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)有垃圾填埋場進行原位擴建成為必然。

垃圾填埋場擴建按庫容增加的方式可大致分為橫向擴建和豎向擴建兩種[1]。圖1a、b所示為兩種橫向擴建方式，前者的新場擴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行橫向擴建。圖1c、d所示為豎向擴建方式，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行加高處理。橫向擴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建往往影響邊坡的穩(wěn)定性且面臨擴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，擴建迫在眉睫。由于橫向擴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建，若向北擴建則需要搬運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?？梢?，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)進行加高擴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?！?.20，K非?！?.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行填筑，并根據(jù)現(xiàn)場壓實度及抗剪強度的試驗結(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到設(shè)計要求，而土工織物的抗拉強度對于壩體的穩(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?，其短期抗拉強度可達到530kN／m，120年長期設(shè)計強度不小于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)定性進行分析，采用折線形滑動法——摩根斯頓-普萊斯法（Morgenstem-Price）進行抗滑穩(wěn)定計算。邊坡模型的強度準(zhǔn)則按照摩爾-庫侖強度公式，采用總應(yīng)力公式進行計算分析，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行條件和地震（烈度為7度）條件兩種工況進行整體穩(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?！?.20，地震工況下滿足K非?！?.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?？⒐ず蟮奈灰坪苄?，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?，布設(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姸?，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。