既有垃圾填埋場受限場地垃圾擋壩加高設(shè)計

陳位洪 熊勃 朱江穎

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州510010）

引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和不斷擴(kuò)張，城市生活垃圾產(chǎn)量日益增長，而城市用地往往十分有限，這使得要重新選址建設(shè)垃圾填埋場幾乎不可能，由此，將現(xiàn)有垃圾填埋場進(jìn)行原位擴(kuò)建成為必然。

垃圾填埋場擴(kuò)建按庫容增加的方式可大致分為橫向擴(kuò)建和豎向擴(kuò)建兩種[1]。圖1a、b所示為兩種橫向擴(kuò)建方式，前者的新場擴(kuò)建方式依托于老場垃圾擋壩，后者通過在原來垃圾堆體上繼續(xù)往外堆填增加庫容進(jìn)行橫向擴(kuò)建。圖1c、d所示為豎向擴(kuò)建方式，前者通過改變垃圾堆體坡度以增加豎向庫容，后者是將原有垃圾擋壩進(jìn)行加高處理。橫向擴(kuò)建往往需要場地具備足夠的橫向空間，增加垃圾堆體坡度的豎向擴(kuò)建往往影響邊坡的穩(wěn)定性且面臨擴(kuò)建需求的垃圾填埋場往往已不具備繼續(xù)堆埋的條件，將原有垃圾擋壩加高擴(kuò)建是較為有效的方法，但通常面臨諸多工程難點。

圖1 垃圾填埋場典型擴(kuò)建方式Fig.1 The typical style of landfill expansion

本文以某場地受限的垃圾填埋場為例，針對垃圾擋壩的加高加固處理進(jìn)行了研究，提供了全面、可行的設(shè)計方法，擬為類似工程提供參考。

1 工程概述

廣州市興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場原有庫容2520m3，垃圾堆體設(shè)計填埋標(biāo)高為155m，堆體坡度1∶3，每隔10m設(shè)置一3m寬平臺。目前該垃圾填埋場承擔(dān)著全廣州市的垃圾處理任務(wù)，可利用庫容難以滿足規(guī)模要求，擴(kuò)建迫在眉睫。由于橫向擴(kuò)建受場地條件限制不可取，而現(xiàn)有垃圾堆體坡度已接近《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ 176-2012）[2]上限，繼續(xù)增加坡度提高庫容也不可行，故只能通過加高原有擋壩來拓展庫容。

原垃圾擋壩位于填埋區(qū)南側(cè)，壩頂標(biāo)高110m，壩高20m，擬提高到壩頂標(biāo)高125m，壩高35m，以此可增加750萬m3庫容，具有顯著效益。如圖2所示為垃圾擋壩平面示意，可見南部擋壩北側(cè)為正在運(yùn)營的第六填埋庫區(qū)，南側(cè)為滲濾液處理廠，場地可利用空間十分有限。新壩建設(shè)有兩種方案，即將原壩體向南或向北加高擴(kuò)建，若向北擴(kuò)建則需要搬運(yùn)北部垃圾來騰出建設(shè)空間，這對環(huán)境的影響將不可控，因此，只能將新壩體南向擴(kuò)建，并盡量減少對滲濾液廠的影響。本設(shè)計經(jīng)方案論證，將原垃圾擋壩南向加高擴(kuò)建，新壩體采用加筋土壩類型。

圖2 填埋區(qū)南側(cè)垃圾擋壩平面布置Fig.2 The site plan of dam in the south of landfill

2 工程水文地質(zhì)特征及原壩體結(jié)構(gòu)特點

2.1 地形地貌及水文

壩址位處較開闊“U”字型谷。右岸山體較單薄，山勢較緩，其下游為垃圾滲水處理池，左岸山體較雄厚，山坡坡度約30°～40°。右岸山脊走向為北東向，長條形。左岸山脊走向大致呈正北向。鉆探期間測得地下水的埋深介于0.5m～23.5m之間。地下水位一般與季節(jié)、氣候、地下水賦存、補(bǔ)給及排泄有密切的關(guān)系。地下水位變化幅度為1m～5m。

2.2 地層巖土特性

兩岸山體地質(zhì)情況從上至下可分為：硬塑砂質(zhì)粘土8m，承載力220kPa，全風(fēng)化混合花崗巖9m，承載力350kPa，強(qiáng)風(fēng)化混和花崗巖12m，承載力700kPa，下部為中風(fēng)化巖，承載力2000kPa。兩岸弱風(fēng)化帶頂面埋深為17m～29m。

