贵州垃圾填埋场垃圾坝设计理论及方法研究

贵州垃圾填埋场垃圾坝设计理论及方法研究摘要：垃圾坝建设是垃圾填埋场建设的核心工程之一，垃圾坝结构形式与水坝和重力式挡土墙均有所相似，但受力状态又有很大区别。目前垃圾坝的设计还没有比较统一的标准规范可以执行。现结合近几年工作经验，对于垃圾填埋场中的垃圾坝的结构设计原则，计算公式的采用，设计参数的选取，以及计算中应考虑的一些问题提出了一些观点和看法。关键词：垃圾填埋场垃圾坝结构计算贵州1贵州垃圾卫生填埋场设计的主要特点1.1贵州地形地貌特点贵州高原起伏较大，山脉较多，海拔在1000—1500米之间。贵州高原位于多雨的季风区，雨量充足。由于多雨，高原上的河流水量大，许多河流长期切割地面，形成许多又深又陡的峡谷。贵州高原的地貌可以大致分为三级地形面：山原、盆地和峡谷。高原上最高的一级是山原，以贵州西部最明显。高原面因长期受河流切割而呈山原形态。在这个高原面下，分布着一些盆地（坝子），最大的是贵阳盆地，是高原上的主要农耕地带。根据贵州地形情况，垃圾填埋场的建设与平原地区有比较大的差别，一般是采取在山谷处填埋。1.2贵州垃圾卫生填埋场选址特点结合贵州地形地貌特点，填埋场一般选择在沟谷地形，沟的中部大，开口小，容积大使用年限长，以簸箕形为宜；地形坡度平缓，且向出口边微倾，以利于垃圾渗沥液排出；避开河谷阶地冲积物松散层和岩溶发育区，防止污染地下水，以免防渗处理费用过高。垃圾卫生填埋场选址的主要原则：（1）可利用的库容大、使用年限长，使用年限宜在10年以上；特殊情况下，不应低于8年。（2）充分利用天然的洼地、沟壑、峡谷以及废坑等，可用的覆盖土量丰富，覆土取土距离较近。（3）交通方便，垃圾运输距离较短。（4）工程地质和水文地质条件良好。（5）远离居住区和水源地，在当地夏季主导风向的下方，不会引起群众的不满，不会造成不良的社会影响。1.3垃圾坝设计理论及应用情况垃圾处理设施建设是污染减排工作的重要组成部分,加快城镇垃圾填埋场建设进度，切实推进污染减排工作，是实现我省节能减排任务的迫切需要，事关全省经济社会发展全局和广大人民群众的切身利益。笔者近几年参与设计的垃圾填埋场已达到二十余座（坝体最低8m，最高达到22m），已建成投入使用的有近二十座。由于城市垃圾卫生填埋引入国内仅30几年的时间，在全国范围内大规模普遍实施垃圾卫生填埋的时间更是短暂。虽然近几年对于垃圾填埋场的设计规范和规程的制定工作在逐步展开完善，但是对于其中某些特定的构筑物如垃圾坝的设计还没有比较统一的标准规范可以执行。目前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几种综合考虑来进行设计的。对于垃圾坝的结构设计中关于垃圾坝结构设计年限确定、安全等级的确定、安全系数的取值、结构计算的一些关键系数的取值等，以及在施工过程中所遇到的一些问题的解决有一些设计经验、观点及体会，在此作一个总结。对于这些参数比较切合实际的取值，在贵州有一定工程实践经验，但未得到相关专业部门的认证，在今后还需要国内相关的研究部门在通过一系列的试验来给出不同垃圾土的物理力学参数，以供设计部门设计时参考取值。贵州各地石料均较为丰富，浆砌石挡墙及相关砌石坝体的建设积累了丰富的经验，因此浆砌石坝的建设较适宜，目前已得到广泛使用。本文结合目前加筋土技术在加筋土挡墙、土工格栅软土路基上的应用等，对土工格栅修筑垃圾坝的建设作可能性分析；土工格栅土坝具有投资省、工期短、施工方便等优点。2垃圾坝力学分析及参数2.1垃圾坝力学分析垃圾坝由于其特殊性，除了在几何体型上与一般的水利工程的水坝相似以外，也和重力式挡土墙受力状态有很大相似性；但其使用功能，受力特性等许多方面都与之不相同。因此在确定垃圾坝的结构计算时是将其划入水工建筑物还是划入一般工程中的挡土墙，这是我们在选择计算方法前必须解决的问题。