既有垃圾填埋场受限场地垃圾挡坝加高设计

陈位洪 熊勃 朱江颖

（广东省建筑设计研究院 广州510010）

引言

随着城市建设的发展和不断扩张，城市生活垃圾产量日益增长，而城市用地往往十分有限，这使得要重新选址建设垃圾填埋场几乎不可能，由此，将现有垃圾填埋场进行原位扩建成为必然。

垃圾填埋场扩建按库容增加的方式可大致分为横向扩建和竖向扩建两种[1]。图1a、b所示为两种横向扩建方式，前者的新场扩建方式依托于老场垃圾挡坝，后者通过在原来垃圾堆体上继续往外堆填增加库容进行横向扩建。图1c、d所示为竖向扩建方式，前者通过改变垃圾堆体坡度以增加竖向库容，后者是将原有垃圾挡坝进行加高处理。横向扩建往往需要场地具备足够的横向空间，增加垃圾堆体坡度的竖向扩建往往影响边坡的稳定性且面临扩建需求的垃圾填埋场往往已不具备继续堆埋的条件，将原有垃圾挡坝加高扩建是较为有效的方法，但通常面临诸多工程难点。

图1 垃圾填埋场典型扩建方式Fig.1 The typical style of landfill expansion

本文以某场地受限的垃圾填埋场为例，针对垃圾挡坝的加高加固处理进行了研究，提供了全面、可行的设计方法，拟为类似工程提供参考。

1 工程概述

广州市兴丰生活垃圾卫生填埋场原有库容2520m3，垃圾堆体设计填埋标高为155m，堆体坡度1∶3，每隔10m设置一3m宽平台。目前该垃圾填埋场承担着全广州市的垃圾处理任务，可利用库容难以满足规模要求，扩建迫在眉睫。由于横向扩建受场地条件限制不可取，而现有垃圾堆体坡度已接近《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》（CJJ 176-2012）[2]上限，继续增加坡度提高库容也不可行，故只能通过加高原有挡坝来拓展库容。

原垃圾挡坝位于填埋区南侧，坝顶标高110m，坝高20m，拟提高到坝顶标高125m，坝高35m，以此可增加750万m3库容，具有显著效益。如图2所示为垃圾挡坝平面示意，可见南部挡坝北侧为正在运营的第六填埋库区，南侧为渗滤液处理厂，场地可利用空间十分有限。新坝建设有两种方案，即将原坝体向南或向北加高扩建，若向北扩建则需要搬运北部垃圾来腾出建设空间，这对环境的影响将不可控，因此，只能将新坝体南向扩建，并尽量减少对渗滤液厂的影响。本设计经方案论证，将原垃圾挡坝南向加高扩建，新坝体采用加筋土坝类型。

图2 填埋区南侧垃圾挡坝平面布置Fig.2 The site plan of dam in the south of landfill

2 工程水文地质特征及原坝体结构特点

2.1 地形地貌及水文

坝址位处较开阔“U”字型谷。右岸山体较单薄，山势较缓，其下游为垃圾渗水处理池，左岸山体较雄厚，山坡坡度约30°～40°。右岸山脊走向为北东向，长条形。左岸山脊走向大致呈正北向。钻探期间测得地下水的埋深介于0.5m～23.5m之间。地下水位一般与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系。地下水位变化幅度为1m～5m。

2.2 地层岩土特性

两岸山体地质情况从上至下可分为：硬塑砂质粘土8m，承载力220kPa，全风化混合花岗岩9m，承载力350kPa，强风化混和花岗岩12m，承载力700kPa，下部为中风化岩，承载力2000kPa。两岸弱风化带顶面埋深为17m～29m。

山谷地质情况从上至下可分为：①-1填土4m，②-2硬塑砂质粘土4m，⑤全风化混合花岗岩2m，⑥强风化混和花岗岩0m～10m，下部为⑦中风化岩。河床弱风化顶面埋深约6m～16m。

原坝体所在位置地质情况从上至下可分为：①-1素填土层约24m，⑤全风化花岗岩层4m，强风化花岗岩层6m，⑦中风化花岗岩层2m，下部为⑧微风化花岗岩层。

岩层的技术参数如表1所示。

2.3 原坝体结构特征

原垃圾挡坝位于第六填埋区南侧，坝体为加筋粘土坝，坝顶标高为110.0m，填埋区坝底标高为93.0m，上游最大坝高为17m，下游最大坝高15m，坝顶宽度14m，坝体上游坡率1∶2，下游坡率最大达1∶1，垃圾填埋至155m标高。坝体加筋材料为HDPE土工格栅，间距为0.6m，临空面处加密至0.3m。可见，原垃圾挡坝坡度较陡，且由于坝面植草被洪水冲刷严重，表土滑落，已有滑坡现象发生，坝体本身也已出现水平位移，作为新建坝体最关键的结构体，原坝体的现状特征也为其加高扩建增加了难度。见图3。

