陳位洪 朱江穎

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣州510010）

引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快， 與日俱增的垃圾處理壓力、 城市緊張的用地與日漸飽和的垃圾填埋場(chǎng)之間矛盾突出， 通過(guò)加高垃圾擋壩對(duì)既有填埋場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)容成為了解決垃圾填埋去向問(wèn)題的較為科學(xué)有效的辦法， 對(duì)解決城市垃圾最終出路、 節(jié)約土地資源具有重要意義。

擋壩根據(jù)筑壩材料的不同可分為土石壩、 混凝土壩等多種類型， 土石壩由于其地基適應(yīng)力較強(qiáng)、 筑壩材料簡(jiǎn)單、 施工較為方便等特點(diǎn)， 在我國(guó)分布較廣， 是較常使用的壩型[1]， 故國(guó)內(nèi)現(xiàn)有垃圾填埋場(chǎng)的擋壩多以土石壩為主。 將填埋場(chǎng)擋壩在原位進(jìn)行加高擴(kuò)建， 既要滿足填埋場(chǎng)擴(kuò)容需求， 又常面臨場(chǎng)地受限等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題， 這就使得新建壩體常具有又高又陡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 對(duì)于這類壩體， 超出常規(guī)土石壩的坡率及高度范圍， 往往需要使用加筋的方法， 坡率越陡， 對(duì)加筋材料的性能要求越高。 對(duì)于壩體加筋， 土工合成材料是使用最為廣泛的加筋材料[2]， 土工合成材料的抗拉強(qiáng)度及界面摩擦系數(shù)等因素直接影響壩體的整體穩(wěn)定性， 故在對(duì)現(xiàn)有填埋場(chǎng)垃圾擋壩在受限場(chǎng)地的原位加高工程中， 土工合成材料如何選取至關(guān)重要。

本文以廣州市興豐垃圾填埋場(chǎng)為例， 對(duì)其垃圾擋壩原位加高擴(kuò)建過(guò)程中土工織物的選取及施工方法等關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行了應(yīng)用和探討。

1 工程概況

1.1 工程背景

廣州市興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)興豐村， 原有庫(kù)容約2520 萬(wàn)m3，該填埋場(chǎng)承擔(dān)著廣州市中心城區(qū)垃圾處理的全部壓力， 經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)， 其剩余可利用庫(kù)容已難以滿足垃圾處理要求， 擴(kuò)建迫在眉睫[3]。

填埋場(chǎng)垃圾擋壩位于場(chǎng)區(qū)南部， 緊鄰現(xiàn)狀滲濾液廠。 壩體類型為加筋粘土壩， 壩體采用HDPE 土工格柵作為加筋材料， 格柵間距為0.6m， 臨空面處加密到 0.3m。 如圖 1 所示。 原壩頂標(biāo)高110m， 壩高20m， 上游壩體坡率約為1∶2， 下游坡率最大達(dá)1∶1， 擋壩后側(cè)垃圾堆體以1∶3 坡率已然堆至155m 標(biāo)高處。 無(wú)論壩體坡率、 垃圾堆體坡率還是填埋高度都已達(dá)到《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ 176-2012）要求的極限[4]。 且壩體在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中已出現(xiàn)壩面局部沖刷破壞， 壩體也已發(fā)生水平位移。

圖1 原有垃圾擋壩剖面示意Fig.1 The profile of the original dam body

1.2 工程地質(zhì)條件

1.地下水情況

地下水的埋深介于0.5m ～1m 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。

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)， 素填土層土質(zhì)不均， 滲透性變化較大， 屬弱-中等透水層， 粉質(zhì)粘土、 砂質(zhì)粘性土、 全風(fēng)化巖屬弱透水層， 強(qiáng)風(fēng)化巖、 中風(fēng)化巖屬于弱～中等透水層，微風(fēng)化巖屬于弱透水層。

