湯彬彬，徐 升，張俊杰，張麗紅，劉佩錕

(1.寧波冶金勘察設(shè)計(jì)研究股份有限公司，浙江 寧波 315040； 2.溫州市龍灣區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，浙江 溫州 325000)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)重要的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。然而在綠色經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的驅(qū)動(dòng)下，石化產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生的固體廢棄物處理也成為急需解決的問(wèn)題之一。一般情況下固體廢棄物主要采用填埋方式處理，固廢填埋場(chǎng)中所涉及的垃圾壩壩型主要有重力式壩和柔性壩兩種，分別以砌石壩(或混凝土壩)和碾壓式土石壩為代表[1-2]。國(guó)內(nèi)對(duì)垃圾填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程處在制定和完善中，對(duì)垃圾壩等特定構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)還沒(méi)有較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可執(zhí)行，各地對(duì)于垃圾壩的設(shè)計(jì)均是參照現(xiàn)行的水工結(jié)構(gòu)規(guī)范，民用建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，以及相關(guān)的行業(yè)規(guī)范中的一種或者幾種綜合考慮來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-5]。不同于水利工程中的水工壩，固廢填埋場(chǎng)中所涉及的垃圾壩主要是阻擋固體廢棄物。丁韻[6]對(duì)山谷型垃圾填埋場(chǎng)砌石垃圾壩分析，發(fā)現(xiàn)重力式垃圾壩的計(jì)算近似擋土墻，采用水平防滲的填埋場(chǎng)，垃圾壩具有不透水的特點(diǎn)，使其又區(qū)別一般的擋土墻?？嫡丫萚7]分析影響穩(wěn)定計(jì)算的因素，得出土壓力作為影響垃圾壩穩(wěn)定計(jì)算的主要因素是受垃圾土本身的物理力學(xué)性質(zhì)及土工材料參數(shù)影響。本文結(jié)合浙江某石化固廢填埋場(chǎng)工程中混凝土結(jié)構(gòu)垃圾壩的設(shè)計(jì)。分析混凝土結(jié)構(gòu)垃圾壩在巖土穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)受力和空間方面的利用。研究結(jié)果可為類似工程項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程概況

××綠色石化基地工業(yè)固體廢物處置中心建設(shè)項(xiàng)目主要由固化處理車間、暫存庫(kù)、除臭、變配電、初期雨水池及滲濾液處理裝置、固廢填埋場(chǎng)等組成。擬建場(chǎng)地位于開(kāi)山區(qū)，原始地貌為小山丘，經(jīng)過(guò)開(kāi)挖后，形成一面開(kāi)放，三面為山體的山坳型填埋場(chǎng)，其中三面邊坡經(jīng)過(guò)削坡處理，邊坡?tīng)顟B(tài)安全穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)情況可見(jiàn)圖1，圖2。

根據(jù)勘察揭露，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，在勘察深度范圍內(nèi)主要由侏羅系凝灰?guī)r和第四系地層組成。沉積物的分布與發(fā)育主要受山前地貌控制。根據(jù)成因類型、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，將本場(chǎng)區(qū)地層自上而下劃分為如下地層：

⑤2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r(J3)：灰黃色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面被黑褐色鐵錳質(zhì)渲染，巖芯呈碎塊狀及少量短柱狀，錘擊聲悶，易碎。該層僅局部揭露。

⑤3中等風(fēng)化凝灰?guī)r(J3)：青灰、灰白等色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分長(zhǎng)石、石英等，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀及少量碎塊狀，錘擊聲脆，不易碎。無(wú)洞穴、臨空面、破碎巖體或軟弱巖層分布。一般上部巖石風(fēng)化裂隙仍較發(fā)育，向下部裂隙發(fā)育程度減弱。場(chǎng)地內(nèi)地基土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地基土相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

2 填埋要求

此固廢垃圾填埋場(chǎng)計(jì)劃填埋周期50 a，總占地面積40 811.42 m2，填埋容量691 670.74 m3。填埋地面標(biāo)高5.00 m，最大填埋標(biāo)高39.00 m，垃圾壩最大凈高20 m，垃圾壩總長(zhǎng)約337 m。壩頂以上采用斜坡填埋，坡率1∶3，每隔3 m高度設(shè)置一級(jí)平臺(tái)。填埋固廢垃圾的自重要求不得大于18 kN/m3，也不得小于11 kN/m3，采用固化處理后，填埋物內(nèi)摩擦角為30°。填埋堆體表層附加荷載10 kN/m3。根據(jù)環(huán)保要求，防滲膜在填埋場(chǎng)底全覆蓋，且垃圾壩上不得設(shè)置泄水孔，防止固廢物中廢水泄漏。

3 計(jì)算模型

常規(guī)固廢填埋場(chǎng)垃圾壩阻擋的固體廢棄物的物理力學(xué)特征較接近于擋土墻阻擋的土體的物理力學(xué)特征。而擋土墻是巖土工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的構(gòu)筑物，無(wú)論是理論原理，計(jì)算公式，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或工程實(shí)踐都比較成熟?？紤]場(chǎng)地條件限制，本固廢填埋場(chǎng)擬采用混凝土結(jié)構(gòu)垃圾壩。計(jì)算模型可參考扶壁式擋墻，作用在墻背上的主動(dòng)土壓力，可按庫(kù)侖理論計(jì)算。該垃圾壩擋墻高度遠(yuǎn)大于一般擋土墻，因此結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，土壓力增大系數(shù)可取1.3。此外垃圾壩和固廢填埋物之間存在防滲膜，δ=0。

4 計(jì)算參數(shù)