垃圾坝受力在垃圾堆体堆放前后作用力有所不一。垃圾坝修建完成至堆放垃圾前只受到结构自重力及附加重力、垃圾坝收缩及徐变作用力、基础作用变位力等；随着垃圾堆放至封场，逐渐增加垃圾堆体重力、垃圾堆体侧压力、渗滤液及水的浮力。垃圾堆放一定时间后，产生渗滤液，按照设计要求理想状态渗滤液及雨水将直接由各自的导排管排至渗滤液处理站和场区外截水沟。从安全角度考虑，设计时务必得考虑渗滤液产生量较大时、雨季永久性截洪沟不能有效排出时垃圾坝内侧水位上升的情况进行稳定性验算。结合该受力特点，垃圾坝受力状态与浸水地区重力式挡土墙受力状态比较一致，只是垃圾堆体与土相关参数不一致。2.2垃圾坝设计参数的确定（1）垃圾坝设计年限的确定根据《生活垃圾卫生填埋处理工程项目建设标准》（建标124-2009），填埋场的合理使用年限，应在10年以上，特殊情况下可不低于8年。在填埋场关闭后相当长时间内，如果不注意后期管理，可能会对周围环境造成严重污染，填埋场关闭后的管理是一项长期的任务，一般在20年以上；填埋场产气周期为20-30年，该时间内，垃圾组分可以基本完成降解。垃圾坝的设计使用年限也同时应结合垃圾库区相应的配套设施的使用年限综合考虑，主要包含防渗系统材料(HDPE防渗膜、无纺土工布等)的使用年限、防渗导排系统的结构使用年限等等。综合以上因素考虑，并根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）结构使用年限表的要求和《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）房屋结构的设计使用年限的要求，两表的要求完全吻合。填埋场使用年限按15年考虑，垃圾产气降解周期按30年考虑，则垃圾坝设计年限按50年考虑较为合理。表2.1设计使用年限分类（2）结构安全等级的确定根据《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008），工程结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生影响等）的严重性，采用不同的安全等级。表2.2工程结构的安全等级填埋场的核心工程包含防渗系统、垃圾坝以及渗滤液处理的达标。可见垃圾坝在填埋场建设中的重要性，一旦溃坝，整个垃圾坝将处于瘫痪状态，会造成极大的经济损失和环境破坏；鉴于该情况，将垃圾坝的结构安全等级定为二级。（3）安全系数的确定结合垃圾坝受力状态的分析，与浸水地区重力式挡土墙受力状态相似，根据《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）荷载分类表和抗滑和抗抗倾覆的稳定系数表的规定，结合垃圾坝受力，所受荷载为荷载组合I，取滑动稳定系数Kc≥1.3，倾覆稳定系数取Ko≥1.3，作用于基底的合力偏心距e≤1/6B。2.3其余设计参数的取值影响生活垃圾成分主要因素有城市的经济发展水平、城市居民的生活习俗和城市所处的地理位置（自然气候）和季节等。主要成分含纸类、塑料、玻璃、金属和餐橱余物等，考虑垃圾降解无害化后的垃圾土体与其性质相似的一些土体的资料，作的一个基本假定，但目前没有切实依据的情况下，取值偏于保守。基本采用垃圾堆体容重γ=10—15kN／m3、内摩擦角ψ=15。～25。、内粘聚力c=0。垃圾坝为一墙背向填埋体方向倾斜的构筑物，承受主动土压力。主动土压力方向与垃圾坝内坡的法向成δ夹角，由于垃圾坝内坡坡度一般为0.2～0.4，而δ一般取值为ψ的1／2～2／3，因此主动土压力作用方向接近于铅直向下，对垃圾坝的整体抗滑稳定性有利。垃圾坝内侧产生渗滤液后，坝前与坝后产生水位差，受到静水压力作用，墙身受到静水压力差引起的推力；墙身受到水的浮力作用，而使其抗倾覆和抗滑动稳定性减弱；坝内暴雨下渗，在垃圾内出现渗流时，垃圾及墙身会受到渗透动水压力。