石家莊市垃圾衛(wèi)生填埋場攔擋壩設(shè)計(jì)

摘要：石家莊市峽石溝垃圾填埋場垃圾攔擋壩為預(yù)應(yīng)力重力式壩型，文章緊扣重力壩及垃圾填埋區(qū)這一特征，說明壩體結(jié)構(gòu)布置，溫度控制，預(yù)應(yīng)力錨索及濾水管幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：攔擋壩；工程結(jié)構(gòu)布置；穩(wěn)定計(jì)算；溫度控制設(shè)計(jì)；預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)；濾水管設(shè)計(jì)

一、工程概況

石家莊市峽石溝垃圾填埋場位于石家莊市西部境內(nèi)，距石家莊市市區(qū)約19ｋｍ。該填埋場是一座以消納石家莊市及沿途郊區(qū)生活垃圾為主的垃圾衛(wèi)生處理場，由垃圾填埋區(qū)、第二調(diào)節(jié)池、滲瀝液處理區(qū)、排洪溝及垃圾擋壩（土壩）五部分構(gòu)成。場區(qū)為三面環(huán)山呈“V”型的自然谷地。填埋場占地面積10.6公頃，其中填埋用地面積9公頃，滲瀝液處理及生活區(qū)用地面積l.6公頃；填埋場總?cè)莘e310萬m3，填埋垃圾總?cè)莘e278萬m3；填埋區(qū)東西長700米，南北平均寬125米，溝頭至溝尾高差70m；有效試用期10.3年。

石家莊市峽石溝垃圾填埋場由北京市市政設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)，于1997年建成并投入使用，經(jīng)過六年的運(yùn)行，目前填埋垃圾層高度已達(dá)35ｍ，垃圾量約為80萬噸。由于建場初期部分建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，在使用管理過程中，填埋垃圾出現(xiàn)了不同程度的沉降，滑坡，滲瀝液四溢問題，為確保垃圾填埋場正常運(yùn)用，增加調(diào)節(jié)池容量，改善下游環(huán)境，決定在第二調(diào)節(jié)池上游增建重力式垃圾攔擋壩，并改建第二調(diào)節(jié)池。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），本工程為四等，但考慮到其下游為中等城市，故主要建筑物垃圾攔擋壩按三級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按四級(jí)設(shè)計(jì)。根據(jù)國家地震局《中國地震參數(shù)區(qū)劃圖》，工程所在區(qū)域地震基本加速度值為0.05ｇ，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度，依據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97），地震設(shè)計(jì)烈度為6度。

二、工程結(jié)構(gòu)布置

該攔擋壩基礎(chǔ)面置于弱風(fēng)化上部，兩岸地形較高部位的壩段，壩基礎(chǔ)可進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化下部。壩基礎(chǔ)面略向上游傾斜，高差取0.5ｍ。兩岸邊坡基礎(chǔ)面形狀，在平行壩軸線方向開挖成有一定寬度的臺(tái)階狀。巖石開挖邊坡為1∶0.5，填土開挖邊坡為1∶1。開挖時(shí)壩基兩側(cè)各留出1.3ｍ的工作平臺(tái)，基坑周邊設(shè)置排水溝。

根據(jù)地質(zhì)資料，在安山巖和片麻巖之間存在不整合面，該不整合面存在斷層破碎帶，應(yīng)將壩基礎(chǔ)面部分的破碎帶及兩側(cè)風(fēng)化巖體挖除，挖深為自壩基面下1.5倍破碎帶寬度，然后澆注Ｃ20混凝土塞。

本工程最大壩高32ｍ，根據(jù)其垃圾填埋、覆土容積要求及地質(zhì)縱剖面圖，建基面高程74.0ｍ，壩前垃圾填埋高程為104m，壩頂超過填埋高程2m，定為106.0ｍ。兩岸地形較高部位的壩段，壩基礎(chǔ)置入強(qiáng)風(fēng)化巖石下部。垃圾攔擋壩頂寬2m，上游壩面為垂直，下游壩坡1：0.3，離壩頂2ｍ為垂直面，最大壩高32m，壩長127.5m。壩體以混凝土澆注，每隔15m設(shè)置伸縮橫縫一道，共分9個(gè)壩段。中間部位3＃、4#、5#、6＃、7＃壩段混凝土強(qiáng)度為Ｃ25，兩端部位1＃、2＃、8#、9#壩段混凝土強(qiáng)度為Ｃ20，離壩頂2ｍ-4ｍ錨固范圍內(nèi)混凝土強(qiáng)度為Ｃ50，離壩頂2ｍ處到壩頂混凝土強(qiáng)度Ｃ15。上游面混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)Ｗ4，下游面及內(nèi)部混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)Ｗ2，上游面抗凍標(biāo)號(hào)F200。

