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  浙江大学学报(工学版)  2018, Vol. 52 Issue (4): 710-718  DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2018.04.014
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彭赵, 兰吉武, 詹良通, 何海杰, 扶焱明, 郑学娟. 塘渣反压在垃圾填埋场局部滑移治理中的应用[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(4): 710-718.
dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2018.04.014
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PENG Zhao, LAN Ji-wu, ZHAN Liang-tong, HE Hai-jie, FU Yan-ming, ZHENG Xue-juan. Application of loading berm in landfill partial slip control[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2018, 52(4): 710-718.
dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2018.04.014
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基金项目

国家自然科学基金青年基金资助项目(41502276);浙江省科技计划资助项目(2015C03021)

作者简介

作者简介:彭赵(1992-), 男, 硕士生, 从事环境土工的研究.
orcid.org/0000-0002-4920-0025.
Email: peng_zhao@zju.edu.cn

通信联系人

兰吉武, 男, 副研究员, 博士.
orcid.org/0000-0001-6207-8565.
Email: lanjiwu@zju.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-01-06
塘渣反压在垃圾填埋场局部滑移治理中的应用
彭赵1,2, 兰吉武1,2, 詹良通1,2, 何海杰1,2, 扶焱明3, 郑学娟3     
1. 浙江大学 岩土工程研究所, 浙江 杭州 310058;
2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室, 浙江 杭州 310058;
3. 杭州市环境集团有限公司, 浙江 杭州 310022
摘要: 对国内处于填埋作业状态的某局部滑移堆体边坡开展塘渣反压控制工程实践,监测治理前、后的表面位移、深层水平位移和渗沥液水位,评估滑移治理效果.分析后续填埋作业塘渣反压高度和厚度要求.结果表明:采用塘渣反压后,表面位移速率最大值从130 mm/d降为20 mm/d,填埋堆体单次最大滑移面积从8 994 m2降为1 645 m2,深层最大滑移速率从5.3 mm/d降为0.9 mm/d.分析表明,在实施塘渣反压措施后,堆体现状局部稳定安全系数从1.129提高到1.614.当后续堆体继续堆高时,建议最小反压体高度应高于潜在滑移面的坡脚,最小反压体厚度应保证堆体稳定安全,反压体高度和厚度的最终取值应根据堆体的稳定性和反压工程的经济性进行优化.
关键词: 填埋场    堆体局部滑移    稳定控制    塘渣反压    监测    
Application of loading berm in landfill partial slip control
PENG Zhao1,2 , LAN Ji-wu1,2 , ZHAN Liang-tong1,2 , HE Hai-jie1,2 , FU Yan-ming3 , ZHENG Xue-juan3     
1. Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
2. MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
3. Hangzhou Environmental Group Limited Company, Hangzhou 310022, China
Abstract: The loading berm method was used to control the partial stability of a domestic landfill in a state of work. The surface horizontal displacement, deep lateral displacement and leachate level before and after the treatment were monitored in order to evaluate the effect of the method. The height and thickness of loading berm for subsequent landfill operation was analyzed. The maximum surface slip rate reduced from 130 mm/d to 20 mm/d, the maximum single slip area reduced from 8 994 m2 to 1 645 m2, and the maximum deep slip rate reduced from 5.3 mm/d to 0.9 mm/d. The safety factor of the slope increased from 1.129 to 1.614. When the subsequent height of this waste slope continued to increase, the loading berm should be higher than the toe of potential sliding slope, and the minimum thickness of loading berm is enough to ensure safety. The ultimate height and thickness of loading berm are supposed to optimize according to the safety and economy.
Key words: landfill    slope partial slip    stability control    loading berm    field monitoring    

随着我国经济的高速发展以及城市化水平的持续提高,城市生活垃圾的产量逐年上升[1].卫生填埋法具有处理量大、管理方便和运营成本低等优点,被认为是最经济的城市生活垃圾处理方法[2],也是我国城市生活垃圾的最主要处理方法[3].

