随着我国经济的迅速发展和城市化水平的提高,城市生活垃圾和填埋场数量急剧增加。由于垃圾填埋场高堆体和大库容特点、复杂的垃圾组分及较高的渗滤液水位,容易引发环境污染和边坡稳定问题,因此,研究垃圾填埋场堆体非均质特性、渗流场及稳定性具有重要的意义。本文围绕垃圾堆体“非均质性”展开研究,统计分析了垃圾特性在时空域的分布特征,提出了考虑堆填过程的非均质饱和—非饱和渗流模型、导排层淤堵模型及非均质稳定模型的建立方法,进而分析填埋场中渗滤液流动规律及边坡稳定性。本文的主要研究成果如下:(1)从统计的角度研究了垃圾堆体非均质特性分布规律,揭示了垃圾物理组分、重度、渗透特性、黏聚力和内摩擦角的时空分布及各因素之间的相互影响关系。垃圾组分受国家政策、气候、生活方式、地区及时间等多重因素的影响,发展中国家填埋场有机物含量约75～97%,其中厨余垃圾含量高达60%,直接影响到垃圾含水量和填埋场渗滤液水位的高低。随着埋深的增加,垃圾上覆压力及降解程度增加,使得无机物含量增加且重度增大,孔隙比与饱和渗透系数越小。垃圾堆体黏聚力与内摩擦角之间存在较强的负相关性,随着埋深的增加,塑料、纤维类有机物发生降解,使得填埋场堆体黏聚力减小,内摩擦角增大。(2)基于非均质土体饱和—非饱和渗流原理,提出一种考虑非均质渗透特性和堆填过程的渗流模型建立方法,同时建立导排层淤堵模型,不仅可以较好地计算实际填埋场导排层淤堵过程中的渗滤液水位分布,也可以应用于砂土地基排水管渗透系数分布和尾矿库排水管淤堵等类似工程中。研究降雨强度、导排层、中间覆盖层及垃圾渗透系数分布对垃圾填埋单元渗流场的影响,得到了滞水位的形成原因和影响滞水位高度的因素。在考虑垃圾非均质情况时,可以看作将垃圾单元划分无限层,所产生最大滞水位和孔隙水压力较大,对填埋场稳定不利,故填埋场导排系统渗透系数和垃圾渗透系数分布的选取,是垃圾填埋场渗流场分析的关键。(3)结合填埋场抗剪强度分布规律,提出了一种关于垃圾重度和抗剪强度的非均质有限元模型建立方法,通过研究得到垃圾重度及抗剪强度分布对边坡稳定性有很大的影响,尤其在填埋场堆填初期时,垃圾的特性变化速率较大。研究了填埋场堆体边坡坡高、坡厚高比、坡比、垃圾重度、抗剪强度及渗滤液水位对边坡安全系数的影响规律,当边坡厚高比较大时,可将三维边坡简化为二维平面应变问题。在相同条件下三维边坡较二维边坡安全系数稍大,当渗滤液水位增加至一定高度时,两者差距较小,此时水位比坡厚对安全系数影响大。通过计算给出了一系列安全系数图表,在各参数确定的情况下,可初步预测填埋场边坡安全系数范围,为填埋场的前期设计提供依据。(4)以西安江村沟垃圾填埋场为研究对象,将非均质垃圾饱和-非饱和瞬态模型应用于实际工程中。考虑垃圾堆填过程及非均质渗透特性时,计算得到最大滞水位较高,与均质材料相比各垃圾层滞水位相差约0.08～1.88 m,对填埋场稳定性不利,同时验证了非均质垃圾单元渗滤液发展规律,为填埋场降水设计及安全运行提供依据。填埋场中渗滤液水位较高且存在多层滞水位,导排层仅对当前垃圾层降低滞水位效果较好,滞水位下降约0.52～1.38 m,而其他垃圾层因有覆盖层阻隔影响较小,在实际填埋场中应在各层垃圾底部均设导排管或采用竖井措施进行降低滞水位。(5)结合西安江村沟垃圾填埋场工程特性分布,将非均质稳定模型应用于实际工程,研究不同重度及抗剪强度分布对填埋场稳定性的影响,该模型也适用于复杂地形、土工膜或多种地层的情况。研究发现垃圾力学特性对填埋场边坡稳定性影响较大,尤其抗剪强度分布对边坡失稳类型和滑动面位置有重要决定作用。考虑无水条件时,计算得到多种重度及抗剪强度分布情况下填埋场堆体均未发生失稳,安全系数为1.363～1.794,考虑填埋场滞水位时下游垃圾坝发生滑坡,安全系数为1.109,需要进行加固处理。通过对三维填埋场进行边坡稳定性分析,发现库岸边坡较陡,极易发生失稳破坏,在垃圾填埋场运行和管理过程中,在考虑填埋场库容量的同时也要关注库岸边坡的稳定性,必要时进行岸坡加固或坡比改良。