4.1 設(shè)計(jì)工況

在固廢填埋場(chǎng)正常使用過(guò)程中，垃圾壩主要受到主動(dòng)土壓力和水壓力，水壓力主要來(lái)源雨水匯集和積蓄的滲濾液。一般工況主要為正常條件下水土力，其中水頭高度影響因素很多。主要有填埋場(chǎng)的形、坡度、匯水面積以及地區(qū)暴雨公式、滲濾液收集和排除條件、截洪溝設(shè)置等。目前還很難科學(xué)地計(jì)算，推薦水頭高度設(shè)定在地上部分一半處；地震工況為水土壓力和地震作用，暴雨工況為特殊情況下水土壓力，在全覆蓋防滲膜時(shí)，可不考慮滲流影響，要求最大水頭標(biāo)高時(shí)的水壓力。具體在不同設(shè)計(jì)工況下需要滿足的安全系數(shù)如表2所示。

表2 不同設(shè)計(jì)工況下安全系數(shù)

根據(jù)不同設(shè)計(jì)工況，分別采用不同設(shè)計(jì)組合。對(duì)于三種設(shè)計(jì)工況，均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；對(duì)于持久狀況，尚應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；對(duì)于短暫狀況，可根據(jù)需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；對(duì)偶然狀況可采用按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合，必要時(shí)尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合。進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計(jì)目的，分別選用標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合、準(zhǔn)永久組合。

4.2 垃圾壩結(jié)構(gòu)

根據(jù)填埋要求，所采用混凝土結(jié)構(gòu)垃圾壩，支護(hù)斷面及支護(hù)平面如圖3，圖4所示，利用兩道扶壁之間的空腔區(qū)域作為后期停車場(chǎng)使用。扶壁之間空腔面積63 m2，空間約378 m3。每延米總混凝土約為196 m3。空間利用率可以達(dá)到24%以上。要求基底必須位于中風(fēng)化基巖，并在垃圾壩底部設(shè)置兩道凸榫，增加抗滑穩(wěn)定性。

4.3 計(jì)算結(jié)果

在該固廢填埋場(chǎng)垃圾壩按GB 50330建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范和GB 50010版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范一般工況下可簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖5。

根據(jù)平面滑裂假定，主動(dòng)土壓力合力由下式計(jì)算可得。

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因?yàn)楦┬眽Ρ?，?jì)算后發(fā)現(xiàn)第二破裂面不存在。

滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算：

Kc=1.449>1.300，滿足要求。

其中，Kc為擋墻滑移穩(wěn)定性系數(shù)。

傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：

K0=2.976>1.600，滿足要求。

其中，K0為擋墻滑移穩(wěn)定性系數(shù)。

地基承載力及偏心距驗(yàn)算：

e=2.759≤0.250×22.400=5.600 m。

pk=321.977≤fa=3 000.00 kPa。

其他地震工況和暴雨工況復(fù)核結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5 施工措施

5.1 大體積混凝土

該垃圾壩局部厚度為3 m，屬于大體積混凝土澆筑，要求采取大體積混凝土裂縫控制措施，嚴(yán)格控制混凝土內(nèi)外溫差以及混凝土表面與環(huán)境溫差?？刹捎孟铝写胧┻M(jìn)行處理：

1)大體積混凝土強(qiáng)度可采用60 d齡期強(qiáng)度等級(jí)。

2)應(yīng)合理選用混凝土配合比，選用水化熱低的水泥，并摻加粉煤灰、礦渣粉和高性能減水劑，控制水泥及水的用量，應(yīng)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)工作。大體積和摻有粉煤灰的混凝土的有水養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14 d。

3)降低混凝土入模溫度，并采取分層澆筑，分層厚度小于0.5 m。

5.2 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)

本垃圾壩擋墻整體較長(zhǎng)，根據(jù)環(huán)保需求，擋墻不設(shè)置泄水孔，無(wú)法正常設(shè)置沉降縫、伸縮縫。可采用補(bǔ)償收縮混凝土與施工后澆帶相結(jié)合的方案，并達(dá)到以下要求：

1)補(bǔ)償收縮混凝土要求水中養(yǎng)護(hù)14 d的限制膨脹率不小于0.025%。

2)后澆帶填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)比兩側(cè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)，水中養(yǎng)護(hù)14 d的限制膨脹率不小于0.025%。

3)補(bǔ)償收縮混凝土采用普通混凝土中添加低堿、低摻量的硫鋁酸鈣類膨脹劑的方式制作；膨脹劑的質(zhì)量和應(yīng)用技術(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)定。

6 結(jié)論

本文通過(guò)分析浙江××中小型固廢填埋場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)垃圾壩實(shí)施過(guò)程，主要從計(jì)算模型的確定原則，計(jì)算參數(shù)的選取和施工過(guò)程進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1)計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí)，使用庫(kù)侖土壓力。主動(dòng)土壓力增大系數(shù)應(yīng)進(jìn)行考慮，壩高在10 m～20 m之間不應(yīng)小于1.3。垃圾壩和填埋物之間的摩擦角δ=0。

2)暴雨工況下，垃圾壩復(fù)核時(shí)堆積體內(nèi)水頭標(biāo)高，要求最大水頭標(biāo)高時(shí)的水壓力。

3)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在無(wú)法正常設(shè)置沉降縫、伸縮縫?？刹捎醚a(bǔ)償收縮混凝土與施工后澆帶相結(jié)合的方案。

4)空間限制的條件下，采用混凝土結(jié)構(gòu)垃圾壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以利用空間率更高。達(dá)到節(jié)地、節(jié)能、節(jié)約造價(jià)的作用。