中小型垃圾填埋場垃圾壩的穩(wěn)定計算分析

康昭君，吳 迪，李聯(lián)希

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

中小型垃圾填埋場垃圾壩的穩(wěn)定計算分析

康昭君，吳 迪，李聯(lián)希

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

垃圾壩是中小型垃圾填埋場的重要構(gòu)筑物，但目前并沒有系統(tǒng)的穩(wěn)定計算方法可供參考。本文以某中小型生活垃圾處理工程垃圾壩計算為例，介紹了中小型垃圾填埋場垃圾壩的穩(wěn)定分析計算，并對影響穩(wěn)定計算的因素進行了總結(jié)。

中小型；垃圾填埋場；垃圾壩；穩(wěn)定計算

0 前 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)生活垃圾的產(chǎn)生量迅速增加，而處理處置設(shè)施的建設(shè)十分滯后，城鎮(zhèn)生活垃圾基本未得到妥善處理，生活垃圾對環(huán)境造成的污染日趨嚴重。為適應(yīng)社會主義新農(nóng)村建設(shè)，提高小城鎮(zhèn)環(huán)境質(zhì)量，需要加快小城鎮(zhèn)生活垃圾處理處置設(shè)施的建設(shè)。衛(wèi)生填埋是目前小城鎮(zhèn)生活垃圾處理的主要方法之一，可極大減少對周圍環(huán)境的危害。垃圾壩的主要作用是維持填埋區(qū)內(nèi)垃圾堆體穩(wěn)定，增加填埋區(qū)有效庫容，防止大雨時將垃圾沖出填埋區(qū)，有序引排填埋區(qū)滲濾液和兼作場內(nèi)外連接通道。

垃圾衛(wèi)生填埋場在國內(nèi)起步較晚，但近幾年發(fā)展較快，目前垃圾壩設(shè)計主要依據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》及《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》，同時參考現(xiàn)行水工行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計等規(guī)范，如《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》、《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》等。

某中小型生活垃圾處理工程主要滿足其縣城周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)及游客產(chǎn)生的生活垃圾處理需求。該垃圾場采用衛(wèi)生填埋處理工藝，庫容34.00萬m3。由于所處地區(qū)屬高山峽谷地區(qū)，垃圾填埋場選址較為困難，為了在較小的面積上獲得較大的有效填埋庫容，該填埋場采用漿砌石垃圾壩，最大壩高12 m。

1 穩(wěn)定計算

垃圾壩的穩(wěn)定計算主要包括設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定、計算參數(shù)的選取以及垃圾壩設(shè)計計算。本工程首先依據(jù)壩體及邊坡高度明確垃圾壩各工況下安全系數(shù)；再根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗結(jié)合實際情況明確垃圾土和土工材料的各項關(guān)鍵參數(shù)；最后采用北京理正軟件設(shè)計研究院編制的理正巖土計算系列軟件對垃圾壩各種工況進行穩(wěn)定計算。

1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

由于下游存在生產(chǎn)設(shè)備及生活管理區(qū)，垃圾壩失事將對生產(chǎn)設(shè)備和生活管理區(qū)帶來嚴重損失，因此垃圾壩體建筑級別為Ⅰ級［1］。在基本荷載組合情況下，垃圾壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.30，在正常運行遇地震及洪水工況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.15［1］。

參照文獻［3］，垃圾壩在基本荷載組合情況下，抗傾覆安全系數(shù)取1.5；在暴雨情況下，抗傾覆安全系數(shù)取1.4；在地震情況下，抗傾覆安全系數(shù)取1.4。

根據(jù)文獻［2］，本工程垃圾堆體邊坡安全等級為一級，垃圾堆體邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：正常運用條件（天然工況）為1.35；非常運用條件Ⅰ（暴雨工況）為1.30；非常運用條件Ⅱ（地震工況）為1.15。