考慮該混凝土重力壩為大體積混凝土澆筑，溫度應(yīng)力較大，在壩上游面和壩下游面設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋?？v向鋼筋采用直徑20mm的螺紋筋，間距為250mm，橫向鋼筋采用直徑20mm的螺紋筋，間距為250mm。

壩體前緣橫縫中設(shè)置止水，采用652型橡膠止水，兩端嵌入混凝土250mm，沿縫豎向通長布置，止水保護(hù)層厚250mm。壩體橫縫中以瀝青木板填縫。

三、壩體穩(wěn)定計(jì)算

該攔擋壩采用預(yù)應(yīng)力混凝土重力壩壩型，其穩(wěn)定計(jì)算考慮施工期和運(yùn)用期兩種工況：施工期考慮荷載有壩前后的土（垃圾）壓力、壩后土重、壩體自重、錨固力；運(yùn)用期考慮荷載有壩前后的土（垃圾）壓力、壩前的水壓力、壩體底部的揚(yáng)壓力、壩體自重、壩后土自重、錨固力。計(jì)算方法為取單寬驗(yàn)算壩體的抗滑穩(wěn)定和邊緣應(yīng)力，采用公式如下：

（一）抗滑

采用抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：K′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f ′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；A——壩基面面積。

（二）邊緣應(yīng)力

式中：ΣW——作用于１ｍ壩長上全部荷載（包括或不包括揚(yáng)壓力）在壩基面截面上法向分力的總和；ΣM——作用于１ｍ壩長上全部荷載（包括或不包括揚(yáng)壓力）對壩基面截面形心軸的力矩總和；A——１ｍ壩長的壩基面截面積；J——1ｍ壩長的壩基面截面積對形心軸的慣性矩；x——壩基面截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離。

壩體穩(wěn)定和邊緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

按計(jì)算結(jié)果，壩體在各種工況下抗滑穩(wěn)定和邊緣應(yīng)力滿足要求。

四、溫度控制設(shè)計(jì)

該混凝土重力壩屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，按規(guī)范規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行防裂及溫度控制設(shè)計(jì)，以防止壩體在施工期和運(yùn)用早期產(chǎn)生裂縫，達(dá)到控制工程質(zhì)量、加速施工進(jìn)度的目的。

由于壩基底寬最大處僅10.85米，所以不設(shè)縱縫，采用通倉澆筑。沿壩軸方向上，每隔15米設(shè)橫縫。混凝土澆筑分層情況表見下表2。

備注：在距壩頂10米范圍內(nèi)，在不超過溫控指標(biāo)的前提下，混凝土澆筑層厚可適當(dāng)加大；施工中，在距壩頂10米范圍內(nèi)，混凝土澆注應(yīng)在每個(gè)壩段中間位置設(shè)置臨時(shí)施工縫，澆注完后將裂縫灌漿。

鑒于基巖變形模量與混凝土彈性模量相近，確定在離基礎(chǔ)面0-3ｍ高度范圍內(nèi)基礎(chǔ)允許溫差為24℃，在離基礎(chǔ)面3-7m高度范圍內(nèi)為26℃，離基礎(chǔ)面7m以上為28℃。7ｍ以下基礎(chǔ)混凝土應(yīng)在6月底澆完。7月份原則上不允許澆筑大體積混凝土（混凝土最高溫度及澆筑溫度情況見表2）?？紤]到下層降溫后的老混凝土對上層新混凝土的約束作用，要求上下層允許溫差不大于16℃。

在施工過程中，各壩塊應(yīng)均勻上升，相鄰塊高差不超過6m，間隔時(shí)間應(yīng)大于6天，小于10天。未滿28ｄ齡期的暴露在空氣中的混凝土表面，必須采取保溫措施，如用草袋遮蓋。當(dāng)兩天內(nèi)日平均溫差超過8度時(shí)，應(yīng)采取特殊保溫措施。