山谷地質(zhì)情況從上至下可分為：①-1填土4m，②-2硬塑砂質(zhì)粘土4m，⑤全風(fēng)化混合花崗巖2m，⑥強(qiáng)風(fēng)化混和花崗巖0m～10m，下部為⑦中風(fēng)化巖。河床弱風(fēng)化頂面埋深約6m～16m。

原壩體所在位置地質(zhì)情況從上至下可分為：①-1素填土層約24m，⑤全風(fēng)化花崗巖層4m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層6m，⑦中風(fēng)化花崗巖層2m，下部為⑧微風(fēng)化花崗巖層。

巖層的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.3 原壩體結(jié)構(gòu)特征

原垃圾擋壩位于第六填埋區(qū)南側(cè)，壩體為加筋粘土壩，壩頂標(biāo)高為110.0m，填埋區(qū)壩底標(biāo)高為93.0m，上游最大壩高為17m，下游最大壩高15m，壩頂寬度14m，壩體上游坡率1∶2，下游坡率最大達(dá)1∶1，垃圾填埋至155m標(biāo)高。壩體加筋材料為HDPE土工格柵，間距為0.6m，臨空面處加密至0.3m。可見，原垃圾擋壩坡度較陡，且由于壩面植草被洪水沖刷嚴(yán)重，表土滑落，已有滑坡現(xiàn)象發(fā)生，壩體本身也已出現(xiàn)水平位移，作為新建壩體最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)體，原壩體的現(xiàn)狀特征也為其加高擴(kuò)建增加了難度。見圖3。

表1 巖土技術(shù)參數(shù)建議值Tab.1 Recommended values of geotechnical technical parameters

圖3 原南部擋壩剖面示意 （單位：mm）Fig.3 The profile of the original south dam （unit：mm）

3 垃圾擋壩加高設(shè)計

將原垃圾擋壩在有限的場地范圍內(nèi)進(jìn)行加高擴(kuò)建最重要的是保證壩體及垃圾堆體的穩(wěn)定性。為保證庫容增加量并盡量減少新壩體對南側(cè)滲濾液廠的影響，經(jīng)核算新壩體壩面設(shè)計坡度較陡，為1∶1.1，且原有壩體作為新壩重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)已出現(xiàn)滑坡等問題，這為保證壩體及垃圾堆體的穩(wěn)定性增加了難度。設(shè)計中主要的難點在于原有壩體的加固問題、新舊壩體的連接方法、壩基基礎(chǔ)的加固處理以及新壩體筑壩材料的選擇。而作為垃圾填埋場的擋壩，與一般的水工建筑物不同，排水、防滲系統(tǒng)的設(shè)計處理也較為關(guān)鍵，前者直接影響壩體內(nèi)滲流水位的高低從而影響壩體的穩(wěn)定性，后者是環(huán)境保護(hù)的必然要求。本方案將以上技術(shù)難點做了全面設(shè)計論證，以下將分別闡述。

3.1 壩體總體布局及設(shè)計參數(shù)

加高后設(shè)計垃圾擋壩壩體長度約為300m，壩總高約35m，在原壩基礎(chǔ)上加高了15m，壩頂寬約12.0m，北坡是迎垃圾面，放坡坡率由于用地所限，坡率為1∶1.1，不設(shè)馬道。南坡采用坡率1∶1.1，每10m設(shè)一2m寬馬道，根據(jù)壩體放坡需要，只拆除原滲濾液廠的部分工程。

壩體按3級水工建筑物等級進(jìn)行設(shè)計，按7度地震烈度設(shè)防[3]。壩頂設(shè)有12m寬道路，汽車荷載設(shè)計等級為公路-Ⅱ級。據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2016），壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在正常使用工況以及地震工況下需分別滿足K正常≥1.20，K非常≥1.10[4]；同時，滲濾液水位對于垃圾填埋場整體穩(wěn)定性至關(guān)重要，設(shè)計將滲濾液水位取至110m標(biāo)高；垃圾堆體填埋最大高度設(shè)計為180m標(biāo)高，坡率取為1∶3。見圖4。