由于浸水对坝体及垃圾体产生不同的影响，随着坝内水位的升高，坝的稳定性出现不同的变化；最高水位不一定是最不利的状态；滑动稳定系数和倾覆稳定系数的最小值，可能同时出现于某一水位，也可能分别出现。在计算中，采用“优选法”进行试算。但该数据一般是坝后水位较高时，计算结果会使得垃圾坝体量过大。考虑到垃圾坝设得有渗滤液导排管，坝后不应该出现较高的水位，除非是渗滤液导排系统堵塞的情况，一般如遇导排管长期不排水的情况，应尽快采取别的处理措施。结合该情况，一般计算时坝后水位差取0.25-0.30H（除埋置深度外的坝体高）左右为宜。3浆砌石坝设计案例分析3.1坝体尺寸的确定方法（1）案例概况现根据贵州某县城垃圾卫生填埋场垃圾坝为例进行阐述。该填埋场服务年限10年，期末服务人口8.3万人，项目占地150.5亩，填埋库容59.8万m3；根据库容量确定坝体位置及坝体高度；坝体长度45m，坝高9-20m，两侧坝肩9m，中间谷底坝高20m。（2）坝体尺寸计算的方法①结合填埋场址根据库容量确定垃圾坝体高度，长度，地基承载力；②初拟坝体尺寸；③进行垃圾堆体压力计算，计算破裂角、判定是否出现第二破裂面、验算破裂面位置；④坝体截面计算；⑤抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、基底应力及偏心距计算、坝体截面强度验算、基础强度验算；⑥如通过则完成计算，未通过，则视未满足参数情况调整坝顶宽度、面坡坡度、背坡坡度或基底坡度等进行反复计算。图3.1坝体结构计算框图3.2垃圾坝体计算（1）计算公式相对于填埋体而言，垃圾坝为一墙背向填埋体方向倾斜的垃圾坝，承受主动土压力。主动土压力计算公式：Eα=1/2γH2Ka式中：Eα—主动土压力(KN)，γ—土的容重（KN/m3），H—垃圾坝高(m)，Ka—库伦主动土压力系数；Ka为库仑主动土压力系数，是填埋体内摩擦角¢、填埋体与垃圾坝内坡间的内摩擦角δ、内坡倾角ε和填埋体顶面向垃圾坝方向的平均倾角β的函数，可以查表确定。在其它因素一定的情况下，¢越大，Ka越小。（2）计算简图及取值案例墙身尺寸:墙身高:20.0(m)墙顶宽:2.5(m)面坡倾斜坡度:1:0.5背坡倾斜坡度:1:0.3墙底倾斜坡率:0.0:1，图3.2断面尺寸图物理参数取值:圬工砌体容重γ1=23.0(kN/m3)；圬工之间摩擦系数f1=0.4；地基土摩擦系数f2=0.7;砌体种类:片石砌体;砂浆标号M7.5;石料强度30(MPa);墙后填土内摩擦角¢=20.0(度);墙后填土粘聚力c=0.0(kPa);墙后填土容重γ=13.0(kN/m3);墙背与墙后填土摩擦角δ=12.0(度);地基土容重γ2=18.0(kN/m3);墙底摩擦系数f3=0.6;地基土类型:岩石地基;地基土内摩擦角f4=30.0(度);墙后填土浮容重γ3=9.0(kN/m3);地基浮力系数:0.7。通过墙踵假拟若干破裂面，确定主动土压力最大的那个破裂面为最危险的破裂面，并求得最大主动土压力值。图3.3砌石坝（案例）受力简图垃圾坝的计算时应保证其在自重和外荷载作用下不发生坝体的滑动和倾覆，并保证墙身截面有足够的强度、基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值。按坝体断面形式及尺寸进行坝的稳定及强度验算。采用容许应力法计算垃圾坝。案例计算结果：按实际墙背计算得到，第1破裂角：50.0(度)Ea=2000.157(kN)Ex=1754.443(kN)Ey=960.499(kN)作用点高度Zy=6.496(m)因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，计算后发现第二破裂面不存在墙身截面积=210.0(m2)重量=4830.0kN（3）验算①滑动稳定验算垃圾坝沿基底的滑动稳定系数Kc应不小于1.3。