破坏，Fs>1.0则边坡是稳的，Fs值愈大愈安全。通常取Fs=1.5作为安全值。若Fs太小，则需将坡角减小直至F。满足要求为止。

上述步骤计算工作量很大，多年来已给出许多设计图表供快速求解，图4-12及图4-13就是其中一种，在应用图上这些曲线时，安全系数可按下式计算式中：Fs为最小安全系数；土的不排水强度（或凝聚力）；γ为整体重力密度；H为土坡垂直高度；Ns为稳定数。

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图4-12 由土的不排水强度作出的稳定曲线[104]

关于稳定安全系数的计算例子，可以参见岩土工程学或土力学中有关土坡稳定性计算的章节，本书将不举例说明。

对于图4-11中的滑弧c及d，安全系数公式要稍作改变。如果土工膜衬垫用土覆盖紧贴坡面并固定在锚沟内（通常均应如此），此时衬垫处于拉伸状态，分析时应考虑其张力的作用，安全系数公式应改成式中：T＝σa·t；σ。为衬垫允许应力；t为衬垫厚度；a为力臂，最大等于R。其余符号意义同前。

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图4-13 由土的凝聚力和摩擦角作出的稳定曲线

若在衬垫上（或）下铺设土工织物以联结土工膜，也可作类似处理。无论何种情况，衬垫产生的张力对于给定的圆心位置和半径，其净效果都能使安全系数加大，如果忽略这一点，所产生的误差会使结果偏于保守。关于作用于滑弧底部的拉力，则对阻止潜在的破坏并无多大好处。当然，如果衬垫上不用土覆盖，就不会有法向应力来增加抗滑阻力，但即使有了覆盖，其净效果也不明显。

由于边坡稳定计算有单调而重复的特点，它很适合于用电脑计算，这样的电算程序已很多，如果要包括上述土工合成材料张力的计算，修改一下也是很方便的。

二、边坡位置多层衬垫系统的稳定性

主要的（第一层）粘土衬垫直接建于第二层淋滤液排水层之上，而该层又依次铺设于第二层土工膜之上。整个衬垫系统抗滑稳定性取决于系统各组成部分接触面上可利用的抗剪强度，通常第二层淋滤液排水层与第二层HDPE土工膜衬垫的接触面上抗剪强度最小，因此这一接触面是最危险的面。如果位于边坡的第二层土工膜衬垫是一层粗面HDPE膜，而第二层淋滤液排水层是一层两面贴有带针孔无纺土工织物或土工复合材料，则用于衬垫稳定性计算的各不同接触面上的摩擦角和凝聚力可见表4-10。

表4-10 多层衬垫材料接触面抗剪强度参数[3]

复合衬垫沿坡面滑动的稳定性因具有多层衬垫和淋滤液排出层而变得非常复杂。垃圾重力荷载增加的剪应力通过第一层淋滤液排水层传至第一层衬垫系统。这些应力的一部分又通过摩擦转移至其下由土工织物和土工网组成的第二层淋滤液排水层，这些接触面之间摩擦力的差值必须由第一层土工膜衬垫以张应力的形式来承担，并与土工膜的屈服应力对比以确定其安全度。传至土工织物和土工网上的那部分力现在又通过它们传至下面的第二层衬垫系统，其应力差由土工织物和土工网承担并连续作用于第二层土工膜，不平衡部分最后再转移到土工膜下面的粘土衬垫中。图4-14表示作用于多层衬垫系统各接触面上的剪应力，图中F和F＇是作用力和反作用力的关系。

（一）施工期边坡衬垫系统的稳定性

双楔体分析可以用来计算在边坡的第一层或第二层粘土衬垫抵抗可能破坏的安全系数。如图4-15所示。粘土衬垫可以分成两段不连续的部分，主动楔位于坡面可导致土体破坏，被动楔侧位于坡脚并阻止破坏的发生。图上已标出主动楔体和被动楔体上的力。为简化计算，假定作用于两楔体接触面上的力EA和EP的方向均与坡面平行，坡顶则存在一道张裂缝将滑动土体与坡顶其他土分开。各作用力、摩擦角及边坡几何尺寸所用符号说明如图4-15。