3.2 筑壩材料選擇

新壩體設(shè)計本著減少土方運(yùn)輸量、盡量就地取材的原則，采用的筑壩材料為附近場地的④硬塑砂質(zhì)粘性土（殘積）、⑤混合花崗巖全風(fēng)化、⑥混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化，要求填料綜合內(nèi)摩擦角不小于30°，填料應(yīng)分層鋪土、分層壓實，要求每層壓實度不小于98%，經(jīng)檢測合格后才可進(jìn)行下一層壩體的填筑。

填筑擋壩時要求粘性土的含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%～+2%范圍內(nèi)，經(jīng)土工試驗，土體最優(yōu)含水量為17%。而在實際工程中，由于工期緊張且遭遇廣州長時間降雨季，控制土體的含水率成為又一難題。鑒于此，設(shè)計中針對土體含水量狀況對筑壩材料做出了調(diào)整，采用粘性土中摻和石屑或碎石的方法進(jìn)行填筑，并根據(jù)現(xiàn)場壓實度及抗剪強(qiáng)度的試驗結(jié)果確定筑壩材料中粘性土與碎石的體積比，經(jīng)實踐檢驗，此方案效果很好。筑壩材料的具體處理方案如下：

（1）當(dāng)土體含水量為17% ～22%時，壩體采用粘性土摻和干石屑進(jìn)行填筑，粘土和干石屑的體積比根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果并結(jié)合后續(xù)天氣狀況在粘土：干石屑為5∶5、6∶4、7∶3三種配比中選擇。

（2）當(dāng)土體含水量為22% ～27%時，壩體采用級配碎石摻和粘性土進(jìn)行填筑，級配碎石和粘性土的體積比根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，結(jié)合后續(xù)天氣狀況在級配碎石：粘土為6∶4、7∶3、8∶2三種配比中選擇。

（3）當(dāng)遇特殊情況如連續(xù)降雨，土體含水量過大，無法摻和粘性土進(jìn)行填筑時，為保證工期，可直接采用級配碎石。級配碎石的配合比為∶粒徑20mm～40mm占40%，粒徑10mm～20mm占20%，粒徑5mm～10mm占20%，碎石占20%。

圖4 南部擋壩加高擴(kuò)建后剖面示意 （單位：mm）Fig.4 The profile of south dam after expansion （unit：mm）

3.3 土工布加筋材料的應(yīng)用

本項目土工材料的抗拉力較大，一般的土工格柵難以達(dá)到設(shè)計要求，而土工織物的抗拉強(qiáng)度對于壩體的穩(wěn)定性影響很大，本次設(shè)計壩體采用專門研制的高韌聚酯有紡?fù)凉げ甲鳛榧咏畈牧希涠唐诳估瓘?qiáng)度可達(dá)到530kN／m，120年長期設(shè)計強(qiáng)度不小于110kN／m。橫向（橫斷面方向）不允許搭接，縱向（縱斷面方向）搭接寬度不少于200mm。土工布攤鋪后應(yīng)用沙包固定，土工布應(yīng)張緊，保證其平整，緊貼地面，加筋土體尾部應(yīng)超碾壓1.5m寬。土工布須進(jìn)行預(yù)張拉；在回填時應(yīng)先回填土工布受力方向兩端的回填土，再回填中間的回填土，確保土工織物在初始狀態(tài)下處于受拉狀態(tài)。

3.4 舊壩及壩基處理

為增強(qiáng)壩體的抗滑性能，在壩腳設(shè)置一排抗滑樁，抗滑樁采用φ1600＠1800沖孔灌注樁，要求樁端進(jìn)入微風(fēng)化巖層≥1m，有效樁長約18m～21m。

局部地段經(jīng)檢測難以滿足地基承載力的要求，采用CFG樁復(fù)合地基處理方法加固地基，要求地基承載力特征值≥480kPa。

由于舊壩填筑質(zhì)量不佳，壩體內(nèi)甚至存在孔洞，而舊壩須作為新加高壩體的基礎(chǔ)，故應(yīng)對舊有擋壩進(jìn)行注漿加固，采用水灰比1∶1水泥漿注漿，注漿孔間距為1.5m×1.5m，方形布置，注漿壓力0.3MPa ～0.5MPa。

3.5 新舊壩體的連接設(shè)計

根據(jù)計算，滑動面位于新舊壩體連接處時其對應(yīng)的安全系數(shù)較低，難以滿足規(guī)范要求，對此，設(shè)計中在舊壩體坡面打設(shè)長度7m＠1m×1m的錨桿，并通過直徑φ75mm的鋼管使之與新壩體中的土工布連接，以此增加新舊壩體交接面處的抗滑力。見圖5。