表1 岩土技术参数建议值Tab.1 Recommended values of geotechnical technical parameters

图3 原南部挡坝剖面示意 （单位：mm）Fig.3 The profile of the original south dam （unit：mm）

3 垃圾挡坝加高设计

将原垃圾挡坝在有限的场地范围内进行加高扩建最重要的是保证坝体及垃圾堆体的稳定性。为保证库容增加量并尽量减少新坝体对南侧渗滤液厂的影响，经核算新坝体坝面设计坡度较陡，为1∶1.1，且原有坝体作为新坝重要的结构基础已出现滑坡等问题，这为保证坝体及垃圾堆体的稳定性增加了难度。设计中主要的难点在于原有坝体的加固问题、新旧坝体的连接方法、坝基基础的加固处理以及新坝体筑坝材料的选择。而作为垃圾填埋场的挡坝，与一般的水工建筑物不同，排水、防渗系统的设计处理也较为关键，前者直接影响坝体内渗流水位的高低从而影响坝体的稳定性，后者是环境保护的必然要求。本方案将以上技术难点做了全面设计论证，以下将分别阐述。

3.1 坝体总体布局及设计参数

加高后设计垃圾挡坝坝体长度约为300m，坝总高约35m，在原坝基础上加高了15m，坝顶宽约12.0m，北坡是迎垃圾面，放坡坡率由于用地所限，坡率为1∶1.1，不设马道。南坡采用坡率1∶1.1，每10m设一2m宽马道，根据坝体放坡需要，只拆除原渗滤液厂的部分工程。

坝体按3级水工建筑物等级进行设计，按7度地震烈度设防[3]。坝顶设有12m宽道路，汽车荷载设计等级为公路-Ⅱ级。据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2016），坝体抗滑稳定安全系数在正常使用工况以及地震工况下需分别满足K正常≥1.20，K非常≥1.10[4]；同时，渗滤液水位对于垃圾填埋场整体稳定性至关重要，设计将渗滤液水位取至110m标高；垃圾堆体填埋最大高度设计为180m标高，坡率取为1∶3。见图4。

3.2 筑坝材料选择

新坝体设计本着减少土方运输量、尽量就地取材的原则，采用的筑坝材料为附近场地的④硬塑砂质粘性土（残积）、⑤混合花岗岩全风化、⑥混合花岗岩强风化，要求填料综合内摩擦角不小于30°，填料应分层铺土、分层压实，要求每层压实度不小于98%，经检测合格后才可进行下一层坝体的填筑。

填筑挡坝时要求粘性土的含水率控制在最优含水率的-2%～+2%范围内，经土工试验，土体最优含水量为17%。而在实际工程中，由于工期紧张且遭遇广州长时间降雨季，控制土体的含水率成为又一难题。鉴于此，设计中针对土体含水量状况对筑坝材料做出了调整，采用粘性土中掺和石屑或碎石的方法进行填筑，并根据现场压实度及抗剪强度的试验结果确定筑坝材料中粘性土与碎石的体积比，经实践检验，此方案效果很好。筑坝材料的具体处理方案如下：

（1）当土体含水量为17% ～22%时，坝体采用粘性土掺和干石屑进行填筑，粘土和干石屑的体积比根据现场试验结果并结合后续天气状况在粘土：干石屑为5∶5、6∶4、7∶3三种配比中选择。

（2）当土体含水量为22% ～27%时，坝体采用级配碎石掺和粘性土进行填筑，级配碎石和粘性土的体积比根据现场试验结果，结合后续天气状况在级配碎石：粘土为6∶4、7∶3、8∶2三种配比中选择。

（3）当遇特殊情况如连续降雨，土体含水量过大，无法掺和粘性土进行填筑时，为保证工期，可直接采用级配碎石。级配碎石的配合比为∶粒径20mm～40mm占40%，粒径10mm～20mm占20%，粒径5mm～10mm占20%，碎石占20%。