图4-14 边坡双层复合衬垫系统接触面上的剪力[3]

考虑主动楔力的平衡（图4-15）有：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

因

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由（4-10a）（简称（a），以下各式略同）→（c）

（d）→（b）

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考虑被动楔力的平衡（见图4-15），有：

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∑Fγ＝0,

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图4-15 边坡位置覆盖上层受力分析剖面图

WA—主动楔重量（面积乘以重度）；WP—被动楔重量（面积乘以重度）；β—坡角；H—覆盖土的厚度；L—坡面长度；HV—坡高；LH—边坡水平距离；φ—土的内摩擦角；δ－土层底部与邻近材料之间接触面摩擦角；NA—作用于主动楔底部的法向力；FA—作用于主动楔底部的摩擦力；EA—被动楔作用于主动楔的力（大小未知，方向假定与坡面平行）；NP—作用于被动楔底部的法向力；FP—作用于被动楔底部的摩擦力；EA—主动楔作用于被动楔的力（大小未知，方向假定与坡面平行），EA＝EA;Fs—覆盖土层的稳定安全系数

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

上式可改写成：

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这是Fs的一个一元二次方程，其解为：

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式中

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C=WA·sinβ·cosβ·tanφ·tanδ

由（d）

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由（a）

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算例1：一边坡位置的双层复合衬垫系统（图4-14）其有关资料如下：填埋场边坡角β＝18.4°（1:3）；坡高Hv=15.25m；边坡水平距离Lh=45.75m保护砂层覆盖厚Hs=0.60m（垂直于边坡）；砂的重度γs=18.00 kN/m3；粘土的摩擦角φ＝32°；第一层压实粘土衬垫厚Hc=1.0m（垂直边坡）；粘土的重度γc=17.3 kN/m3；粘土的摩擦角φs=30°；砂层与第一层土工复合材料之间的摩擦角φ1=26°；第一层土工复合材料与第一层土工膜之间的摩擦角φ5=22°；第一层土工膜与第一层粘土衬垫之间的摩擦角φ3=25°第一层粘土衬垫与第二层土工复合材料之间的摩擦角φ4=28°；第二层土工复合材料与第二层工膜之间的摩擦角φ5=22°；第二层土工膜与第二层粘土衬垫之间的摩擦角φ6=25°。试计算施工期边坡位置双层复合衬垫系统各接触面上的剪力和层间稳定安全系数。

解：计算在铺设第一层土工膜之前从第一层粘土衬垫到第二层粘土衬垫各接触布的剪力和安全系数。

A.第一层粘土衬垫与第二层土工复合材料之间接触面的安全系数。

坡角β＝18.4°，sinβ＝0.136,cosβ＝0.949

粘土摩擦角φc=30°，tanφc=0.577

第一层粘土衬垫与第二层土工复合材料之间接触面摩擦面δ4=28°，tanδ4=0.532

Wp=0.5·γc·（Hc/cosβ）·（Hc/sinβ）＝0.5×17.30×1.05×3.16=28.70kN/m

WA=yc·（Hc/cosβ）·[LH-Hc/sinβ]=17.30×1.05×（45.75-3.16）=773.65kN/m

A=WA·sinβ·cosβ＝773.65×0.316×0.949=232.00

B=－（Wp·tanφc+WA·sinβ2·tanφC+WA·cosβ2·tanδ4）

＝-[28.70×0.577+773.65×（0.316）2×0.577+773.65×（0.949）2×0.532]