我国垃圾填埋场的渗沥液产量一般为填埋量的30%以上,在南方湿润地区可以高达50%以上[4],渗沥液产量大,堆填后的垃圾渗透性差,渗沥液导排不畅,填埋场水位壅高严重;随着填埋规模和堆体填埋高度的持续增加,稳定安全面临前所未有的挑战.1)超垃圾量.由于城市垃圾收集量的持续增加,增量垃圾主要通过填埋处理.2)超警戒水位.陈云敏等[5]现场调研了我国成都、广州、西安、苏州、杭州、上海、宁波等地的多个大型填埋场.结果显示,这些大型填埋场的渗沥液水位大多在填埋面以下3~5 m. 3)超承载能力.由于填埋垃圾量远超设计值,填埋场处于超承载容量运行状态.由于存在上述原因,国内外已累计发生100余起垃圾堆体失稳滑坡事件[6-8],其中25起严重事故累计造成了1 865人死亡或失踪,引发大面积环境污染.

填埋场局部失稳的治理措施[9]主要有:1)顺坡向导排盲沟; 2)应急小口径井和抽排竖井; 3)覆盖雨污分流; 4)边坡整形与反压.詹良通等[10]通过对某填埋场垃圾堆体边坡失稳过程监测和反分析,发现抽排竖井迫降水位是最直接、有效的应急抢险措施.由于垃圾的密度低,采用降水措施,可以增加它的自重有效应力[11],但是降水设施可能发生淤堵[12].

大量工程实践证明,边坡工程中,采用坡脚反压,是提高边坡稳定性的一种成本低、操作简单且见效快的方法,故应用于公路填方路堤、水利堤防工程和软土基坑工程以及各类边坡抢险工程中[13-18].陈富强等[17]通过抛石反压法在珠海某软土填方边坡挡土墙加固处理中的成功应用,验证了抛石反压法在软土填方边坡中的经济适用性.周志林[18]应用离心模型试验和数值分析进行研究,表明坡脚是边坡稳定的主要部位,故在边坡防治中,应作重点考虑.西北某大型填埋场在2014年4月~8月间,受垃圾堆载、填埋作业机械动荷载和强降雨的影响,堆体边坡区域发生3次滑移,何海杰等[19]对该填埋场进行监测和分析,认为压实和降水均能提高堆体稳定性.深圳下坪固体废弃物填埋场于2008年6月连续强降雨期间发生了局部滑移,下坪场联合浙江大学岩土工程研究所等相关单位根据现场监测和边坡稳定性分析结果,采取了一系列应急措施,包括竖井抽排降水、铺膜防渗、分流导排和坡脚反压等,有效控制了滑坡发展态势[9].

目前,国内外还没有针对塘渣反压这项措施单独治理填埋场堆体边坡局部滑移进行现场监测和分析的报道.塘渣由风化的岩石开挖而来,是碎石和土的混合物,塘渣料最大粒径不超过10 cm,通过5 mm筛孔的质量为30%~50%,最大含泥量不超过总质量的5%,属于碎石土.塘渣容重较大,压重效果好;渗透系数在10-3 cm/s的量级,具备较好的排水能力;便于摊铺压实,施工质量控制简单,是一种优质的反压材料.

本文在国内某局部滑移填埋场开展塘渣反压实践,在填埋场边坡区域用塘渣从58 m反压到68 m高程,反压体平均厚度约4.1 m,同时布置了40余个表面位移监测点和9口深层水平位移监测井(兼测水位),分别从堆体表面位移和深层水平位移角度对滑移控制效果进行评估.利用Geo-Studio软件,基于现场实测地形和渗沥液水位信息,评估此次反压的稳定控制效果,并进一步评估后续各填埋高度下所需的反压体高度和厚度,指导后续填埋作业和反压体施工.