本工程施工期溫度仍然較高，可采取一些常規(guī)降溫措施來降溫，并做好溫度監(jiān)測，隨時(shí)調(diào)整溫度控制措施。

五、預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)

取單位寬度壩體計(jì)算得：在運(yùn)用期和施工期滿足穩(wěn)定和壩踵邊緣應(yīng)力要求，在壩頂中間位置布置一排錨索，總錨索根數(shù)為62根，總錨固范圍沿壩長方向75ｍ。錨索錨固段應(yīng)有足夠的抗拔拉力，因此將錨索的錨固段設(shè)置在巖石中的微風(fēng)化層。在錨固范圍內(nèi)，4＃、5＃、6＃、7＃壩段錨索錨固力2076.9ＫＮ，間距為1.15ｍ（有濾水管處為1.2ｍ），采用由14根鋼絞線組成的錨索，單根鋼絞線為7絲，錨固段長度為8ｍ，自由長度為24.85-35ｍ。3＃壩段錨索錨固力1950KN，采用由14根鋼絞線組成的錨索，間距為1.5ｍ（最左端兩間距為1.45m），單根鋼絞線為7絲，錨固段長度為8ｍ，自由段長度為24.85ｍ和28.85ｍ。各壩段錨索錨固段采用長短相間布置。

六、濾水管設(shè)計(jì)

該垃圾攔擋壩地處峽谷，垃圾中的滲瀝液將順地勢流向下游，考慮下游第二調(diào)節(jié)池底高程為82.75m，在壩前高程為84.3m、91.3m、98.3m高程處各設(shè)置一排濾水管，坡比為1：10，沿壩軸線方向，壩兩側(cè)順地勢分別設(shè)置濾水管，與84.3m高程處濾水管連通。84.3ｍ高程處和壩兩端濾水管伸出壩面部分采用HDPE花管，其它段采用HDPE實(shí)壁濾水管。橫向?yàn)V水支管直徑為400mm，豎向及兩端連接主管直徑為400mm，中間橫向連接主管和出水管直徑為500mm，各管設(shè)置水平間距15m（最右端管間距為12m）。濾水管兩端及中間段濾水管頂端各設(shè)一HDPE導(dǎo)氣管（直徑為100mm），用以排除沼氣。

為防止垃圾中的滲瀝液淤積濾水管，在濾水管前設(shè)置濾水碎石層和碎石鋼筋籠，碎石需經(jīng)過水洗，碎石粒徑20-40mm，鋼筋網(wǎng)格應(yīng)小于15mm。前伸的濾水花管通過碎石包裹，管以上碎石700mm，管以下設(shè)置混凝土墊座，管口通過聚乙烯錨板封口，聚乙烯錨板上打孔，孔徑不大于15mm。沿壩軸線方向?yàn)V水管上層通過700mm的碎石導(dǎo)流層連通，導(dǎo)流層上以垃圾覆蓋。鋼筋石籠柱底1.5ｍ×1.5ｍ，高14ｍ。

為防止濾水管以下滲瀝液污染地下水，在濾水管以下鋪設(shè)一層土工膜與原有土工膜銜接，土工膜以下以0.3m壓實(shí)壤土墊底。濾水管兩測沿回填土高程鋪設(shè)土工膜，土工膜鋪設(shè)頂高程95.0m。土工膜下壤土墊層及面層粘性土保護(hù)層壓實(shí)度要求大于90%。

七、結(jié)束語

石家莊垃圾衛(wèi)生填埋場攔擋壩工程采用預(yù)應(yīng)力錨固式結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)大壩的建設(shè)中尚屬首例，在壩體設(shè)計(jì)上主要考慮壩體結(jié)構(gòu)、壩基處理、溫度控制、預(yù)應(yīng)力錨固和濾水管設(shè)計(jì)。由于垃圾的特性，對其引起的大壩穩(wěn)定、壩體的錨索的腐蝕、基礎(chǔ)的滲透及其滲瀝液污染為本設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)部分，以對類似工程作為借鑒。

（作者單位：劉能勝，湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院；童海英，武漢理工大學(xué)）

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>