2.巖土特性

擬新增壩基底地質(zhì)情況從上至下可分為:①1填土4m， ②2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。 谷底弱風(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: ①1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， 下為⑧微風(fēng)化花崗巖層。 巖層的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.場(chǎng)區(qū)滲濾液水位導(dǎo)排情況

原場(chǎng)區(qū)封場(chǎng)后在垃圾堆體上每隔50m 水平距離設(shè)有滲濾液抽排井， 且場(chǎng)區(qū)底部設(shè)有主、次雙層滲濾液收集導(dǎo)排系統(tǒng)， 以此確保垃圾堆體內(nèi)滲濾液水位的及時(shí)收集排放。 除此之外，在垃圾擋壩與堆體之間， 設(shè)有滲濾液收集提升泵井及滲濾液水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)， 當(dāng)滲濾液水位達(dá)到110m 高程時(shí)， 系統(tǒng)將報(bào)警并自動(dòng)開(kāi)啟潛污泵對(duì)滲濾液進(jìn)行抽排， 故設(shè)計(jì)計(jì)算中將滲濾液水位按齊平舊壩壩頂計(jì)算， 并且不考慮滲濾液水位在垃圾堆體內(nèi)的水平滲流。

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

2 擋壩加高設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算， 若將擋壩加高15m 可相應(yīng)增加750 萬(wàn)m3庫(kù)容， 對(duì)暫時(shí)緩解廣州市中心城區(qū)垃圾處理壓力作用顯著。 加高后壩高35m， 壩頂設(shè)10m寬道路， 汽車(chē)荷載設(shè)計(jì)等級(jí)公路-Ⅱ級(jí)。 由于壩坡坡腳緊鄰現(xiàn)狀滲濾液廠， 場(chǎng)地受限， 為減少滲濾液廠的搬遷， 加高后的上下游壩坡坡率高達(dá)1∶1，下游坡面每10m 高設(shè)2m 寬?cǎi)R道， 如圖2 所示。

圖2 加高后擋壩剖面示意Fig.2 The profile of the heightening dam

可見(jiàn)， 加高后的壩體又高又陡， 坡率已經(jīng)超出常規(guī)土石壩的正常使用范圍， 故需考慮壩體加筋。 然而， 在加筋材料的選用上卻面臨幾大難題:

(1）使用在邊坡或壩坡加固中廣泛應(yīng)用的土工格柵作為加筋體， 難以實(shí)現(xiàn)新舊壩體的有效連接。 在土工合成材料的諸多類型中， 土工格柵由于其具有變形模量較大、 抗拉強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的加筋邊坡或加筋土石壩最常選用的加筋加固材料， 在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用[5]。 然而， 與簡(jiǎn)單的加筋邊坡不同， 本工程是在原有壩體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加高設(shè)計(jì)， 在要求加筋材料具備高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)， 還需考慮壩體加高部分與原壩體如何連接， 擴(kuò)建后的新壩體可以采用土工格柵作為加筋體來(lái)提高土體抗剪性能， 但土工格柵不能穿過(guò)新舊壩體交界面， 導(dǎo)致新舊壩體交界面往往是最薄弱的部位。

(2）在常規(guī)土石壩培厚工程中使用的增加新舊壩體界面連接力的方法， 難以滿足本工程擋壩穩(wěn)定性要求。 在水利工程中， 對(duì)壩體進(jìn)行加高培厚也較為常見(jiàn)， 已有不少學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)大壩加高工程進(jìn)行了總結(jié)探討[6-8]。 調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 混凝土、 砌石重力壩等往往可實(shí)現(xiàn)較大幅度的加高， 而土石壩則加高的高度較小且坡面較緩， 表2 匯總了國(guó)內(nèi)較大型土石壩的加高加固情況[9]， 其加高坡面最大坡率為1∶2。 在以往壩體加高工程研究中，對(duì)于新舊壩體連接面的處理采用刨毛或開(kāi)蹬形式較為普遍， 部分混凝土壩加高中也采用植筋來(lái)增加新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度[10]。 本工程壩體類型為碾壓土石壩， 加高高度較大且坡面較陡， 經(jīng)前期試驗(yàn)及計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)， 新舊壩體連接面往往是影響壩體整體穩(wěn)定性的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面， 依靠鑿毛等施工方法已難以確保壩體安全穩(wěn)定。

