固废填埋场大型垃圾坝挡墙稳定性分析

汤彬彬，徐 升，张俊杰，张丽红，刘佩锟

(1.宁波冶金勘察设计研究股份有限公司，浙江 宁波 315040； 2.温州市龙湾区建设工程质量检测中心，浙江 温州 325000)

0 引言

随着国家经济的不断发展，石化产业已经成为我国重要的国民经济支柱产业。然而在绿色经济和产业升级的驱动下，石化产业中产生的固体废弃物处理也成为急需解决的问题之一。一般情况下固体废弃物主要采用填埋方式处理，固废填埋场中所涉及的垃圾坝坝型主要有重力式坝和柔性坝两种，分别以砌石坝(或混凝土坝)和碾压式土石坝为代表[1-2]。国内对垃圾填埋场的设计规范和规程处在制定和完善中，对垃圾坝等特定构筑物的设计还没有较统一的标准规范可执行，各地对于垃圾坝的设计均是参照现行的水工结构规范，民用建筑结构规范，以及相关的行业规范中的一种或者几种综合考虑来进行设计[3-5]。不同于水利工程中的水工坝，固废填埋场中所涉及的垃圾坝主要是阻挡固体废弃物。丁韵[6]对山谷型垃圾填埋场砌石垃圾坝分析，发现重力式垃圾坝的计算近似挡土墙，采用水平防渗的填埋场，垃圾坝具有不透水的特点，使其又区别一般的挡土墙。康昭君等[7]分析影响稳定计算的因素，得出土压力作为影响垃圾坝稳定计算的主要因素是受垃圾土本身的物理力学性质及土工材料参数影响。本文结合浙江某石化固废填埋场工程中混凝土结构垃圾坝的设计。分析混凝土结构垃圾坝在岩土稳定性、结构受力和空间方面的利用。研究结果可为类似工程项目提供借鉴。

1 工程概况

××绿色石化基地工业固体废物处置中心建设项目主要由固化处理车间、暂存库、除臭、变配电、初期雨水池及渗滤液处理装置、固废填埋场等组成。拟建场地位于开山区，原始地貌为小山丘，经过开挖后，形成一面开放，三面为山体的山坳型填埋场，其中三面边坡经过削坡处理，边坡状态安全稳定现场场地内情况可见图1，图2。

根据勘察揭露，结合区域地质资料，在勘察深度范围内主要由侏罗系凝灰岩和第四系地层组成。沉积物的分布与发育主要受山前地貌控制。根据成因类型、物理力学性质指标，将本场区地层自上而下划分为如下地层：

⑤2强风化凝灰岩(J3)：灰黄色，凝灰质结构，块状构造，主要矿物成分为石英、长石等，节理裂隙发育，节理面被黑褐色铁锰质渲染，岩芯呈碎块状及少量短柱状，锤击声闷，易碎。该层仅局部揭露。

⑤3中等风化凝灰岩(J3)：青灰、灰白等色，凝灰质结构，块状构造，主要矿物成分长石、石英等，节理裂隙较发育，岩芯呈柱状及少量碎块状，锤击声脆，不易碎。无洞穴、临空面、破碎岩体或软弱岩层分布。一般上部岩石风化裂隙仍较发育，向下部裂隙发育程度减弱。场地内地基土物理力学参数见表1。

表1 地基土相关物理力学参数

2 填埋要求

此固废垃圾填埋场计划填埋周期50 a，总占地面积40 811.42 m2，填埋容量691 670.74 m3。填埋地面标高5.00 m，最大填埋标高39.00 m，垃圾坝最大净高20 m，垃圾坝总长约337 m。坝顶以上采用斜坡填埋，坡率1∶3，每隔3 m高度设置一级平台。填埋固废垃圾的自重要求不得大于18 kN/m3，也不得小于11 kN/m3，采用固化处理后，填埋物内摩擦角为30°。填埋堆体表层附加荷载10 kN/m3。根据环保要求，防渗膜在填埋场底全覆盖，且垃圾坝上不得设置泄水孔，防止固废物中废水泄漏。

3 计算模型

常规固废填埋场垃圾坝阻挡的固体废弃物的物理力学特征较接近于挡土墙阻挡的土体的物理力学特征。而挡土墙是岩土工程设计中常见的构筑物，无论是理论原理，计算公式，设计经验或工程实践都比较成熟。考虑场地条件限制，本固废填埋场拟采用混凝土结构垃圾坝。计算模型可参考扶壁式挡墙，作用在墙背上的主动土压力，可按库仑理论计算。该垃圾坝挡墙高度远大于一般挡土墙，因此结构安全等级为一级，土压力增大系数可取1.3。此外垃圾坝和固废填埋物之间存在防渗膜，δ=0。