1 场地条件

该填埋场由已经封场和生态复绿的第一垃圾填埋场(简称“一埋场”)和正在同步建设运行的第二垃圾填埋场(简称“二埋场”)组成.二埋场(见图 1)占地面积为96×104 m2,最大设计堆体标高165 m,总库容为2 202万m3.填埋场建设于沟谷内,沟谷谷底上、下游长度超过500 m,谷底标高38~46 m;谷底平坦段横向宽度为150~250 m.二埋场自2007年投产,堆体前部设计垃圾挡坝标高52.5 m,每向上堆高6.25 m设置一个4 m宽的小平台,每向上堆高12.5 m设置一个8 m宽的大平台,大、小平台交替出现;至165 m标高后,以5%的坡度向上发展,直至170 m,设计堆体边坡高度超过110 m(自垃圾坝顶算起),是世界上堆体边坡高度最大的填埋场之一.生活垃圾日均处理量从最初的1 949 t增加至现在的近6 000 t,截止2016年10月,累计填埋垃圾1 307.07万t,已填库容1 081.11万m3,剩余库容1 120.89万m3.经长期垃圾填埋,下游堆体现有坡高为80~90 m,高出坝体50~60 m,整体坡度约为1:4.在2015年2月和3月,填埋场第5层垃圾堆体(填埋标高为85.75~90 m标高)在库区北侧填埋作业过程中,作业区下游发生多次报警面积超过7 000 m2的显著局部滑移,其中最大报警面积达8 994 m2,表面位移监测点最大滑移速率为130 mm/d,滑移范围从75 m平台到58 m和65 m平台之间,如图 2所示.图中,H为高程,ΔX为水平距离,HX=2:1.为了控制堆体局部滑移,对边坡处进行坡脚反压.

图 1 2015年二埋场堆体及监测点平面布置图 Fig. 1 Layout of landfill and monitoring points in 2015
图 2 堆体Ⅰ-Ⅰ剖面图 Fig. 2 Ⅰ-Ⅰ cross-section of landfill

反压原则是68 m标高以下采用塘渣回填,68 m标高以上采用生活垃圾回填(见图 3).塘渣密度为1.8×103 kg/m3,压实度至少为90%.回填塘渣方量为41 000 m3,回填面积约为10 000 m2,平均厚度为4.1 m,最大厚度为10 m,反压体底部设置了渗沥液导排层.如图 4所示为现场施工照片.

图 3 反压体剖面示意图 Fig. 3 Profile of loading berm
图 4 现场边坡整形和塘渣反压施工 Fig. 4 Reshaping slope and carring out loading berm method on site
2 现场监测 2.1 监测项目及方法

为了掌握持续填埋作业过程中的堆体稳定状况和塘渣反压稳定控制效果,开展人工跟踪监测.监测项目包括:1)表面位移,在填埋场边坡区域布置表面位移监测点,涵盖了作业面下游各平台的所有区域:2015年,在52.5、58、65、71和75 m高程平台上布置了40余个表面位移监测点(见图 1).2016年,待反压工程结束后,在整形后的52.5、58、65、71、78、84和90 m高程平台上布置了近60个表面位移监测点,采用NTS-341R10A精密电子全站仪测量监测点坐标变化来实现,测量精度为±1 mm,监测频率为一周一次.2)深层水平位移和渗沥液水位,为了掌握堆体内部不同填埋深度的滑移程度和堆体不同位置的渗沥液水位,在填埋区下游分别布置9口深层水平位移兼水位监测孔CX1~CX9(见图 1),深层水平位移是利用TL-06C测斜仪监测,测量精度为0.02 mm,一月一次;水位是利用50 m电子钢尺水位仪进行测量,测量精度达±1 mm,一月一次.由于反压施工和填埋作业的原因,不少监测点遭到了破坏,待施工完成后才给予补修,所以缺少部分时间和部分监测点的数据.

2.2 监测结果

1) 表面位移速率.表面位移监测点平面布置如图 1所示,2015年2~3月库区北侧进行第5层垃圾填埋,2016年1~3月58~68 m高程边坡堆体进行塘渣反压施工,2016年4月该区域进行第6层垃圾填埋.通过对比两次堆填期间各个位移监测点的水平位移速率,来评估塘渣反压的稳定控制效果.根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[20]可知,表面水平位移监测的警戒值[21]宜为连续两天的位移速率超过10 mm/d.图 5~7列出了各平台的监测结果.图中,W为日均位移速率,水平虚线为警戒值.