表2 國(guó)內(nèi)土石壩加高情況[9]Tab.2 Earth-rock dam elevation in China

(3）經(jīng)設(shè)計(jì)前期的室內(nèi)模型試驗(yàn)及初步數(shù)值分析， 為使得邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 要求加筋材料長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值達(dá)到160kN/m， 經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 市面上傳統(tǒng)的土工織物等其他類型的土工合成材料難以滿足要求。

為解決以上難題， 創(chuàng)新性地選用了特型土工織物——高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镒鳛榧咏铙w， 它高強(qiáng)的抗拉性能為擋壩穩(wěn)定性提供了有力保障，本工程中垃圾擋壩成為全國(guó)首例在垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)使用高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镒鳛榧咏畈牧系母叨竿潦瘔误w。

3 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锏奶攸c(diǎn)及應(yīng)用

設(shè)計(jì)應(yīng)用的材料允許抗拉(拉伸）強(qiáng)度即長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度Ta應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)的極限抗拉強(qiáng)度T， 通過(guò)下列方式計(jì)算確定[11]:

式中:RFCR為材料因蠕變影響的強(qiáng)度折減系數(shù)；RFiD為材料在施工過(guò)程中受損傷的強(qiáng)度折減系數(shù)；RFD為材料長(zhǎng)期老化影響的強(qiáng)度折減系數(shù)；RF為綜合強(qiáng)度折減系數(shù)。

由式(1）可知， 綜合強(qiáng)度折減系數(shù)越大， 材料允許抗拉強(qiáng)度越小。 如要求材料達(dá)到設(shè)計(jì)允許抗拉強(qiáng)度， 需提高材料極限抗拉強(qiáng)度或降低其綜合強(qiáng)度折減系數(shù)。 前者需要耗費(fèi)大量成本， 對(duì)于后者可有效減少材料因蠕變影響的強(qiáng)度折減系數(shù)RFCR。

3.1 材料性能優(yōu)勢(shì)

本工程使用的新型Mirafi 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锸怯筛唔g聚酯形成定向構(gòu)造的穩(wěn)定高強(qiáng)加筋土工織物， 通過(guò)降低材料因蠕變影響的強(qiáng)度折減系數(shù)， 來(lái)提高材料允許抗拉(拉伸）強(qiáng)度Ta， 以取得最有效的荷載承受能力。 為此， 專門(mén)對(duì)此種土工織物的荷載承受能力進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估。

由圖3 可得到不同設(shè)計(jì)壽命的RFCR值。 在60 年設(shè)計(jì)壽命時(shí)， Mirafi 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镞€保有72%剩余強(qiáng)度， 相當(dāng)于折減系數(shù)RFCR=1.39。 在120 年設(shè)計(jì)壽命時(shí)土工織物還保有69%剩余強(qiáng)度， 相當(dāng)于折減系數(shù)RFCR=1.45。 Mirafi高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镉筛唔g聚酯纖維組成， 即使在很高的拉荷載強(qiáng)度下仍然能保持低應(yīng)變。 在初始抗拉強(qiáng)度40%的荷載條件下， 其120 年設(shè)計(jì)壽命下的蠕變小于1%。

材料性能參數(shù)情況見(jiàn)表3， 其中TGDG160土工格柵材料折減系數(shù)按規(guī)范[11]選取。 兩者的極限拉伸強(qiáng)度相差不大， 但由于折減系數(shù)差異，PET1150 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锏牟牧显试S抗拉強(qiáng)度特征值要遠(yuǎn)大于TGDG160， 可見(jiàn)采用高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锔菀诐M足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖3 Mirafi 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锶渥兤屏亚€Fig.3 The creep rupture curve of Mirafi high-tenacity geotextiles