4 计算参数

4.1 设计工况

在固废填埋场正常使用过程中，垃圾坝主要受到主动土压力和水压力，水压力主要来源雨水汇集和积蓄的渗滤液。一般工况主要为正常条件下水土力，其中水头高度影响因素很多。主要有填埋场的形、坡度、汇水面积以及地区暴雨公式、渗滤液收集和排除条件、截洪沟设置等。目前还很难科学地计算，推荐水头高度设定在地上部分一半处；地震工况为水土压力和地震作用，暴雨工况为特殊情况下水土压力，在全覆盖防渗膜时，可不考虑渗流影响，要求最大水头标高时的水压力。具体在不同设计工况下需要满足的安全系数如表2所示。

表2 不同设计工况下安全系数

根据不同设计工况，分别采用不同设计组合。对于三种设计工况，均应进行承载能力极限状态设计；对于持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；对于短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；对偶然状况可采用按承载能力极限状态设计。进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。进行正常使用极限状态设计时，应根据不同设计目的，分别选用标准组合、频遇组合、准永久组合。

4.2 垃圾坝结构

根据填埋要求，所采用混凝土结构垃圾坝，支护断面及支护平面如图3，图4所示，利用两道扶壁之间的空腔区域作为后期停车场使用。扶壁之间空腔面积63 m2，空间约378 m3。每延米总混凝土约为196 m3。空间利用率可以达到24%以上。要求基底必须位于中风化基岩，并在垃圾坝底部设置两道凸榫，增加抗滑稳定性。

4.3 计算结果

在该固废填埋场垃圾坝按GB 50330建筑边坡工程技术规范和GB 50010版混凝土结构设计规范一般工况下可简化模型见图5。

根据平面滑裂假定，主动土压力合力由下式计算可得。

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因为俯斜墙背，计算后发现第二破裂面不存在。

滑动稳定性验算：

Kc=1.449>1.300，满足要求。

其中，Kc为挡墙滑移稳定性系数。

倾覆稳定性验算：

K0=2.976>1.600，满足要求。

其中，K0为挡墙滑移稳定性系数。

地基承载力及偏心距验算：

e=2.759≤0.250×22.400=5.600 m。

pk=321.977≤fa=3 000.00 kPa。

其他地震工况和暴雨工况复核结果均满足规范要求。

5 施工措施

5.1 大体积混凝土

该垃圾坝局部厚度为3 m，属于大体积混凝土浇筑，要求采取大体积混凝土裂缝控制措施，严格控制混凝土内外温差以及混凝土表面与环境温差。可采用下列措施进行处理：

1)大体积混凝土强度可采用60 d龄期强度等级。

2)应合理选用混凝土配合比，选用水化热低的水泥，并掺加粉煤灰、矿渣粉和高性能减水剂，控制水泥及水的用量，应加强混凝土养护工作。大体积和掺有粉煤灰的混凝土的有水养护时间不得少于14 d。

3)降低混凝土入模温度，并采取分层浇筑，分层厚度小于0.5 m。

5.2 超长结构

本垃圾坝挡墙整体较长，根据环保需求，挡墙不设置泄水孔，无法正常设置沉降缝、伸缩缝。可采用补偿收缩混凝土与施工后浇带相结合的方案，并达到以下要求：

1)补偿收缩混凝土要求水中养护14 d的限制膨胀率不小于0.025%。

2)后浇带填充混凝土强度等级比两侧混凝土强度等级高一级，水中养护14 d的限制膨胀率不小于0.025%。

3)补偿收缩混凝土采用普通混凝土中添加低碱、低掺量的硫铝酸钙类膨胀剂的方式制作；膨胀剂的质量和应用技术应符合现行规定。

6 结论

本文通过分析浙江××中小型固废填埋场混凝土结构垃圾坝实施过程，主要从计算模型的确定原则，计算参数的选取和施工过程进行研究。主要结论如下：

1)计算主动土压力时，使用库仑土压力。主动土压力增大系数应进行考虑，坝高在10 m～20 m之间不应小于1.3。垃圾坝和填埋物之间的摩擦角δ=0。

2)暴雨工况下，垃圾坝复核时堆积体内水头标高，要求最大水头标高时的水压力。

3)超长结构在无法正常设置沉降缝、伸缩缝。可采用补偿收缩混凝土与施工后浇带相结合的方案。

4)空间限制的条件下，采用混凝土结构垃圾坝的结构设计可以利用空间率更高。达到节地、节能、节约造价的作用。