《Advances in Materials Science and Engineering》：Deformation and Stability Analysis of Clay-Geomembrane Lined Landfill Slope: A Numerical Approach
编辑推荐：
本研究通过PLAXIS 2D数值模拟，系统评估了黏土-土工膜复合衬垫垃圾填埋场的边坡变形与稳定性，揭示了坡度角（Fs降至1.06）、填埋配置（蜂窝填充导致Fs降低23%）、垃圾龄期（老化使Fs从1.56降至1.36）及渗滤液水位（PWP升至32 kPa，Fs降至1.26）对边坡安全性的关键影响。模型验证表明，其能准确预测长期蠕变变形（4.80年达1.55 m），为填埋场设计与风险管理提供重要工具。
1. 引言
垃圾填埋场安全是现代废物管理系统的核心问题，其失效可能导致结构破坏、环境污染物泄漏及健康风险。边坡变形与稳定性受多种因素控制，包括废物成分、渗滤液积聚、气体生成、外部荷载以及衬垫系统特性。传统极限平衡法（LEM）常难以捕捉废物材料、渗滤液和加固系统间的复杂相互作用与异质性。
本文通过PLAXIS 2D软件，采用摩尔-库仑（Mohr–Coulomb, MC）、软土（Soft Soil, SS）和软土蠕变（Soft Soil Creep, SSC）模型，建立了七个材料模型和八个子模型，以模拟真实废物组成的非线性、时间依赖性行为。研究重点关注坡度角、填埋配置（水平与蜂窝填充）、垃圾龄期效应及渗滤液水位上升对边坡变形与稳定性的影响，旨在为填埋场设计与长期性能评估提供更精确的数值分析框架。
2. 材料与方法
2.1. 分析设计
研究采用有限元方法，通过PLAXIS 2D对黏土-土工膜复合衬垫的填埋场边坡进行参数化数值模拟。模型考虑了坡度角（1V:4H、1V:3H、1V:2H、3V:4H）、填埋配置（水平与蜂窝填充）、垃圾龄期（新鲜至15年）及渗滤液水位（从排水层基底至地表）等变量。材料参数通过文献综述收集，并进行反向分析校准，以确保模拟结果与实际场景相符。
2.2. 输入参数
模型中材料包括基础土（ML）、底部黏土衬垫/顶部黏土屏障（CH）、砂渗滤液收集层（SP）、底部与顶部砾石保护层（GP）以及植被覆盖层（CL）。关键参数如容重、剪切强度、渗透系数和固结特性均基于试验数据设定。垃圾材料参数则根据龄期调整，以反映其降解过程中力学与水力性质的变化。
2.3. 数值模拟方法
采用PLAXIS 2D进行平面应变分析，模型底部和侧面设置位移固定边界，水力边界考虑衬垫系统的极低渗透性。通过SS和SSC模型捕捉垃圾材料的非线性、异质性和蠕变行为。研究共开发了七个模型，分别对应不同坡度、配置和渗滤液条件，以系统评估各因素对边坡性能的影响。
2.4. 模型验证
通过反向分析和与已发表研究结果的比较，验证了模型的可靠性。重点校准了垃圾材料的参数（如单位重量、剪切参数、修正压缩指数λ*、修正膨胀指数κ*、修正蠕变指数μ*及渗透系数K），确保模拟的输出（如蠕变变形和安全系数Fs）与实测数据吻合。验证结果显示，模型在预测长期变形和稳定性方面具有较高的准确性。
3. 结果与讨论
3.1. 坡度角对填埋场变形与稳定性的影响
3.1.1. 变形
随着坡度角从1V:4H增加到3V:4H，最大竖向变形（U）从0.44 m显著上升至1.41 m。较陡的坡度导致变形加剧，例如坡度1:3（Model 2）时变形为0.75 m（占填埋高度的8%），已接近设计容许极限。
3.1.2. 边坡稳定性
安全系数（Fs）与坡度角呈负相关。当坡度从1:4增至3:4时，Fs从1.82降至1.06。Model 3（1:2）和Model 4（3:4）的Fs分别为1.31和1.06，均低于填埋场边坡稳定性通常要求的1.5阈值，表明陡坡下系统处于高风险状态。变形主要集中在边坡面与覆盖土工膜界面处，提示界面滑移可能是破坏的起始点。
3.2. 填埋配置与垃圾龄期效应
水平填充配置（Model 2）相较于蜂窝填充（Model 5）表现出更优的性能。蜂窝填充由于龄期异质性和压实不均，导致Fs降低23%（从1.60降至1.23），竖向变形增加49%（从0.75 m增至1.12 m）。差异沉降分析显示，蜂窝填充在中心区域产生更大的凹向下沉曲线，加剧了不均匀沉降风险。
垃圾老化对稳定性的影响显著。从新鲜垃圾到5年陈化垃圾，Fs从1.56降至1.36，变形从0.61 m增至0.80 m。5年后，由于有机物分解基本完成及孔隙比减小，变形与Fs变化趋于平缓。至15年时，总变形达0.87 m，侧向变形为0.39 m，平均Fs约为1.52，略低于Model 2的1.60。
3.3. 渗滤液水位对填埋场变形与稳定性的影响
渗滤液水位上升导致孔隙水压力（PWP）显著增加。当水位从排水层基底升至地表时，PWP从4.50 kPa增至32 kPa。随之，Fs从1.60（Model 2）下降至1.26（Model 7），竖向变形从0.75 m增加至1.12 m。长期蠕变分析表明，在持续重力荷载下，地表水位饱和条件（Model 7）经过4.80年（1750天）蠕变变形可达1.55 m，凸显了渗滤液管理对长期性能的重要性。
3.4. 模型验证
通过反向分析和与多项已发表研究的对比，验证了模型的预测能力。在蠕变变形方面，模型与Sim?es和Catapreta（2018）的结果最为接近（RMSE=2%），与He等人（2023）和Bareither与Kwak（2019）的对比则显示出稍高偏差（RMSE分别为8%和13%）。在稳定性方面，模型预测的Fs与Ismail等人（2020）的研究高度一致（RMSE=3.0%），与Feng等人（2021）、Ering和Sivakumar Babu（2016）及Keskin和Kezer（2023）的对比也表现出良好吻合（RMSE分别为6.7%、4.6%和5.3%）。验证结果证实了该PLAXIS 2D模型在模拟填埋场长期蠕变变形和边坡稳定性方面的有效性与适用性。
4. 结论
本研究通过PLAXIS 2D高级数值模拟，系统分析了黏土-土工膜衬垫垃圾填埋场边坡的变形与稳定性，得出以下核心结论：
- •
坡度角是控制稳定性的关键因素，建议采用1V:3H的坡度以实现Fs=1.60和可控变形（0.75 m）。
- •
水平填埋配置优于蜂窝填充，后者导致Fs降低23%、竖向变形增加49%。
- •
垃圾老化在最初五年内导致Fs从1.56显著下降至1.36，此后变化趋缓。
- •
渗滤液水位上升会大幅降低稳定性（Fs从1.60降至1.26）并增加变形，强调有效排水系统的重要性。
- •
在饱和条件下，长期蠕变变形在4.80年内可达1.55 m，突显了考虑时间依赖分析的必要性。
- •
模型通过反向分析与文献对比得到验证，证实其能够可靠预测填埋场的长期性能，为工程设计提供了有力的数值工具。
通过集成界面剪切行为、废物异质性和蠕变效应，该研究显著提升了垃圾填埋系统性能预测的准确性，为更安全、可持续的废物管理实践提供了科学依据。