圖5 新舊壩體連接構(gòu)造 （單位：mm）Fig.5 Connection structure of the new dam body and the original one （unit：mm）

3.6 排水、防滲系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計過程中，垃圾堆體內(nèi)滲濾液水位的不確定性給設(shè)計帶來困難，為此在壩前設(shè)置了滲濾液井，收集滲濾液并進(jìn)行集中抽排以降低并穩(wěn)定垃圾堆體中的滲濾液水位。同時，工程設(shè)計了完善的防滲排水系統(tǒng)：在擋壩的迎垃圾側(cè)結(jié)合垃圾滲濾液防滲設(shè)兩層1.5mm的雙糙面高密度聚乙烯土工膜（HDPE）防滲層；壩底設(shè)排水管，用C30混凝土管外包；在壩底和每隔10m壩身設(shè)用土工布包裹的300mm厚碎石排水層；背垃圾面壩體與山體交界處及壩中間各設(shè)一道泄洪渠。

4 壩體穩(wěn)定性分析及監(jiān)測

4.1 壩體有限元計算分析

1.計算方法及工況

采用Geostudio-Slope有限元計算軟件對壩體及垃圾堆體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用折線形滑動法——摩根斯頓-普萊斯法（Morgenstem-Price）進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。邊坡模型的強(qiáng)度準(zhǔn)則按照摩爾-庫侖強(qiáng)度公式，采用總應(yīng)力公式進(jìn)行計算分析，具體為：水位線以上采用天然容重，水位線以下采用飽和容重；并對飽和土體（或垃圾堆體）的內(nèi)摩擦角和粘聚力折減為非飽和狀態(tài)下的80%。選取垃圾填埋場正常運(yùn)行條件和地震（烈度為7度）條件兩種工況進(jìn)行整體穩(wěn)定性計算分析。

2.計算模型及計算參數(shù)

如圖6所示為計算模型，模型中將垃圾堆體滲濾液水位水面標(biāo)高取為110m，即齊平舊壩壩頂。按照《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GJJ 176-2012）要求，將垃圾堆體按埋深分為深層垃圾（埋深大于10m）和淺層垃圾（埋深小于10m）兩種類型[2]，垃圾及其他土體力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。分別采用軟件中的“fabric”、“anchor”以及“pile”模塊對壩體中的加筋土工織物、新舊壩體連接處錨桿以及壩腳CFG抗滑樁進(jìn)行模擬。為保守起見，土工織物參數(shù)值按設(shè)計值或?qū)嶒炛祷A(chǔ)上折減80%，取其粘結(jié)面摩擦力為60kPa，抗拉強(qiáng)度為88kN／m。

圖6 有限元計算模型Fig.6 Calculating models of geostudio finite element

表2 壩體及垃圾體力學(xué)參數(shù)Tab.2 The mechanical parameters of the dam and the garbage

3.計算結(jié)果分析

計算結(jié)果應(yīng)滿足《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》 （SL386-2016）中最小安全系數(shù)的要求，即正常使用工況下需滿足K正常≥1.20，地震工況下滿足K非常≥1.10[4]。如圖7a、b 所示，分別為正常使用和地震兩種工況計算結(jié)果，可知，正常使用條件下壩體整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.426，地震條件下安全系數(shù)為1.187，兩者均滿足最小安全系數(shù)要求。

圖7 壩體整體穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.7 The calculation results of the dam Stability

4.2 壩體離心模型試驗分析

為研究設(shè)計條件以及遭遇暴雨時土壩邊坡的變形與穩(wěn)定性，考察設(shè)計的邊坡坡度和加筋方式是否能夠滿足邊坡穩(wěn)定要求，本項目對壩體進(jìn)行了離心模型試驗[7]，試驗方案如表3所示。本次模型試驗為二維模擬，模型箱尺寸為1.0m（長）×0.4m（寬）×0.8m（高），模型寬度定為0.9m，預(yù)留0.1m作為壩腳處潛在滑坡空間，選取模型加速度為100g，對應(yīng)模型與原型比尺1∶100。試驗可通過，在土體坡面布設(shè)位移監(jiān)測點并觀察坡面變化情況來分析各條件下邊坡的變形與穩(wěn)定。