计算公式为：Kc=（W+Ey）f/Ex式中：W——垃圾坝自重，，Ex，Ey——主动土压力的水平和垂直分力（KN），f——基底摩擦系数。设计中，为增加垃圾坝的抗滑稳定性，如基底摩擦系数小不满足抗滑要求时，常将基底做成向内倾斜，以增大滑动稳定系数。案例计算结果：基底摩擦系数=0.6滑移力=1979.443(kN)抗滑力=3174.75(kN)滑移验算满足:Kc=1.604>1.3滑动稳定方程验算：滑动稳定方程满足:方程值=1485.108(kN)>0.0②倾覆稳定验算垃圾坝绕墙趾的倾覆稳定系数Ko应不小于1.5。计算公式为：Ko=（WZw+EyZx）/（ExZy）式中：Zx——Ey对墙趾O点的力臂(m)，Zy——Ex对墙趾O点的力臂(m)，Zw——W对墙趾O点的力臂(m)。案例计算结果：相对于墙趾点，墙身重力的力臂Zw=9.996(m)相对于墙趾点，Ey的力臂Zx=16.551(m)相对于墙趾点，Ex的力臂Zy=6.496(m)验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性倾覆力矩=17031.598(kN-m)抗倾覆力矩=64178.344(kN-m)倾覆验算满足:K0=3.768>1.5倾覆稳定方程验算：倾覆稳定方程满足:方程值=37490.582(kN-m)>0.0③基底应力及偏心验算基底的合力偏心距e。计算公式为：e=B/2-Zn=B/2-（WZw+EyZx-ExZy）/（W+Ey）在土质地基上，e≤B/6；在软弱岩石地基上，e≤B/5；在不易风化的岩石地基上，e≤B/4。当e≤B/6时，墙趾和墙踵处的法向压应力为：σ1,2=（W+Ey）（1±6e/B）/B≤[σ]式中，[σ]——地基土修正后的容许承载力（KPa）[σ]=[σo]+K1γ1（B-2）式中，[σo]——地基土的容许承载力（KPa），K1——地基土容许承载力随基础宽度的修正系数，γ1——地基土的天然容重（KN/m3）。当e>B/6时，基底出现拉应力，考虑到一般情况下地基与基础间不能承受拉力，故不计拉力而按应力重分布计算基底最大拉应力：σ1=2（W+Ey）/3Zn≤[σ]若出现负偏心，则上式的Zn改为（B-Zn）。案例计算结果：作用于基础底的总竖向力=5291.25(kN)作用于墙趾下点的总弯矩=47146.742(kN-m)基础底面宽度B=18.500(m)偏心距e=0.34(m)基础底面合力作用点距离基础趾点的距离Zn=8.91(m)基底压应力:趾部=317.522踵部=254.505(kPa)最大应力与最小应力之比=317.522/254.505=1.248作用于基底的合力偏心距验算满足:e=0.340<=0.2*18.5=3.7(m)墙趾处地基承载力验算满足:压应力=317.522<=420.0(kPa)墙踵处地基承载力验算满足:压应力=254.505<=455.0(kPa)地基平均承载力验算满足:压应力=286.014<=350.0(kPa)④墙身截面强度验算通常选取一、两个截面进行验算。验算截面可选在基础底面、1/2坝高处。坝身截面强度验算包括法向应力和水平剪应力的验算。案例计算结果：作用于验算截面的总竖向力=5874.000(kN)作用于墙趾下点的总弯矩=53535.410(kN-m)相对于验算截面外边缘，合力作用力臂Zn=9.114(m)截面宽度B=18.500(m)偏心距e1=0.136(m)截面上偏心距验算满足:e1=0.136<=0.250*18.500=4.625(m)截面上压应力:面坡=331.522背坡=303.505(kPa)压应力验算满足:计算值=331.522<=1000.000(kPa)切向应力检算:剪应力验算满足:计算值=-32.171<=90.000(kPa)3.3垃圾坝基础处理及泄水孔设置（1）浆砌石坝基础处理根据垃圾填埋场选址，垃圾坝一般位于山谷处，地质情况大多以冲击沉积层腐质土，基础承载力低，下伏持力层较厚，如进行大规模开挖将坝基础置于岩层上，会导致坝体总高度增加，投资过高。