=-（16.56+44.58+370.67）=-431.81

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

B.第一层粘土衬垫和第二层土工复合材料之间的剪力

F4=WA·cosβ·tanδ4/Fs4=773.65×0.949×0.532/1.68=232.50kN/m

HA=WA·cosβ＝773.65×0.949=734.20kN/m

F'4=F4=232.50kN/m

C.第二层土工复合材料与第二层土工膜之间的剪力

已知第二层土工复合材料与第二层工膜接触面摩擦角δ5=22°,tanδ5=0.404

（F5）max=NA·tanδ5=734.20×0.404=296.62kN/m>F'4=232.50kN/m故取：F5=232.50kN/m

F'5=F5=232.50kN/m

D.第二层土工复合材料与第二层土工膜接触面的安全系数

Fs5=（F5）max/F'5=296.62/232.50=1.28

E.第二层土工膜与第二层粘土衬垫之间的剪力

已知第二层土工膜与第二层粘土衬垫接触面摩擦角为δ6=25°，tanδ6=0.466

（F6）max=NA·tanδ6=734.20×0.466=342.14kN/m>F'5=232.50kN/m

故取：F6=232.50kN/m

F'6=F6=232.50kN/m

F.第二层土工膜与第二层粘土衬垫接触面安全系数

Fs6=（F6）max/F'6=342.14/232.50=1.47

（二）施工结束后边坡村垫系统的稳定性

位于边坡的粘土衬垫如图4-16所示，也可将其分为两个不连续部分，主动楔位于坡上可导致破坏而被动楔则位于坡脚并抵抗破坏。图4-16标出了作用于主动楔和被动楔上的力，主动楔和被动楔相互作用的力为EA及EP，其方向仍假定和坡面平行，坡顶仍假定存在张开裂缝使滑动体与坡顶其他土体不相连接。各作用力、摩擦角及边坡几何尺寸所用符号除与图4-15所用相同之外，尚有：

H为粘土衬垫厚度（垂直边坡）；Hs为覆盖砂层的厚度（垂直边坡）；γs为覆盖砂层之重度；PA为砂层作用于主动楔上部的法向力，PA＝γs·Hs[LH－（H/sinβ）]; PA为砂层作用于被动楔上部的法向力，PA＝γs·Hs·（H/sinβ）；FTA为由邻近材料传递至主动楔上部产生的摩擦力；FTP为由邻近材料传递至被动楔上部产生的摩擦力。

其余符号与“1、施工期边坡村垫系统的稳定性”部分相同。

图4-16 边坡第一层粘土衬垫受力分析剖面图[3]

考虑主动楔力的平衡（图4-18）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

因

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由（4-13a）（简称（a），以下各式略同）→（c）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

考虑被动楔力平衡（图4-16）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

用FT=FTA+FTP表示相邻材料传至衬垫（包括主动楔和被动楔）上部产生的摩擦力。

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

上式可改写成

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：A=WA·sinβ·cosβ＋FTcosβ－PPsinβ

B=-[（WA·cosβ＋PA）cosβtanδ＋（Wp+WA·sinβ2＋FT·sinβ＋PP·cosβ）tanδ]

而C＝（WA·cosβ＋PA）·sinβ·tanδ·tanφ

而

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由（d）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由（a）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

算例2：仍如图4-14的双层复合衬垫系统，位于边坡位置，其有关资料与算例1相同，试计算施工结束后该系统各接触面上的剪力和层间稳定安全系数。

已知坡角β＝18.4°，sinβ＝0.316,cosβ＝0.949

覆盖砂摩擦角φs=32°，tanφ＝0.625

覆盖砂层与第一层土工复合材料接触面上的摩擦角δ1=26。，tanδ1=0.488

WP=0.5γs·（Hs/cosβ）·（Hs/sinβ）＝0.5×18×0.63×1.90=10.77kN/m

WA＝γs·（Hs/cosβ）·[LH－（Hs/sinβ）]=18×0.63×（45.75-1.90）＝497.26kN/m

A=WA·sinβ·cosβ＝497.26×0.316×0.949=149.12

B=－（Wp·tanφs+WA·sinβ2·tanφs+WA·cosβ2·tanφ1）

＝-[10.77×0.625+497.26×（0.316）2×0.625+497.26×（0.949）2×0.488]