表3 離心模型試驗方案Tab.3 Centrifuge model test scheme

整理分析試驗結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）設(shè)計的加筋土壩雖然坡度陡、高度大，但是在鋪設(shè)土工布和碾壓密實的情況下，無論是未降雨還是降雨，壩體邊坡均能夠維持穩(wěn)定，變形主要在填筑施工期發(fā)生，施工期累積最大垂直位移和水平位移分別約為50cm、100cm。竣工后的位移很小，基本可以忽略。降雨后雨水的入滲深度不超過坡表面以下4m。

（2）在未鋪設(shè)土工布或土工布不起作用的情況下，在不降雨工況下坡體的水平位移比鋪設(shè)土工布時顯著增大（約增25%），但是仍然維持穩(wěn)定，表明土工織物對于控制壩體變形效果較好，且非飽和土體的強(qiáng)度較高。

（3）土工布加筋對于新壩邊坡穩(wěn)定十分重要，而筋材的界面摩擦特性以及抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度對其穩(wěn)定影響很大。因此，實際筋材選材、預(yù)拉鋪設(shè)和反包、界面排水等都很關(guān)鍵，本工程選用高韌聚酯有紡?fù)凉げ甲鳛榧咏畈牧希荚O(shè)完善的排水系統(tǒng)對于保證壩體的穩(wěn)定性十分重要。

4.3 壩體位移監(jiān)測結(jié)果分析

為確保工程安全，南部擋壩布設(shè)有完善的監(jiān)測系統(tǒng)，其中的監(jiān)測項目就包括壩體水平和垂直位移，壩體及壩頂中水平及沉降位移監(jiān)測點的布設(shè)如圖8所示。施工期間監(jiān)測頻率為1天1次，竣工1年內(nèi)2天一次，竣工1～2年內(nèi)3天一次，竣工2～3年內(nèi)5天一次。坡頂?shù)某两导八轿灰频膱缶刂浦禐榻^對值30mm及連續(xù)3天每天3mm。

整理監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）壩體水平位移的累計變化量在+6.8mm～-24.8mm范圍內(nèi)，未超出設(shè)計報警值（±50mm）；最大位移點期間平均位移速率為-0.070mm／d，壩體水平位移速率均小于設(shè)計報警值（±3mm／d）；

（2）壩體沉降的累計變化量在+3.80mm～-22.82mm范圍內(nèi)，未超出設(shè)計報警值（±50mm）；最大沉降速率點沉降速率為-1.30mm／d，壩體沉降速率均小于設(shè)計報警值（±3mm／d）。

可見，加高擴(kuò)建后的壩體其變形在安全范圍內(nèi)，壩體的整體穩(wěn)定性滿足有關(guān)規(guī)范及工程要求。

圖8 壩體監(jiān)測剖面布置示意Fig.8 Dam monitoring section layout

5 結(jié)語

在場地有限、原垃圾填埋程度已到極限、原有垃圾擋壩高陡且出現(xiàn)穩(wěn)定性問題等條件下要加高擋壩擴(kuò)建庫容是很棘手的，本文提供了全面的設(shè)計方法，結(jié)合有限元計算、離心模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果和填埋場實際使用的狀況來看，設(shè)計方法是可靠的，并總結(jié)出幾個關(guān)鍵技術(shù)點從而得出如下結(jié)論：

1.新舊壩體連接處是影響抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵部分，通過錨桿轉(zhuǎn)換的新舊壩的連接設(shè)計是關(guān)鍵。新壩土工布的拉力通過鋼管轉(zhuǎn)換，傳至與鋼管連接的埋設(shè)在舊壩上的錨桿，有效解決新舊壩連接處的聯(lián)合滑移問題。

2.原有壩體的穩(wěn)定性是加高擴(kuò)建的基礎(chǔ)，對原有擋壩的注漿加固和壩腳抗滑樁的布置是增加壩體整體穩(wěn)定性的有效方法。

3.使用土工織物作為加筋材料的壩體，土工織物的界面摩擦特性以及抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮對于壩體穩(wěn)定性至關(guān)重要，本工程中選用的高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锞哂懈呖估瓘?qiáng)度，有利于提高壩體穩(wěn)定性。

4.壩前垃圾水位的不確定性給設(shè)計帶來困難，通過設(shè)置滲濾液抽排井來解決壩前垃圾水位問題是一個可行的方法。