表3 土工合成材料材料性能參數(shù)Tab.3 The material property parameters of Geosynthetics

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)取值

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)大量有限元數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗(yàn)， 最終確定將高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锎怪遍g距取為0.5m， 沿壩軸線方向橫向滿布。 選用型號(hào)為PET1300 和PET3500 的兩種類型土工織物分別鋪設(shè)于壩體不同區(qū)域， 具體性能參數(shù)見(jiàn)表4。 兩種土工織物的分布范圍以距離壩腳約15m 壩高附近為界面， 以上采用 PET3500型， 以下采用 PET1300 型， 如圖 4 所示。

表4 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镄阅軈?shù)Tab.4 The performance parameters of Mifira geotextile

3.3 新型新舊壩體連接構(gòu)造

基于高韌聚酯有紡?fù)凉た椢铮?本工程在設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中研制了一種新型新舊壩體連接構(gòu)造， 目前該成果已成功申請(qǐng)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利[12，13]。

如圖5 所示， 新型的新舊壩體連接結(jié)構(gòu)在舊壩體坡面設(shè)置有一定長(zhǎng)度、 一定間距的錨桿， 并利用一定直徑的鋼管作為連接桿使之與新壩體中的土工織物相連， 以此增加新舊壩體交接面處的抗滑力。 施工過(guò)程中， 先將土工織物跨過(guò)連接桿， 而后將土工織物兩端繞過(guò)連接桿從其上下兩側(cè)伸出， 上下兩側(cè)土工織物即埋設(shè)在新壩體內(nèi)作為加筋材料， 此外， 由于錨桿表面積較小， 為增加與壩體填料的摩擦， 可設(shè)置定位孔， 并在孔內(nèi)澆筑混凝土以增加錨桿與周?chē)馏w粘聚力。 南部擋壩在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中取錨桿豎向及水平間距為1m， 有效長(zhǎng)度為7m。

圖4 加高壩體土工織物分區(qū)范圍示意Fig.4 The range of the Mirafi geotextile of the heightening dam

圖5 新舊壩體連接方法Fig.5 Connection structure of the new and the original dam body

4 壩體穩(wěn)定性有限元計(jì)算分析

4.1 計(jì)算方法及模型

為明確高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锛靶滦蛪误w連接結(jié)構(gòu)對(duì)壩體穩(wěn)定性的作用， 本文借助Geostudio-Slope 有限元計(jì)算軟件對(duì)壩體及垃圾堆體的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。 采用摩根斯坦-普賴斯法計(jì)算非圓弧滑動(dòng)面的安全系數(shù)， 采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度公式作為計(jì)算準(zhǔn)則， 采用總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。

簡(jiǎn)化后的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖6。 原有垃圾堆體以1∶3 坡率堆積至65m 高(相對(duì)于絕對(duì)高程155m）， 新增垃圾堆體在加高壩體加持下以1∶3坡率堆積至90m 高(相當(dāng)于絕對(duì)高程180m）。 由于填埋場(chǎng)設(shè)有完善的主滲濾液及次滲濾液雙重收集系統(tǒng)， 原則上不存在也不允許垃圾堆體及壩體內(nèi)發(fā)生高水位的水平滲流， 故計(jì)算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。