1.2 計算參數(shù)選取

計算參數(shù)主要包括垃圾土的容重γ、垃圾土和土工材料的抗剪強度指標(biāo)φ、c′。其中垃圾土的各項參數(shù)取值與工程處理的垃圾組分及填埋工藝有密切聯(lián)系，一般采用現(xiàn)場試驗確定，如無試驗條件時按工程類比方法確定。土工材料的強度指標(biāo)則根據(jù)材料結(jié)合工程特點進行選取。

1.2.1 垃圾土容重γ

根據(jù)文獻［2］：

γ＝13.5＋0.1（H－30）＝13.5＋0.4＝13.9kN／m3

式中 γ——垃圾土的容重，kN／m3；

H——填埋垃圾埋深，根據(jù)圖2本工程最大埋深為34 m。

根據(jù)以上計算垃圾土天然容重γ取整為14 kN／m3，垃圾土飽和容重γ取為15 kN／m3。

1.2.2 垃圾土抗剪強度指標(biāo)φ、c′及垃圾土與墻背的摩擦角δ

垃圾土抗剪強度指標(biāo)φ、c′值根據(jù)表1取值。

表1 垃圾抗剪強度指標(biāo)參考值

本工程壩前垃圾埋深約為12 m，根據(jù)填埋工藝要求，垃圾土壓實程度為中等，工程內(nèi)摩擦角及粘聚力取較低值。

天然工況：內(nèi)摩擦角φ取27°，黏聚力c′取3 kPa，垃圾對擋土墻墻背的摩擦角取垃圾內(nèi)摩擦角27°的0.33倍（即δ＝27×0.33＝8.9°）；

暴雨工況：內(nèi)摩擦角φ取26°，黏聚力c′取2 kPa，垃圾對擋土墻墻背的摩擦角取垃圾內(nèi)摩擦角26°的0.33倍（δ＝26×0.33＝8.6°）。

1.2.3 土工材料界面強度指標(biāo)φ、c′

土工材料界面強度指標(biāo)φ、c′根據(jù)文獻［2］取值。穩(wěn)定分析時，復(fù)合襯墊系統(tǒng)中土工材料強度指標(biāo)取值宜符合下列要求：庫區(qū)基底坡度大于10°區(qū)域采用殘余強度指標(biāo)，庫區(qū)基底坡度小于10°區(qū)域采用其峰值強度指標(biāo)。本填埋場土工材料界面為粗糙土工膜／GCL，故庫區(qū)基底坡度大于10°區(qū)域取界面強度指標(biāo)為：天然工況：內(nèi)摩擦角φ取9°，黏聚力c′取0 kPa；飽和工況：內(nèi)摩擦角c′取8°，黏聚力c′取0 kPa；庫區(qū)基底坡度小于10°區(qū)域取界面強度指標(biāo)為：天然工況：內(nèi)摩擦角φ取22°，黏聚力c′取0 kPa；飽和工況：內(nèi)摩擦角φ取21°，黏聚力c′取0 kPa。

1.3 垃圾壩設(shè)計計算

1.3.1.垃圾壩尺寸

垃圾設(shè)計尺寸詳見圖1及表2。

作為臨床常見宮頸病變類型,宮頸息肉一般以白帶增多、接觸性出血等為癥狀,影響患者身心健康、生活質(zhì)量[2]。臨床治療中,常見的方法以手術(shù)治療為主,但需注意大多手術(shù)方式下僅強調(diào)如何切除息肉,并未做炎癥的處理,導(dǎo)致宮頸組織內(nèi)有大量致病菌存在,這樣即使在切除息肉后出現(xiàn)復(fù)發(fā)的可能性較高。以血管鉗扭除術(shù)為例,該方式應(yīng)用下盡管可將息肉清除,但手術(shù)操作創(chuàng)傷性較大,出血量多,炎癥難以徹底根除,出現(xiàn)復(fù)發(fā)的可能性較高[3]。

圖1 垃圾壩斷面大樣示意

表2 垃圾壩設(shè)計尺寸參數(shù)

1.3.2 物理參數(shù)

