高韧聚酯有纺土工织物在高陡垃圾挡坝原位加高中的应用

陈位洪 朱江颖

(广东省建筑设计研究院 广州510010）

引言

随着城市化进程的不断加快， 与日俱增的垃圾处理压力、 城市紧张的用地与日渐饱和的垃圾填埋场之间矛盾突出， 通过加高垃圾挡坝对既有填埋场进行扩容成为了解决垃圾填埋去向问题的较为科学有效的办法， 对解决城市垃圾最终出路、 节约土地资源具有重要意义。

挡坝根据筑坝材料的不同可分为土石坝、 混凝土坝等多种类型， 土石坝由于其地基适应力较强、 筑坝材料简单、 施工较为方便等特点， 在我国分布较广， 是较常使用的坝型[1]， 故国内现有垃圾填埋场的挡坝多以土石坝为主。 将填埋场挡坝在原位进行加高扩建， 既要满足填埋场扩容需求， 又常面临场地受限等现实问题， 这就使得新建坝体常具有又高又陡的结构特点。 对于这类坝体， 超出常规土石坝的坡率及高度范围， 往往需要使用加筋的方法， 坡率越陡， 对加筋材料的性能要求越高。 对于坝体加筋， 土工合成材料是使用最为广泛的加筋材料[2]， 土工合成材料的抗拉强度及界面摩擦系数等因素直接影响坝体的整体稳定性， 故在对现有填埋场垃圾挡坝在受限场地的原位加高工程中， 土工合成材料如何选取至关重要。

本文以广州市兴丰垃圾填埋场为例， 对其垃圾挡坝原位加高扩建过程中土工织物的选取及施工方法等关键技术难题进行了应用和探讨。

1 工程概况

1.1 工程背景

广州市兴丰生活垃圾卫生填埋场位于广州市白云区太和镇兴丰村， 原有库容约2520 万m3，该填埋场承担着广州市中心城区垃圾处理的全部压力， 经长时间运营， 其剩余可利用库容已难以满足垃圾处理要求， 扩建迫在眉睫[3]。

填埋场垃圾挡坝位于场区南部， 紧邻现状渗滤液厂。 坝体类型为加筋粘土坝， 坝体采用HDPE 土工格栅作为加筋材料， 格栅间距为0.6m， 临空面处加密到 0.3m。 如图 1 所示。 原坝顶标高110m， 坝高20m， 上游坝体坡率约为1∶2， 下游坡率最大达1∶1， 挡坝后侧垃圾堆体以1∶3 坡率已然堆至155m 标高处。 无论坝体坡率、 垃圾堆体坡率还是填埋高度都已达到《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176-2012）要求的极限[4]。 且坝体在运营过程中已出现坝面局部冲刷破坏， 坝体也已发生水平位移。

图1 原有垃圾挡坝剖面示意Fig.1 The profile of the original dam body

1.2 工程地质条件

1.地下水情况

地下水的埋深介于0.5m ～1m 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。

根据土工试验结果并结合工程经验， 素填土层土质不均， 渗透性变化较大， 属弱-中等透水层， 粉质粘土、 砂质粘性土、 全风化岩属弱透水层， 强风化岩、 中风化岩属于弱～中等透水层，微风化岩属于弱透水层。

2.岩土特性

拟新增坝基底地质情况从上至下可分为:①1填土4m， ②2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。 谷底弱风化顶面埋深约6m ～16m。 原坝体所在位置地质情况从上至下可分为: ①1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， 下为⑧微风化花岗岩层。 岩层的技术参数见表1。