在模擬過(guò)程中， 采用該軟件的“fabric”模塊對(duì)壩體中的加筋材料進(jìn)行模擬， 其豎向間距為0.5m。 由于在 Geostudio-Slope/W 中對(duì)于錨固作用是通過(guò)在極限平衡法中引入橫向集中荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 采用“Anchor”模塊對(duì)于新舊壩體連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模， 為模擬錨桿與土工織物之間的橫向拉結(jié)作用， 將每相鄰兩層土工織物與一根錨桿連接的設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)化為一層土工織物對(duì)應(yīng)一根錨桿，相應(yīng)地， 將錨桿豎向間距由設(shè)計(jì)的1m 調(diào)整為計(jì)算模型中的0.5m， 且由于錨桿的設(shè)計(jì)軸向抗拉強(qiáng)度與長(zhǎng)度成正比， 故在計(jì)算模型中將其有效長(zhǎng)度從7m 調(diào)整為3.5m。

圖6 有限元計(jì)算模型Fig.6 Calculating models of geostudio finite element

4.2 計(jì)算參數(shù)及工況

表5 為壩體及垃圾堆體的力學(xué)參數(shù)取值， 其中為保守起見(jiàn)， 土工織物參數(shù)值按設(shè)計(jì)值或?qū)嶒?yàn)值基礎(chǔ)上折減80%， 取其軸向極限抗拉強(qiáng)度分別為 88kN 和 160kN， 粘結(jié)面摩擦力為 8kPa。 選取垃圾填埋場(chǎng)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(jì)算分析。

表5 壩體及垃圾體力學(xué)參數(shù)Tab.4 The geomechanical parameters of the dam and the garbage

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

1.整體穩(wěn)定性安全系數(shù)

正常使用條件下壩體整體穩(wěn)定最小安全系數(shù)(即臨界值）為1.327， 地震條件下最小安全系數(shù)(即臨界值）為1.155， 兩者均滿足最小安全系數(shù)要求[14]。

2.加筋體應(yīng)力分布特點(diǎn)

綜合分析兩種工況下各潛在滑動(dòng)面中加筋材料的應(yīng)力分布特點(diǎn)， 發(fā)現(xiàn)在正常工況下安全系數(shù)為1.327(即臨界值）時(shí)， 分布在新壩面下游的加筋體應(yīng)力達(dá)到最大值155.49kN， 設(shè)計(jì)選用抗拉強(qiáng)度為160kN/m 的 PET3500 土工織物， 則對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度發(fā)揮程度達(dá)155.49kN/160kN =93.67%；在安全系數(shù)為1.440 時(shí)， 分布在新壩面上游的加筋體應(yīng)力達(dá)到最大值78.96kN， 此時(shí)PET1300 土工織物強(qiáng)度發(fā)揮程度達(dá)78.96/88 =89.73%。 可見(jiàn)， 加高后的壩體要達(dá)到穩(wěn)定對(duì)加筋體的抗拉強(qiáng)度有很高的要求， 選取高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镒鳛榧咏铙w優(yōu)勢(shì)明顯， 在壩身不同部位對(duì)加筋體進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)有利于充分發(fā)揮土工織物的強(qiáng)度性能。

3.壩體監(jiān)測(cè)結(jié)果

該工程于2018 年3 月順利通過(guò)竣工驗(yàn)收，截至驗(yàn)收結(jié)束時(shí)， 壩體水平位移的累計(jì)變化量在+6.8mm ～ -24.8mm 范圍內(nèi)， 未超出設(shè)計(jì)報(bào)警值( ±50mm）； 最大位移點(diǎn)期間平均位移速率為-0.070mm/d， 所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移速率均小于設(shè)計(jì)報(bào)警值( ±3mm/d）， 滿足有關(guān)規(guī)范及工程要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某大型垃圾填埋場(chǎng)為例， 從設(shè)計(jì)到施工較為完整地介紹了高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镌诟叨竿潦瘔渭痈哌^(guò)程中的應(yīng)用， 實(shí)踐證明該類土工織物高強(qiáng)的抗拉性能可為壩體穩(wěn)定性提供有力保障。 基于土工織物的新舊壩體連接構(gòu)造， 有利于提高新舊壩體連接面的抗滑穩(wěn)定性， 可供類似工程參考。