图 5 75 m平台上表面位移监测点监测结果 Fig. 5 Monitoring result of surface horizontal displacement in platform of 75 m height
图 6 71 m平台上表面位移监测点监测结果 Fig. 6 Monitoring result of surface horizontal displacement in platform of 71 m height
图 7 65 m平台上表面位移监测点监测结果 Fig. 7 Monitoring result of surface horizontal displacement in platform of 65 m height

图 5所示,在2015年2月和3月,第5层垃圾堆填期间,库区北侧和中部75 m平台上监测点发生了明显的水平位移.2015年2月10日,75 m平台上75~12号监测点速率最大,达61.5 mm/d;2015年3月30日,75~9号监测点速率最大,达130 mm/d.在塘渣反压工程完成后,在2016年4月,该区域进行第6层垃圾填埋时,75 m平台上监测点位移速率较2015年3月小很多,最大位移速率为20 mm/d,为2015年3月监测点最大位移速率的16%.对比实施塘渣反压前、后可知,堆填第6层垃圾较第5层垃圾的位移速率小很多,塘渣反压对堆体的滑移治理和稳定控制起到了效果.

图 6所示,在2015年3月,第5层垃圾堆填期间,71 m平台上监测点发生了明显的水平位移.2015年3月23日,71~2号监测点位移速率最大,达46.7 mm/d.在塘渣反压工程完成后,在2016年4月,该区域进行第6层垃圾填埋时,71 m平台上监测点最大位移速率为15 mm/d,为2016年4月监测点最大位移速率的32%.对比实施塘渣反压前、后可知,堆填第6层垃圾较第5层垃圾的位移速率小很多,塘渣反压对堆体的滑移治理和稳定控制起到了效果.如图 7所示,在2015年3月,第5层垃圾堆填期间,65 m平台上监测点发生了明显水平位移.2015年3月30日,65-Z6号监测点位移速率最大,达23.3 mm/d.在塘渣反压工程完成后,在2016年4月,该区域进行第6层垃圾填埋时,65 m平台上监测点的最大位移速率为9 mm/d,为2015年3月监测点最大位移速率的39%.可以看出,塘渣反压对堆体的滑移治理和稳定控制起到了效果.图 8给出3个典型监测点的累积位移时程曲线.图中,∑W为累积位移.

图 8 典型监测点的累计位移时程曲线 Fig. 8 Cumulative displacement-time curve of typical monitoring points

综合分析图 5~7可知,上层垃圾的堆填会使下游区域不同平台出现不同程度的水平位移,对下游区域稳定产生不利的影响.结合该填埋场的《2015年库区填埋规划与作业方案》可知,3月填埋作业区域比2月更靠近边坡.在2015年2月填埋期间,只有75 m平台上监测点显示位移超限;在2015年3月,作业平台向边坡方向靠近时,边坡65~75 m平台均出现位移超限,位移速率更大.2016年4月,在塘渣反压工程实施后,堆填第6层垃圾时,边坡区域表面水平位移得到控制,位移量较塘渣反压前小的多.65、71和75 m平台上监测点的最大位移速率分别是塘渣反压之前的39%、32%、16%.第5层垃圾堆填位置和第6层垃圾堆填位置与下游各监测点的距离不同,产生的效果可能不同.分别选取2015年3月71 m平台上监测点的位移速率与2016年4月75 m平台上监测点的位移速率进行对比.因为在2015年3月71 m平台与第5层垃圾堆填位置的距离同2016年4月75 m平台与第6层垃圾堆填位置的距离相等.在相同堆填荷载和距离下进行对比发现,2016年4月75 m平台的位移速率较2015年3月71 m平台上的位移速率小,前者的最大位移速率为20 mm/d,约为后者46.7 mm/d的42.8%,说明塘渣反压对堆体滑移治理和稳定控制起到效果.