3.场区渗滤液水位导排情况

原场区封场后在垃圾堆体上每隔50m 水平距离设有渗滤液抽排井， 且场区底部设有主、次双层渗滤液收集导排系统， 以此确保垃圾堆体内渗滤液水位的及时收集排放。 除此之外，在垃圾挡坝与堆体之间， 设有渗滤液收集提升泵井及渗滤液水位监测报警系统， 当渗滤液水位达到110m 高程时， 系统将报警并自动开启潜污泵对渗滤液进行抽排， 故设计计算中将渗滤液水位按齐平旧坝坝顶计算， 并且不考虑渗滤液水位在垃圾堆体内的水平渗流。

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

2 挡坝加高设计及关键技术问题

经设计计算， 若将挡坝加高15m 可相应增加750 万m3库容， 对暂时缓解广州市中心城区垃圾处理压力作用显著。 加高后坝高35m， 坝顶设10m宽道路， 汽车荷载设计等级公路-Ⅱ级。 由于坝坡坡脚紧邻现状渗滤液厂， 场地受限， 为减少渗滤液厂的搬迁， 加高后的上下游坝坡坡率高达1∶1，下游坡面每10m 高设2m 宽马道， 如图2 所示。

图2 加高后挡坝剖面示意Fig.2 The profile of the heightening dam

可见， 加高后的坝体又高又陡， 坡率已经超出常规土石坝的正常使用范围， 故需考虑坝体加筋。 然而， 在加筋材料的选用上却面临几大难题:

(1）使用在边坡或坝坡加固中广泛应用的土工格栅作为加筋体， 难以实现新旧坝体的有效连接。 在土工合成材料的诸多类型中， 土工格栅由于其具有变形模量较大、 抗拉强度较高等优点，是传统的加筋边坡或加筋土石坝最常选用的加筋加固材料， 在实际工程中广泛应用[5]。 然而， 与简单的加筋边坡不同， 本工程是在原有坝体结构基础上进行加高设计， 在要求加筋材料具备高抗拉强度的同时， 还需考虑坝体加高部分与原坝体如何连接， 扩建后的新坝体可以采用土工格栅作为加筋体来提高土体抗剪性能， 但土工格栅不能穿过新旧坝体交界面， 导致新旧坝体交界面往往是最薄弱的部位。

(2）在常规土石坝培厚工程中使用的增加新旧坝体界面连接力的方法， 难以满足本工程挡坝稳定性要求。 在水利工程中， 对坝体进行加高培厚也较为常见， 已有不少学者对国内大坝加高工程进行了总结探讨[6-8]。 调研发现， 混凝土、 砌石重力坝等往往可实现较大幅度的加高， 而土石坝则加高的高度较小且坡面较缓， 表2 汇总了国内较大型土石坝的加高加固情况[9]， 其加高坡面最大坡率为1∶2。 在以往坝体加高工程研究中，对于新旧坝体连接面的处理采用刨毛或开蹬形式较为普遍， 部分混凝土坝加高中也采用植筋来增加新老混凝土的粘结强度[10]。 本工程坝体类型为碾压土石坝， 加高高度较大且坡面较陡， 经前期试验及计算模拟发现， 新旧坝体连接面往往是影响坝体整体稳定性的最危险滑动面， 依靠凿毛等施工方法已难以确保坝体安全稳定。

表2 国内土石坝加高情况[9]Tab.2 Earth-rock dam elevation in China

(3）经设计前期的室内模型试验及初步数值分析， 为使得边坡整体稳定安全系数能够达到设计规范标准， 要求加筋材料长期抗拉强度设计值达到160kN/m， 经市场调研发现， 市面上传统的土工织物等其他类型的土工合成材料难以满足要求。

为解决以上难题， 创新性地选用了特型土工织物——高韧聚酯有纺土工织物作为加筋体， 它高强的抗拉性能为挡坝稳定性提供了有力保障，本工程中垃圾挡坝成为全国首例在垃圾卫生填埋场使用高韧聚酯有纺土工织物作为加筋材料的高陡土石坝体。

3 高韧聚酯有纺土工织物的特点及应用

设计应用的材料允许抗拉(拉伸）强度即长期抗拉强度Ta应根据实测的极限抗拉强度T， 通过下列方式计算确定[11]:

式中:RFCR为材料因蠕变影响的强度折减系数；RFiD为材料在施工过程中受损伤的强度折减系数；RFD为材料长期老化影响的强度折减系数；RF为综合强度折减系数。

由式(1）可知， 综合强度折减系数越大， 材料允许抗拉强度越小。 如要求材料达到设计允许抗拉强度， 需提高材料极限抗拉强度或降低其综合强度折减系数。 前者需要耗费大量成本， 对于后者可有效减少材料因蠕变影响的强度折减系数RFCR。

3.1 材料性能优势

本工程使用的新型Mirafi 高韧聚酯有纺土工织物是由高韧聚酯形成定向构造的稳定高强加筋土工织物， 通过降低材料因蠕变影响的强度折减系数， 来提高材料允许抗拉(拉伸）强度Ta， 以取得最有效的荷载承受能力。 为此， 专门对此种土工织物的荷载承受能力进行了试验评估。

由图3 可得到不同设计寿命的RFCR值。 在60 年设计寿命时， Mirafi 高韧聚酯有纺土工织物还保有72%剩余强度， 相当于折减系数RFCR=1.39。 在120 年设计寿命时土工织物还保有69%剩余强度， 相当于折减系数RFCR=1.45。 Mirafi高韧聚酯有纺土工织物由高韧聚酯纤维组成， 即使在很高的拉荷载强度下仍然能保持低应变。 在初始抗拉强度40%的荷载条件下， 其120 年设计寿命下的蠕变小于1%。

材料性能参数情况见表3， 其中TGDG160土工格栅材料折减系数按规范[11]选取。 两者的极限拉伸强度相差不大， 但由于折减系数差异，PET1150 高韧聚酯有纺土工织物的材料允许抗拉强度特征值要远大于TGDG160， 可见采用高韧聚酯有纺土工织物更容易满足抗拉强度设计要求。

图3 Mirafi 高韧聚酯有纺土工织物蠕变破裂曲线Fig.3 The creep rupture curve of Mirafi high-tenacity geotextiles

表3 土工合成材料材料性能参数Tab.3 The material property parameters of Geosynthetics

3.2 设计参数取值

本项目在设计过程中经过大量有限元数值模拟及室内模型试验， 最终确定将高韧聚酯有纺土工织物垂直间距取为0.5m， 沿坝轴线方向横向满布。 选用型号为PET1300 和PET3500 的两种类型土工织物分别铺设于坝体不同区域， 具体性能参数见表4。 两种土工织物的分布范围以距离坝脚约15m 坝高附近为界面， 以上采用 PET3500型， 以下采用 PET1300 型， 如图 4 所示。

表4 高韧聚酯有纺土工织物性能参数Tab.4 The performance parameters of Mifira geotextile

3.3 新型新旧坝体连接构造

基于高韧聚酯有纺土工织物， 本工程在设计应用过程中研制了一种新型新旧坝体连接构造， 目前该成果已成功申请发明专利和实用新型专利[12，13]。

如图5 所示， 新型的新旧坝体连接结构在旧坝体坡面设置有一定长度、 一定间距的锚杆， 并利用一定直径的钢管作为连接杆使之与新坝体中的土工织物相连， 以此增加新旧坝体交接面处的抗滑力。 施工过程中， 先将土工织物跨过连接杆， 而后将土工织物两端绕过连接杆从其上下两侧伸出， 上下两侧土工织物即埋设在新坝体内作为加筋材料， 此外， 由于锚杆表面积较小， 为增加与坝体填料的摩擦， 可设置定位孔， 并在孔内浇筑混凝土以增加锚杆与周围土体粘聚力。 南部挡坝在设计施工过程中取锚杆竖向及水平间距为1m， 有效长度为7m。