图4 南部挡坝加高扩建后剖面示意 （单位：mm）Fig.4 The profile of south dam after expansion （unit：mm）

3.3 土工布加筋材料的应用

本项目土工材料的抗拉力较大，一般的土工格栅难以达到设计要求，而土工织物的抗拉强度对于坝体的稳定性影响很大，本次设计坝体采用专门研制的高韧聚酯有纺土工布作为加筋材料，其短期抗拉强度可达到530kN／m，120年长期设计强度不小于110kN／m。横向（横断面方向）不允许搭接，纵向（纵断面方向）搭接宽度不少于200mm。土工布摊铺后应用沙包固定，土工布应张紧，保证其平整，紧贴地面，加筋土体尾部应超碾压1.5m宽。土工布须进行预张拉；在回填时应先回填土工布受力方向两端的回填土，再回填中间的回填土，确保土工织物在初始状态下处于受拉状态。

3.4 旧坝及坝基处理

为增强坝体的抗滑性能，在坝脚设置一排抗滑桩，抗滑桩采用φ1600＠1800冲孔灌注桩，要求桩端进入微风化岩层≥1m，有效桩长约18m～21m。

局部地段经检测难以满足地基承载力的要求，采用CFG桩复合地基处理方法加固地基，要求地基承载力特征值≥480kPa。

由于旧坝填筑质量不佳，坝体内甚至存在孔洞，而旧坝须作为新加高坝体的基础，故应对旧有挡坝进行注浆加固，采用水灰比1∶1水泥浆注浆，注浆孔间距为1.5m×1.5m，方形布置，注浆压力0.3MPa ～0.5MPa。

3.5 新旧坝体的连接设计

根据计算，滑动面位于新旧坝体连接处时其对应的安全系数较低，难以满足规范要求，对此，设计中在旧坝体坡面打设长度7m＠1m×1m的锚杆，并通过直径φ75mm的钢管使之与新坝体中的土工布连接，以此增加新旧坝体交接面处的抗滑力。见图5。

图5 新旧坝体连接构造 （单位：mm）Fig.5 Connection structure of the new dam body and the original one （unit：mm）

3.6 排水、防渗系统设计

在设计过程中，垃圾堆体内渗滤液水位的不确定性给设计带来困难，为此在坝前设置了渗滤液井，收集渗滤液并进行集中抽排以降低并稳定垃圾堆体中的渗滤液水位。同时，工程设计了完善的防渗排水系统：在挡坝的迎垃圾侧结合垃圾渗滤液防渗设两层1.5mm的双糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防渗层；坝底设排水管，用C30混凝土管外包；在坝底和每隔10m坝身设用土工布包裹的300mm厚碎石排水层；背垃圾面坝体与山体交界处及坝中间各设一道泄洪渠。

4 坝体稳定性分析及监测

4.1 坝体有限元计算分析

1.计算方法及工况

采用Geostudio-Slope有限元计算软件对坝体及垃圾堆体的稳定性进行分析，采用折线形滑动法——摩根斯顿-普莱斯法（Morgenstem-Price）进行抗滑稳定计算。边坡模型的强度准则按照摩尔-库仑强度公式，采用总应力公式进行计算分析，具体为：水位线以上采用天然容重，水位线以下采用饱和容重；并对饱和土体（或垃圾堆体）的内摩擦角和粘聚力折减为非饱和状态下的80%。选取垃圾填埋场正常运行条件和地震（烈度为7度）条件两种工况进行整体稳定性计算分析。

2.计算模型及计算参数

如图6所示为计算模型，模型中将垃圾堆体渗滤液水位水面标高取为110m，即齐平旧坝坝顶。按照《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》（GJJ 176-2012）要求，将垃圾堆体按埋深分为深层垃圾（埋深大于10m）和浅层垃圾（埋深小于10m）两种类型[2]，垃圾及其他土体力学参数取值如表2所示。分别采用软件中的“fabric”、“anchor”以及“pile”模块对坝体中的加筋土工织物、新旧坝体连接处锚杆以及坝脚CFG抗滑桩进行模拟。为保守起见，土工织物参数值按设计值或实验值基础上折减80%，取其粘结面摩擦力为60kPa，抗拉强度为88kN／m。

图6 有限元计算模型Fig.6 Calculating models of geostudio finite element

表2 坝体及垃圾体力学参数Tab.2 The mechanical parameters of the dam and the garbage

3.计算结果分析

计算结果应满足《水利水电工程边坡设计规范》 （SL386-2016）中最小安全系数的要求，即正常使用工况下需满足K正常≥1.20，地震工况下满足K非常≥1.10[4]。如图7a、b 所示，分别为正常使用和地震两种工况计算结果，可知，正常使用条件下坝体整体稳定安全系数为1.426，地震条件下安全系数为1.187，两者均满足最小安全系数要求。