鉴于该情况，一般采取将坝基埋置于地面以下1.8-2.5m，保证一定的埋置深度，如持力层在地面以下4m以内，采取直接开挖至持力层砌筑坝体；若持力层在地面以下大于4m，建议根据基础地质情况对其进行处理。结合贵州地质特点、建筑材料供应情况和垃圾填埋场建筑工艺等，基础处理一般采用换填法。换填时对基础进行超挖，采用碎石与片石混合料(四周比垃圾坝基础宽1米以上，视换填深度确定)回填，碎石粒径不得大于5cm，碎石含量不小于30%，要有较好的级配；用极振力不小于40t的振动压路机分层碾压，每层虚铺50cm，碾压8遍以上，至无明显轮迹。（2）浆砌石坝泄水孔的设置垃圾坝砌筑完成后，库区以内铺设有HDPE防渗膜、无纺土工布等，正常情况下地下水通过地下水导排层和导排管排出坝外、渗滤液通过渗滤液导排层和导排管排出坝外，设置泄水孔是没有必要的。但根据国内目前建成垃圾填埋场的情况可见，有部分填埋场因导排层堵塞，导致渗滤液翻坝情况时有发生。为保证坝体安全性考虑，施工时按一定间距预留泄水孔，在导排层堵塞和HDPE防渗膜破坏的情况下，能及时从防渗膜破坏点排出坝内液体，防止坝后水位过高导致的匮坝。由于坝体较厚，施工中难以满足泄水孔通透，为防止该情况的发生，建议施工中在泄水孔位置安放DN50的双壁波纹管。4土工格栅土坝方案可能性分析4.1加筋土的原理加筋土的强度和稳定性比无筋土有较大提高，对其提高的原因有两种观点可以解释：一是摩擦加筋原理；二是准粘聚力原理。摩擦加筋原理认为：在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用于筋带，企图将拉筋从土中拉出，而拉筋又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦力阻止筋带被拔出。准粘聚力理论认为：加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料，通常采用的拉筋，其弹性模量远大于填土，在这种情况下，拉筋与填土共同作用，填土的抵抗剪切变形能力、填土与拉筋间的抗拔力及加筋土的协调变形能力明显提高。4.2土工格珊技术的应用土工格珊是采用高分子合成材料经高热拉伸，使分子结构有序排列而成，具有强度高、韧性好、重量轻、防潮耐腐、吸温性小、耐酸碱盐侵蚀、使用寿命长(100年)等特性的一种新型土工合成材料。它产生于20世纪70年代后期的欧洲，从土中加金属条演变而来，被国外土木工程界誉为继水泥之后的第四大建筑材料。而我国则起步较晚。土工格珊广泛应用于公路、铁路、码头、机场、矿山、水利工程等领域。采用加筋土形式修筑挡土墙、桥台、堤岸基础、路基、机场跑道等，加筋土技术的发展是与材料技术的发展密切相关的．加筋土筋材按力学性质分为两大类，即柔性材料和非柔性材料。通常加筋土所用的筋材以柔性材料为主，主要有两类：一是天然有机材料，如前所述的木材、竹子、芦苇、稻草等天然材料；二是土工合成材料，土工合成材料的最早将聚乙烯、聚氯乙烯土工膜作为渠道和水池的防渗薄膜，随着纤维工业的发展，50年代末以化纤制成的织造型土工织物问世。4.3土工格珊土坝设计预想案例现根据某填埋场12m高坝的设计预想案例进行阐述，垃圾坝高12m，用圆弧稳定分析方法、Bishop法进行计算，并验算其滑动稳定性。计算结果坝顶宽度3.5m，内外坡均为1：0.75。图4.1土坝（案例）断面尺寸图土工格珊水平方向每50cm满铺