=-[6.73+31.03+218.54]=-256.30

C=WA·sinβ·cosβ·tanφs·tanφ1=497.26×0.316 x0.949×0.488×0.625=45.48

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

B.覆盖砂与第一层土工复合材料之间的剪切力

F1=WA·cosβ·tanφ1/F.=497.26×0.949×0.488/1.25=151.50kN/m

NA=WA·cosβ＝497.26×0.949=471.90kN/m

F'1=F1=151.50kN/m

C.第一层土工复合材料与第一层土工膜之间的剪切力

已知第一层土工复合材料与第一层土工膜接触面摩擦面δ2=22°，tanδ2=0.404

（F2）max=NA·tanδ2=471.90×0.404=190.65kN/m>F'1=151.50kN/m

故取：F2=151.50 kN/m

F'2=F2=151.50kN/m

D.第一层土工复合材料与第一层土工膜接触面安全系数

Fs2=（F2）max/F'2=190.65/151.50=1.26

E.第一层土工膜与第一层粘土衬垫之间的剪切力

已知第一层土工膜与第一层粘土衬垫接触面摩擦面δ3=25°，tanδ3=0.466

（F3）max=NA·tanδ3=471.90×0.466=219.91kN/m>F'2=151.50kN/m

故取：F3=151.50kN/m

F'3=F3=151.50kN/m

F.膜和第一层粘土衬垫接触面安全系数

Fs3=（F3）max/F'3=219.91/151.50=1.45

G.第一层粘土衬垫与第二层土工复合材料接触面安全系数

已知坡角β＝18.4°，sinβ＝0.316,cosβ＝0.949，粘土的摩擦角φc=30°，tanφc=0.577

第一层粘土衬垫与第二层复合材料接触面摩擦角δ4=28°，tanδ4=0.532

FT=F'3=151.50kN/m

Pp＝γs·Hc/sinβ＝18×0.60×1.0/0.316=34.18kN/m

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

H.第一层粘土衬垫与第二层土工复合材料之间的剪切力

FA＝（WA·cosβ＋PA）·tanδ4/Fs4=（773.65×0.949+459.92）×0.532/1.77=358.91 kN/m

F4=FA=358.91kN/m NA=WA·cosβ＋PA=773.65×0.949+459.92=1194.11 kN/m

F'4=F4=358.91kN/m

Ⅰ.第二层土工复合材料与第二层土工膜之间的剪切力

已知第二层土工复合材料与第二层土工膜接触面摩擦面δ5=22°，tanδ5=0.404

（F5）max=NA.tanδ5=1194.11×0.404=482.42kN/m >F'4=358.91kN/m

故取

F5=358.91kN/m

F'5=F5=358.91kN/m

J.第二层土工复合材料与第二层土工膜接触面安全系数

Fs5=（F5）max/F'5=482.42/358.91=1.34

Fs6=（F6）max/F'6=342.14/232.50=1.47

K.第二层土工膜与第二层粘土衬垫之间的剪切力

已知第二层土工膜与第二层粘土衬垫接触面摩擦面δ6=25。，tanδ6=0.466

（F6）max=NA·tanδ6=1194.11×0.466=556.46kN/m>F'5=358.91kN/m

故取

F6=358.91kN/m

F'6=F6=358.91kN/m

L 第二层土工膜与第二层粘土衬垫接触面安全系数

Fs6=（F6）max/F'6=556.46/358.91=1.55

三、垃圾的稳定性

在衬垫设施内的垃圾由于自身重力作用，其内部也会产生稳定问题，图4-17表示可能存在的几种破坏类型，图4-17（a）表示在垃圾内部产生圆弧滑动，这只有在垃圾堆积很陡时才会发生，可采用前述的边坡土体稳定性方法进行分析，唯对其抗剪强度参数的选择要十分小心，应注意到垃圾内摩擦角通常很高，但变化幅度极大，可能从30变至60°。图4-17（b）～（d）表示多层复合衬垫中存在有低摩擦面时可能发生的几种破坏情况。如沿垃圾与土工膜，砂层与土工膜，土工膜与土工网或土工膜与湿粘土之间这些接触面都有可能发生滑动。如果临界破坏面发生在土工膜的下面如图4-17（c）～（d）所示，则衬垫可能从锚沟脱出或在锚沟内被拉断，此时要附加一个作用力Fa或TL。一个典型的例子如图4-17（d），图中TL值等于土工膜的屈服应力乘以其厚度。

图4-17 城市垃圾几种可能的破坏模式[3]