图7 坝体整体稳定性计算结果Fig.7 The calculation results of the dam Stability

4.2 坝体离心模型试验分析

为研究设计条件以及遭遇暴雨时土坝边坡的变形与稳定性，考察设计的边坡坡度和加筋方式是否能够满足边坡稳定要求，本项目对坝体进行了离心模型试验[7]，试验方案如表3所示。本次模型试验为二维模拟，模型箱尺寸为1.0m（长）×0.4m（宽）×0.8m（高），模型宽度定为0.9m，预留0.1m作为坝脚处潜在滑坡空间，选取模型加速度为100g，对应模型与原型比尺1∶100。试验可通过，在土体坡面布设位移监测点并观察坡面变化情况来分析各条件下边坡的变形与稳定。

表3 离心模型试验方案Tab.3 Centrifuge model test scheme

整理分析试验结果，得到如下结论：

（1）设计的加筋土坝虽然坡度陡、高度大，但是在铺设土工布和碾压密实的情况下，无论是未降雨还是降雨，坝体边坡均能够维持稳定，变形主要在填筑施工期发生，施工期累积最大垂直位移和水平位移分别约为50cm、100cm。竣工后的位移很小，基本可以忽略。降雨后雨水的入渗深度不超过坡表面以下4m。

（2）在未铺设土工布或土工布不起作用的情况下，在不降雨工况下坡体的水平位移比铺设土工布时显著增大（约增25%），但是仍然维持稳定，表明土工织物对于控制坝体变形效果较好，且非饱和土体的强度较高。

（3）土工布加筋对于新坝边坡稳定十分重要，而筋材的界面摩擦特性以及抗剪强度的发挥程度对其稳定影响很大。因此，实际筋材选材、预拉铺设和反包、界面排水等都很关键，本工程选用高韧聚酯有纺土工布作为加筋材料，布设完善的排水系统对于保证坝体的稳定性十分重要。

4.3 坝体位移监测结果分析

为确保工程安全，南部挡坝布设有完善的监测系统，其中的监测项目就包括坝体水平和垂直位移，坝体及坝顶中水平及沉降位移监测点的布设如图8所示。施工期间监测频率为1天1次，竣工1年内2天一次，竣工1～2年内3天一次，竣工2～3年内5天一次。坡顶的沉降及水平位移的报警控制值为绝对值30mm及连续3天每天3mm。

整理监测结果发现：

（1）坝体水平位移的累计变化量在+6.8mm～-24.8mm范围内，未超出设计报警值（±50mm）；最大位移点期间平均位移速率为-0.070mm／d，坝体水平位移速率均小于设计报警值（±3mm／d）；

（2）坝体沉降的累计变化量在+3.80mm～-22.82mm范围内，未超出设计报警值（±50mm）；最大沉降速率点沉降速率为-1.30mm／d，坝体沉降速率均小于设计报警值（±3mm／d）。

可见，加高扩建后的坝体其变形在安全范围内，坝体的整体稳定性满足有关规范及工程要求。

图8 坝体监测剖面布置示意Fig.8 Dam monitoring section layout

5 结语

在场地有限、原垃圾填埋程度已到极限、原有垃圾挡坝高陡且出现稳定性问题等条件下要加高挡坝扩建库容是很棘手的，本文提供了全面的设计方法，结合有限元计算、离心模型试验以及现场监测的结果和填埋场实际使用的状况来看，设计方法是可靠的，并总结出几个关键技术点从而得出如下结论：

1.新旧坝体连接处是影响抗滑稳定的关键部分，通过锚杆转换的新旧坝的连接设计是关键。新坝土工布的拉力通过钢管转换，传至与钢管连接的埋设在旧坝上的锚杆，有效解决新旧坝连接处的联合滑移问题。

2.原有坝体的稳定性是加高扩建的基础，对原有挡坝的注浆加固和坝脚抗滑桩的布置是增加坝体整体稳定性的有效方法。

3.使用土工织物作为加筋材料的坝体，土工织物的界面摩擦特性以及抗剪强度的发挥对于坝体稳定性至关重要，本工程中选用的高韧聚酯有纺土工织物具有高抗拉强度，有利于提高坝体稳定性。

4.坝前垃圾水位的不确定性给设计带来困难，通过设置渗滤液抽排井来解决坝前垃圾水位问题是一个可行的方法。