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废弃矿山垃圾填埋场边坡稳定性及加固防渗研究

席本强  
【摘要】: 随着垃圾产量的逐年增加和填埋场数量的逐年增多,可用于修建垃圾填埋场的场地也在逐渐减少,填埋场选址愈加困难,目前已成为制约垃圾填埋场可持续发展的重要因素。采用废弃矿山进行生活垃圾的填埋处理,可以同时解决垃圾处理占地量大、场地难找以及废弃矿山的生态与安全综合治理等难题。必将成为解决生活垃圾卫生填埋处理中垃圾填埋场场址选择困难的有效方法。而其中涉及的关键科学问题之一是废弃矿山高陡边坡的稳定性与防渗机理的研究。垃圾填埋场的稳定性与防渗性互相作用,边坡失稳则破坏防渗系统,而坡面的渗漏也影响到边坡的稳定性,因此边坡加固与防渗应作为一个整体研究。本文在系统分析废弃矿山边坡特点的基础上,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,深入开展了废弃矿山边坡稳定性及加固防渗技术的研究,主要取得了以下研究成果: (1)深入分析了废弃矿山垃圾填埋场边坡稳定性影响因素及加固防渗机理,通过对填埋场边坡稳定性分析方法的系统研究,提出了应用极限平衡理论的边坡多层衬垫系统稳定性计算方法和锚喷加固边坡稳定性分析的计算公式。 (2)以填埋场衬垫防渗系统中HDPE土工膜为实验研究对象,在一系列现场监测实验和室内实验研究的基础上,开展了边坡单、双层平铺衬垫压力载荷实验,研究了其在不同条件下的衬垫防渗系统的力学性能,研究结果表明:膜在拉伸时,前期处于弹性阶段变化,而后期进入到塑性阶段。顺纹拉伸时,膜进入塑性阶段后强度变化幅度较小;在载荷作用下,边坡坡脚处应力集中最明显,不利于土工膜的安全使用,且坡顶处的应力高于中部。 (3)通过对混凝土与注浆结石体胶结复合体防渗材料进行抗渗实验研究,得到不同条件下的胶结复合体强度和抗渗性能的变化规律。研究结果表明: ①所形成结石体的渗透系数与水泥和粘土加量关系密切,从阻渗效果看,粘土的作用大于水泥,而固化剂的主要作用是提高早期强度,随着固化剂量的增加其渗透系数逐渐降低; ②在渗透过程中,结石体的渗透系数总是逐渐下降并趋于某一特定值后达到稳定渗流,对渗滤液的阻渗效果也逐渐增强,所以采用粘土固化注浆技术防渗,其初始渗透系数和稳态渗透系数都是评价其防渗效果的重要指标。 ③结石体对不同性质渗滤液阻渗效果不同,一般重金属离子有机物蒸馏水。 ④渗滤液中污染物在结石体中的迁移速度受到污染物自身浓度的制约和限制。较高浓度下,由于渗滤液中的重金属离子的作用,结石体的渗透系数先升高,达到最大值后迅速降低,但总的来说是浓度越高越有利于阻渗。 ⑤结石体对渗滤液的阻渗作用与渗滤液的pH值有关,酸性条件下重金属离子易迁移,碱性环境有利于对污染物的阻滞。 (4)基于Mohr-Coulomb强度破坏准则和极限平衡法建立了废弃矿山垃圾填埋场胶结复合体型边坡稳定性计算的数学模型,且建立了废弃矿山垃圾填埋场饱和—非饱和土壤水流运动反问题的数学模型及最优化模型,并采用梯度正则化方法来反演相关参数,对不同工况(复合衬垫系统、锚杆锚固、注浆加固、加铺压实粘土台阶加固)条件下废弃矿山垃圾填埋场边坡的稳定性进行了数值模拟。研究成果表明: ①用梯度正则化方法来反演非饱和土壤水分运动参数,得出了模型参数的最优值,且反演结果与测试结果具有很好的一致性,表明了该方法可行; ②填埋堆体结构最大剪应力分布在最下面一层堆体的底部(与膜相接触处)。最大剪应变出现在坡体表面的膜附近,但由于软弱夹层的存在,使得堆体内有效应力的分布向外方向传递。随着填埋堆体的增高,稳定性也越来越差; ③通过对裸坡、注浆、锚杆锚固等不同条件下废弃矿山垃圾填埋场边坡稳定性的数值模拟,分析了粘土固化注浆加铺台阶技术方案用于高陡边坡加固防渗的可行性。为废弃矿山垃圾填埋场边坡加固防渗方案的设计与工程实施提供了技术支撑。 (5)基于系统实验研究与数值计算的分析成果,结合废弃矿山边坡岩土体工程地质条件,综合分析锚杆喷射加固技术、复合衬垫技术和可控粘土注浆等加固与防渗技术的可行性,提出了废弃矿山垃圾填埋场采用胶结复合体型边坡加固防渗的综合技术方案。 以上研究成果可为废弃矿山垃圾填埋场的设计、施工与安全运营及其评价分析提供重要的决策支持,具有重要的理论意义和工程应用价值。


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