圬工砌體容重：23.0 kN／m3；

圬工之間摩擦系數(shù)：0.4；

地基土摩擦系數(shù)：0.4；

墻后填土內(nèi)摩擦角：27°；

墻后填土粘聚力：3 kPa；

墻后填土容重：14.0 kN／m3；

墻背與墻后填土摩擦角：9°；

地基土容重：23.0 kN／m3。

1.3.3 垃圾土壓力

垃圾壩的主要作用在于維持垃圾堆體的穩(wěn)定，因此垃圾土壓力是垃圾壩最主要的荷載。目前一般采用傳遞系數(shù)法分析垃圾堆體邊坡穩(wěn)定性，如垃圾堆體滿足自身穩(wěn)定要求，則選取主動土壓力作為垃圾壩計算外荷載；如垃圾堆體不滿足自身穩(wěn)定要求，則需比較剩余下滑力與主動土壓力之間的大小，如剩余下滑力小于主動土壓力，則選取主動土壓力作為垃圾壩計算外荷載，反之則選取剩余下滑力作為垃圾壩計算外荷載。

本項目填埋場堆體的變形破壞主要是沿土工材料界面的滑動破壞，因此計算時選取A－A剖面（圖2）按以下公式計算垃圾堆體邊坡的穩(wěn)定性。

圖2 大樣示意

式中 K——為穩(wěn)定系數(shù)；

Ri——為作用于第i塊段的抗滑力，kN／m；

Ti——為作用于第i塊段滑面上的滑動分力（kN／m），出現(xiàn)與滑動面方向相反；

Rn——為作用于第n塊段的抗滑力，kN／m；

Tn——為作用于第n塊滑動面上的滑動分力，kN／m；

ψi——為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i＋1塊時的傳遞系數(shù)（j＝i）。

在各種運用條件下，垃圾堆體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求（如表3），因此垃圾壩穩(wěn)定計算時選取主動土壓力作為外荷載。

表3 各種運用條件垃圾堆體邊坡穩(wěn)定計算

1.3.4 抗滑穩(wěn)定計算

各種運用條件下垃圾壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于該條件下允許值（見表4），垃圾壩抗滑滿足設(shè)計要求。

表4 各種運用條件垃圾壩抗滑穩(wěn)定計算

1.3.5 抗傾覆和地基承載力計算

各種運用條件下垃圾壩抗傾覆和地基承載力均滿足設(shè)計要求（見表5、6、7）。

2 結(jié) 論

（1）計算結(jié)果表明，該中小型生活垃圾填埋場垃圾壩在各種運用條件下的抗滑、抗傾覆及地基承載力均滿足相應(yīng)要求。

表5 正常運用條件垃圾壩穩(wěn)定應(yīng)力計算

表6 非常運用條件Ⅰ垃圾壩穩(wěn)定應(yīng)力計算

表7 非常運用條件Ⅱ垃圾壩穩(wěn)定應(yīng)力計算

（2）中小型垃圾填埋場垃圾壩設(shè)計過程中，土壓力作為主要外荷載，如何選取是垃圾壩穩(wěn)定計算的重要因素。

（3）土壓力作為影響垃圾壩穩(wěn)定計算的主要因素主要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。因此在土壓力計算過程中需要特別注意垃圾土及土工材料的參數(shù)選取，條件允許的情況應(yīng)由相應(yīng)的試驗確定參數(shù)數(shù)值。如無實驗數(shù)據(jù)可參考相關(guān)規(guī)范或同類工程進行取值。

［1］ GB 50869－2013，生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［2］ CJJ 176－2012，生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］ SL 379－2007，水工擋土墻設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［4］ 錢學(xué)德，施建勇.現(xiàn)代衛(wèi)生垃圾填埋場的設(shè)計與施工（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［5］ 丁韻.垃圾壩設(shè)計與分析［M］.大壩與安全，2013（4）：59－62.

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1003－9805（2015）02－0075－03

2014－05－27

康昭君（1983－），男，四川三臺人，工程師，從事水電站環(huán)保工程與研究工作。