（a）通过垃圾体的转动破坏；（b）通过垃圾体积与地基的转动破坏；（c）沿衬垫系统的滑动破坏；（d）通过垃圾体并沿衬系统发生的滑动破坏

在填埋场未填满时垃圾沿衬垫接触面滑动（图4-17（c）的稳定性评价，仍可采用双楔体分析方法。填埋场未填满时其外形如图4-18所示，将如图4-18（a）所示的垃圾分成不连续的两部分，在边坡上的是引起滑动破坏的主动楔，而阻止滑动的被动楔则位于边坡的底部。作用于两个楔体上的力如图4-18（a）所示，图中各有关的作用力、摩擦角及几何尺寸说明如下：

WP——被动楔的重量；

NP——作用于被动楔底的法和力；

Fp—作用于被动楔底部的摩擦力；

EHP——主动楔作用于被动的法向力（大小未知，方向垂直于两楔体的接触面）；

EVP——作用于被动楔边上的摩擦力（大小未知，方向与两楔体接触面平行）；

FSP——被动楔的安全系数；

δP——被动楔下多层复合衬垫各接触面中最小的摩擦角；

φs——垃圾内摩擦角；

a——垃圾的坡角；

θ——填埋场基底的倾角；

WA——主动楔的重量；

NA——作用于主动楔底部的法向力；

图4-18 填埋场垃圾两相邻楔体上的作用力[3]

FA——作用于主动楔底部的摩擦力；

EHA——被动楔作用于主动楔上的法向力

（大小未知，方向垂直于楔体接触面）EHA=EHP;

EVA——作用于主动边上的摩擦力（大小未知，方向与两楔体接触面平行）；

FSA——主动楔的安全系数；

δA——主动楔下多层复合衬垫各接触面中最小的摩擦角（可在边坡中使用残余接触面摩擦角）；

β——坡角；

Fs——整个垃圾的安全系数。

∑FY=O,

WP+EVP=NP·cosθ＋FP·sinθ

因：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由（4-17b）（简称b，以下各式略同）→（a）,（c）→（a）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

（b）→（e）

NP·cosθ·tanδP/FSP=EHP+NP·sinθ

NP[（cosθ·tanδP/FsP）-sinθ]=EHP

故：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

（f）→（d）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由此可求出：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

考虑主动楔力的平衡（图4-18（c）

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

因：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

可得：

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因EHA=EHP,FSA=FSP=FS，由（7）=（14），可得：

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令WT=WA+WP，为垃圾的总重量，将上式化简成一个一元三次方程式

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：A=WA·sinβ·cosθ＋WP·cosβ·sinθ

B＝（WA·tanδp+WP·tanδA+Wr·tanφs）·sinβ·sinθ

－（WA·tanδA+WP·tanδp）·cosβ·cosθ

C=-[WT·tanφs·（sinβ·cosθ·tanδp+cosβ·sinθ·tanδA）＋（WA·cosβ·sinθ＋WP·sinβ·cosθ）·tanδA·tanδp]

D=WT·cosβ·cosθ·tanδA·tanδp·tanφs

若填埋单元底部倾斜度很小，θ≈0，则sinθ≈0,cosθ≈1，方程（4-2-10）的系数项可简化为：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

算例3：一正在填埋的垃圾填埋场如图4-19所示，可能产生的滑动型式如图4-19c，试用双楔体分析计算其稳定安全系数，其基本资料如下：底部衬垫接触面摩擦角δp＝18°，边坡衬垫接触面残余摩擦角δA=10°；垃圾的内摩擦角φs=33°；垃圾重度11.0kN/m；填埋场底斜度2%（1:50）；垃圾填埋坡度20%（1:5）；坡角β＝18.4°；坡高15.25m；垃圾坡脚至边坡坡脚距离45.75m；垃圾顶边至边坡顶边距离15.25m。

解：作用于垃圾上的力见图4-19，已知坡角β＝18.4°，sinβ＝0.316,cosβ＝0.949，δA=10°，tanδA=0.176，δp=18°，tanδp=0.325，φs=33°，tanφs=0.694。

垃圾的总重量：WT=0.5×（45.75+15.25）×15.25×11.10=5116.38kN/m

被动楔的重量：WP=0.5×45.75×9015×11=2302.37kN/m

主动楔的重量：WA=WT-WP=5116°38-2302°37=2814.01kN/m

因填埋单元底部的倾斜度为2%，θ＝1.15°，故有sinθ＝sin1.15=0.02≈0,cosθ＝cos1.15=0.9998≈1，可以用式（4-19）计算Fs:

图4-19 一个城市垃圾填埋场在填埋期间的剖面图[3]

A=WA·sinβ＝2814.01×0.316=889.23

B=－（WA·tanδA+WP·tanδp）·cosβ＝-（2814.01×0.176+2302.27×0.325）×0.949=-1180.12

C=－（WT·tanφs+WP·tanδA）·sinβ·tanδp=-（5116.38×0.649+2302.37×0.176）×0.316×0.325=382.63

D=WT·cosβ·tanδA·tanδp.tanφs=5116.38×0.949×0.176×0.325×0.649=180.25

代入Fs的一元三次方程，得：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

化简成：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

即：

用试算法求解，结果如表4-11。

表4-11 稳定性系数使算表

四、垃圾坝稳定性问题

我国已建的填埋场大部分是山谷型填埋场。山谷型填埋场通常需在山谷出口处设一垃圾坝，使填埋场形成一个相对独立的作业区，在保持填埋体的稳定性的同时，增加填埋场库容，防止雨季作业时废物被雨水冲出填埋场外。垃圾坝一般就地取材，设计成土石坝。

垃圾坝承受的主要作用力有：①坝体自重；②填埋体土压力；③渗透压力。这些作用力对垃圾坝稳定性的影响如下：

（1）坝体自重：是垃圾坝的主要荷载，取决于坝体材料的容重和坝体剖面尺寸。对透水坝，应对其浸润线上下部分分别取湿容重和饱和容重计算其自重。由于垃圾坝一般不太高，坝坡较缓，因此因自重引起坝体破坏的可能性不大；

（2）填埋体土压力：相对于填埋体而言，垃圾坝为一场背向填埋体方向倾斜的挡土墙，承受主动土压力。根据库仑土压力理论，主动土压力Pa为：

Pa=0.5γHKa

式中：γ为填埋体容重（kN/m3）,H为坝高（m）; Ka为库仑主动土压力系数，是填埋体内摩擦角、填埋体与垃圾坝内坡间的内摩擦角、内坡倾角和填埋体顶面向垃圾坝方向的平均倾角A的函数，可以查表确定。由于填埋体的内摩擦角相对于其他土体来说是比较大的，因此垃圾坝承受的主动土压力相对较小。主动土压力方向与垃圾坝内坡的法向成δ夹角。由于垃圾坝内坡坡度一般为1/4～1/2，因此主动土压力作用方向接近于铅直向下，对垃圾坝的整体抗滑稳定性有利。

（3）渗透压力：采用垂直防渗方案（即在地下水汇集的出口处布设灌浆帐幕）的填埋场，垃圾坝一般设计成透水坝，允许渗滤液渗透通道坝体，进入坝前的污水池。对这种类型的垃圾坝，渗透压力是影响坝体稳定性的最主要荷载，其危害主要体现在以下几个方面：①渗流使浸润线以下的坝体受到水的上浮力作用，降低了有效重度和抗剪强度指标（内聚力和内摩擦角），从而降低了坝坡的抗滑稳定性；②渗透压力过大，将使坝体或坝基的某些部位产生渗透变形（管涌或流土等），造成坝体的严重沉陷，甚至丧失稳定，可通过在坝基和坝坡铺设排水反滤层的方法来克服渗透变形；③由于渗滤液是一种高浓度有机废水，其化学潜蚀（溶解坝体材料中的某些组分）作用很强，还应注意坝体材料抗渗滤液腐蚀的性能。采用水平防渗方案（压实粘土或高密度聚乙烯）的填埋场，垃圾坝内坡亦被防渗衬层所覆盖，浸润线位置很低，渗透变形微弱，化学潜蚀也可忽略。另外，填埋场底部防渗衬层对垃圾坝坝基而言相当于防渗铺盖，能够有效地降低垃圾坝坝基的水力坡度，防止垃圾坝因坝基渗透变形过大而失稳。

五、位于滑坡体上垃圾场稳定性评价

位于滑坡体上垃圾场稳定性评价，除要评价其自身稳定性外，还要评价其所处的滑坡体的稳定性。滑坡体的稳定性评价可参见相关书箱，这里不作叙述。

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