图4 加高坝体土工织物分区范围示意Fig.4 The range of the Mirafi geotextile of the heightening dam

图5 新旧坝体连接方法Fig.5 Connection structure of the new and the original dam body

4 坝体稳定性有限元计算分析

4.1 计算方法及模型

为明确高韧聚酯有纺土工织物及新型坝体连接结构对坝体稳定性的作用， 本文借助Geostudio-Slope 有限元计算软件对坝体及垃圾堆体的整体稳定性进行分析。 采用摩根斯坦-普赖斯法计算非圆弧滑动面的安全系数， 采用摩尔-库仑强度公式作为计算准则， 采用总应力法进行计算。

简化后的有限元计算模型见图6。 原有垃圾堆体以1∶3 坡率堆积至65m 高(相对于绝对高程155m）， 新增垃圾堆体在加高坝体加持下以1∶3坡率堆积至90m 高(相当于绝对高程180m）。 由于填埋场设有完善的主渗滤液及次渗滤液双重收集系统， 原则上不存在也不允许垃圾堆体及坝体内发生高水位的水平渗流， 故计算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。

在模拟过程中， 采用该软件的“fabric”模块对坝体中的加筋材料进行模拟， 其竖向间距为0.5m。 由于在 Geostudio-Slope/W 中对于锚固作用是通过在极限平衡法中引入横向集中荷载来实现的， 采用“Anchor”模块对于新旧坝体连接结构进行建模， 为模拟锚杆与土工织物之间的横向拉结作用， 将每相邻两层土工织物与一根锚杆连接的设计模型简化为一层土工织物对应一根锚杆，相应地， 将锚杆竖向间距由设计的1m 调整为计算模型中的0.5m， 且由于锚杆的设计轴向抗拉强度与长度成正比， 故在计算模型中将其有效长度从7m 调整为3.5m。

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

4.2 计算参数及工况

表5 为坝体及垃圾堆体的力学参数取值， 其中为保守起见， 土工织物参数值按设计值或实验值基础上折减80%， 取其轴向极限抗拉强度分别为 88kN 和 160kN， 粘结面摩擦力为 8kPa。 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。

表5 坝体及垃圾体力学参数Tab.4 The geomechanical parameters of the dam and the garbage

4.3 计算结果分析

1.整体稳定性安全系数

正常使用条件下坝体整体稳定最小安全系数(即临界值）为1.327， 地震条件下最小安全系数(即临界值）为1.155， 两者均满足最小安全系数要求[14]。

2.加筋体应力分布特点

综合分析两种工况下各潜在滑动面中加筋材料的应力分布特点， 发现在正常工况下安全系数为1.327(即临界值）时， 分布在新坝面下游的加筋体应力达到最大值155.49kN， 设计选用抗拉强度为160kN/m 的 PET3500 土工织物， 则对应的强度发挥程度达155.49kN/160kN =93.67%；在安全系数为1.440 时， 分布在新坝面上游的加筋体应力达到最大值78.96kN， 此时PET1300 土工织物强度发挥程度达78.96/88 =89.73%。 可见， 加高后的坝体要达到稳定对加筋体的抗拉强度有很高的要求， 选取高韧聚酯有纺土工织物作为加筋体优势明显， 在坝身不同部位对加筋体进行分区设计有利于充分发挥土工织物的强度性能。

3.坝体监测结果

该工程于2018 年3 月顺利通过竣工验收，截至验收结束时， 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， 所有监测点水平位移速率均小于设计报警值( ±3mm/d）， 满足有关规范及工程要求。

5 结语

本文以某大型垃圾填埋场为例， 从设计到施工较为完整地介绍了高韧聚酯有纺土工织物在高陡土石坝加高过程中的应用， 实践证明该类土工织物高强的抗拉性能可为坝体稳定性提供有力保障。 基于土工织物的新旧坝体连接构造， 有利于提高新旧坝体连接面的抗滑稳定性， 可供类似工程参考。