2) 表面位移超限区域.在平面图上,将某个时间段位移速率超过10 mm/d的位移监测点用闭合曲线连起来,得到表面位移超限区域,计算该闭合曲线面积,得到超警戒面积.图 9列出超警戒面积随时间的变化情况.图中,S为反压区域报警面积. 图 10对比了两次堆填期间堆体滑移最大的情况.在2015年2、3月第5层垃圾填埋期间,填埋库区北侧发生了6次滑移,单次最大超警戒面积发生在2015年3月30日,为8 994 m2.在塘渣反压工程实施完成后,在2016年4月第6层垃圾填埋期间,填埋库区北侧仅发生了1次较大的局部滑移,最大超警戒面积发生在2016年4月12日,为1 645 m2,约为2015年3月第5层垃圾填埋期间最大超警戒面积的18.3%.比较两次堆填期间的表面位移超限区域可知,2015年3月滑移区域涵盖了库区北侧和中部偏北65~75 m平台的监测区域;在2016年4月,现场的滑移区域主要集中在库区北侧71 m平台监测区域,分析原因可知,该平台靠近塘渣和垃圾交界处,71 m平台及以下由于整形,边坡坡度较78 m平台以上的边坡坡度大,为相对薄弱处.塘渣反压对堆体表面滑移治理和稳定控制的效果明显.

图 9 堆体边坡报警面积 Fig. 9 Alarm area of landfill
图 10 比较两次堆填期间的表面位移超限区域 Fig. 10 Comparison of slip area between two working periods

3) 深层水平位移.深层水平位移监测孔的平面布置如图 1所示,选择测斜孔CX3进行分析.通过对比两次堆填期间测斜管的水平位移量,评估塘渣反压的滑移治理和稳定控制效果.

图 11所示,De为深度,V为日均滑移量.第5层垃圾堆填期间,CX3测斜孔在不同深度处发生了明显水平位移.2015年2月,CX3测斜孔5 m深度范围内日均位移量超过1 mm/d;2015年3月,测斜孔8 m深度范围内日均位移量超过1 mm/d,日均位移量基本随深度的增大而减小,可见堆体发生的是局部浅层滑移.在塘渣反压工程完成后,在2016年第6层垃圾堆填期间,CX3测斜管内监测点的位移速率较2015年3月小很多,位移速率不超过1 mm/d.对比塘渣反压使用前、后可知,堆填第6层垃圾时的最大日均位移量0.9 mm/d是堆填第5层垃圾时最大日均位移量5.3 mm/d的17.0%,塘渣反压对堆体的局部浅层滑移治理和稳定控制起到了效果.

图 11 CX3孔不同深度处侧向位移监测结果 Fig. 11 Monitoring result of slope-direction horizontal displacement in CX3 hole at different depth

4) 渗沥液水位.如图 12所示为滑移区域的三口测斜井水位埋深Dw监测结果,2015年2、3月第5层垃圾填埋期间,水位处于高点(埋深为5.0~7.5 m),作业面转移后该区域渗沥液水位整体降低;2016年1月~3月塘渣反压期间,水位有上升的迹象,分析可能的原因是堆体表面堆载压缩了垃圾孔隙,导致水位上升;反压完成后,第5层垃圾堆填期间2号和3号井显示水位下降,变至7~10 m埋深.原因是反压体具有较好的导水性,通过底下设置的导排层将表层滞水引走,从而控制了滞水位.

图 12 渗沥液水位埋深监测结果 Fig. 12 Monitoring result of leachate level depth
3 滑移治理效果分析

采用加拿大GEO-SLOPE公司开发的Geo-Studio软件中的SLOPE/W模块,利用Morgenstern-Price极限平衡法对失稳区域的典型剖面进行有效应力法稳定分析,评估塘渣反压的滑移治理效果.SLOPE/W具有滑动面自动搜索功能,不仅能够搜索圆弧型滑动面,而且能够搜索非圆弧型滑动面.

根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ176-2012)[20]等相关规范可知,考虑到垃圾填埋场这一基础设施的重要性,该工程安全等级为一级,垃圾堆体边坡稳定安全系数控制标准为:在正常气象条件对应的渗沥液水位下,边坡稳定安全系数大于1.35.

分别根据2015年3月和2016年4月该填埋场的实测地形剖面图,建立两次堆填期间的计算模型,图 13列出塘渣反压后的计算模型.图中水位取值根据水位监测结果(见图 12),在2015年3月和2016年4月垃圾填埋期间,最高滞水位的埋深分别为5和7 m,此次计算取两次的滞水位埋深分别为5和7 m,主水位高程均取10 m.根据詹良通等[21]的分析结果可知,水位对堆体边坡稳定性的影响较大,此处多设置一个对比工况:反压前堆体滞水位埋深为7 m.

图 13 塘渣反压后的分析模型 Fig. 13 Analysis model after carring out loading berm

根据浙江大学岩土工程研究所对该填埋场库区二期的钻探测试结果可知,将埋深 < 10 m划分为浅层垃圾,埋深为10~30 m划分为中层垃圾,埋深>30 m划分为深层垃圾,得到垃圾密度随深度的分布结果.强度指标取值主要依据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[20].各材料的具体土工参数取值如表 1所示.表中,φ为内摩擦角,c为黏聚力,ρ为密度.

表 1 各材料的土工参数取值 Table 1 Geotechnical parameters for materials

计算得到的稳定安全系数fs结果如表 2所示.2015年3月,堆体在滞水位为5 m埋深时,稳定安全系数为1.129;当滞水位下降至7 m埋深时,稳定安全系数上升至1.288;在反压工程完成后,堆体的安全系数提高至1.614,满足垃圾堆体稳定控制的要求.分析原因可知,塘渣反压可以产生以下两方面的作用:1)反压体底面由于设置了导排层(见图 3),在垃圾填埋期间,可以导排上游堆填垃圾的渗沥液,降低滞水位;2)塘渣压在坡脚(见图 13),增加了抗滑力.

表 2 不同工况下的局部稳定安全系数 Table 2 Safety factor of partial stability for waste slope under different conditions

当计算后续堆体填埋高度分别为95、115和135 m时,实施不同高度和厚度的反压体时的局部稳定安全系数,结果如表 3所示.表中,H为填埋高度;t为反压体厚度;hf为反压高度;hcr为反压高度建议值,即安全系数取1.35时的反压高度,如图 14所示.主水位高度均取10 m,滞水位埋深均取6 m,边坡的坡度均取设计值.

表 3 后续不同堆高下实施反压的局部稳定安全系数 Table 3 Safety factor of partial stability for waste slope under different height after carrying out loading berm
图 14 不同填埋标高下取不同反压高度和厚度的稳定性 Fig. 14 Stability for waste slope under different height after carrying out loading berm with different height and thickness

计算结果显示,当堆体填埋至95 m反压至68 m(或填埋至115 m反压至75 m、填埋至135 m反压至85 m)时,反压体厚度取3、5或7 m,得到的局部稳定安全系数几乎一样,查看结果文件,发现是因为潜在滑移面高于反压平台,不论反压体厚度多大,对该滑移面的稳定性没有影响.最小反压高度应高于潜在滑移面的坡脚.

图 14所示,当堆体填埋至115 m及以上,反压体厚度取3 m时,增大反压高度,不能使得稳定安全系数达到要求,因此最小反压体厚度取值应能够保证堆体稳定安全;当反压体厚度取5和7 m时,增大反压高度均能够使堆体满足安全要求,对应的反压高度建议值分别为88和91 m,此时综合考虑反压工程的经济性,建议反压厚度取5 m.

综上所述,反压体的高度和厚度涉及到堆体边坡稳定性和反压工程的经济性,这两者的关系是相互矛盾的,因此各区域反压体高度和厚度的最终取值应遵循“因地制宜、节省费用”的原则进行优化,达到经济性和安全性的统一.

4 结论

(1) 在堆体坡脚,实施了平均厚度为4.1m,标高为58~68 m的塘渣反压,底部设置了排水层.在塘渣反压后,表面位移速率最大值从130 mm/d降为20 mm/d,填埋堆体单次最大滑移面积从8 994 m2降为1 645 m2,深层最大滑移速率从5.3 mm/d降为0.9 mm/d,塘渣反压起到了良好的稳定控制效果.

(2) 水位监测分析和堆体的边坡稳定性评估表明,塘渣反压后,反压体下设置的导排层有助于控制上部滞水位,再加上塘渣形成的抗滑力,使得堆体的局部稳定安全系数明显提高.

(3) 不同填埋标高下采用塘渣反压措施后的稳定分析表明,最小反压高度应高于潜在滑移面的坡脚,最小反压体厚度应保证堆体稳定安全.反压体高度和厚度的最终取值应根据堆体边坡稳定性和反压工程的经济性进行优化.

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