高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镌诟叨咐鴵鯄卧患痈咧械膽?yīng)用

陳位洪 朱江穎

(廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州510010）

引言

隨著城市化進程的不斷加快， 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之間矛盾突出， 通過加高垃圾擋壩對既有填埋場進行擴容成為了解決垃圾填埋去向問題的較為科學(xué)有效的辦法， 對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、 筑壩材料簡單、 施工較為方便等特點， 在我國分布較廣， 是較常使用的壩型[1]， 故國內(nèi)現(xiàn)有垃圾填埋場的擋壩多以土石壩為主。 將填埋場擋壩在原位進行加高擴建， 既要滿足填埋場擴容需求， 又常面臨場地受限等現(xiàn)實問題， 這就使得新建壩體常具有又高又陡的結(jié)構(gòu)特點。 對于這類壩體， 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， 對加筋材料的性能要求越高。 對于壩體加筋， 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， 故在對現(xiàn)有填埋場垃圾擋壩在受限場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為例， 對其垃圾擋壩原位加高擴建過程中土工織物的選取及施工方法等關(guān)鍵技術(shù)難題進行了應(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)生填埋場位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)興豐村， 原有庫容約2520 萬m3，該填埋場承擔(dān)著廣州市中心城區(qū)垃圾處理的全部壓力， 經(jīng)長時間運營， 其剩余可利用庫容已難以滿足垃圾處理要求， 擴建迫在眉睫[3]。

填埋場垃圾擋壩位于場區(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。 無論壩體坡率、 垃圾堆體坡率還是填埋高度都已達到《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ 176-2012）要求的極限[4]。 且壩體在運營過程中已出現(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、 補給及排泄有密切的關(guān)系。

根據(jù)土工試驗結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗， 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)見表1。

3.場區(qū)滲濾液水位導(dǎo)排情況

原場區(qū)封場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)測報警系統(tǒng)， 當(dāng)滲濾液水位達到110m 高程時， 系統(tǒng)將報警并自動開啟潛污泵對滲濾液進行抽排， 故設(shè)計計算中將滲濾液水位按齊平舊壩壩頂計算， 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)計及關(guān)鍵技術(shù)問題

經(jīng)設(shè)計計算， 若將擋壩加高15m 可相應(yīng)增加750 萬m3庫容， 對暫時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， 汽車荷載設(shè)計等級公路-Ⅱ級。 由于壩坡坡腳緊鄰現(xiàn)狀滲濾液廠， 場地受限， 為減少滲濾液廠的搬遷， 加高后的上下游壩坡坡率高達1∶1，下游坡面每10m 高設(shè)2m 寬馬道， 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， 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、 抗拉強度較高等優(yōu)點，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， 在實際工程中廣泛應(yīng)用[5]。 然而， 與簡單的加筋邊坡不同， 本工程是在原有壩體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行加高設(shè)計， 在要求加筋材料具備高抗拉強度的同時， 還需考慮壩體加高部分與原壩體如何連接， 擴建后的新壩體可以采用土工格柵作為加筋體來提高土體抗剪性能， 但土工格柵不能穿過新舊壩體交界面， 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， 對壩體進行加高培厚也較為常見， 已有不少學(xué)者對國內(nèi)大壩加高工程進行了總結(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，對于新舊壩體連接面的處理采用刨毛或開蹬形式較為普遍， 部分混凝土壩加高中也采用植筋來增加新老混凝土的粘結(jié)強度[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)前期試驗及計算模擬發(fā)現(xiàn)， 新舊壩體連接面往往是影響壩體整體穩(wěn)定性的最危險滑動面， 依靠鑿毛等施工方法已難以確保壩體安全穩(wěn)定。

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

(3）經(jīng)設(shè)計前期的室內(nèi)模型試驗及初步數(shù)值分析， 為使得邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)能夠達到設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 要求加筋材料長期抗拉強度設(shè)計值達到160kN/m， 經(jīng)市場調(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首例在垃圾衛(wèi)生填埋場使用高韌聚酯有紡?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及應(yīng)用

設(shè)計應(yīng)用的材料允許抗拉(拉伸）強度即長期抗拉強度Ta應(yīng)根據(jù)實測的極限抗拉強度T， 通過下列方式計算確定[11]:

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

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

3.1 材料性能優(yōu)勢

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)定高強加筋土工織物， 通過降低材料因蠕變影響的強度折減系數(shù)， 來提高材料允許抗拉(拉伸）強度Ta， 以取得最有效的荷載承受能力。 為此， 專門對此種土工織物的荷載承受能力進行了試驗評估。

由圖3 可得到不同設(shè)計壽命的RFCR值。 在60 年設(shè)計壽命時， Mirafi 高韌聚酯有紡?fù)凉た椢镞€保有72%剩余強度， 相當(dāng)于折減系數(shù)RFCR=1.39。 在120 年設(shè)計壽命時土工織物還保有69%剩余強度， 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度下仍然能保持低應(yīng)變。 在初始抗拉強度40%的荷載條件下， 其120 年設(shè)計壽命下的蠕變小于1%。

材料性能參數(shù)情況見表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抗拉強度特征值要遠大于TGDG160， 可見采用高韌聚酯有紡?fù)凉た椢锔菀诐M足抗拉強度設(shè)計要求。

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)計參數(shù)取值

本項目在設(shè)計過程中經(jīng)過大量有限元數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗， 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)計應(yīng)用過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發(fā)明專利和實用新型專利[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。 施工過程中， 先將土工織物跨過連接桿， 而后將土工織物兩端繞過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圍土體粘聚力。 南部擋壩在設(shè)計施工過程中取錨桿豎向及水平間距為1m， 有效長度為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)定性有限元計算分析

4.1 計算方法及模型

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)對壩體穩(wěn)定性的作用， 本文借助Geostudio-Slope 有限元計算軟件對壩體及垃圾堆體的整體穩(wěn)定性進行分析。 采用摩根斯坦-普賴斯法計算非圓弧滑動面的安全系數(shù)， 采用摩爾-庫侖強度公式作為計算準(zhǔn)則， 采用總應(yīng)力法進行計算。

簡化后的有限元計算模型見圖6。 原有垃圾堆體以1∶3 坡率堆積至65m 高(相對于絕對高程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)于絕對高程180m）。 由于填埋場設(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。

在模擬過程中， 采用該軟件的“fabric”模塊對壩體中的加筋材料進行模擬， 其豎向間距為0.5m。 由于在 Geostudio-Slope/W 中對于錨固作用是通過在極限平衡法中引入橫向集中荷載來實現(xiàn)的， 采用“Anchor”模塊對于新舊壩體連接結(jié)構(gòu)進行建模， 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)計模型簡化為一層土工織物對應(yīng)一根錨桿，相應(yīng)地， 將錨桿豎向間距由設(shè)計的1m 調(diào)整為計算模型中的0.5m， 且由于錨桿的設(shè)計軸向抗拉強度與長度成正比， 故在計算模型中將其有效長度從7m 調(diào)整為3.5m。

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

4.2 計算參數(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， 土工織物參數(shù)值按設(shè)計值或?qū)嶒炛祷A(chǔ)上折減80%， 取其軸向極限抗拉強度分別為 88kN 和 160kN， 粘結(jié)面摩擦力為 8kPa。 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。

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

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

3.壩體監(jiān)測結(jié)果

該工程于2018 年3 月順利通過竣工驗收，截至驗收結(jié)束時， 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， 所有監(jiān)測點水平位移速率均小于設(shè)計報警值( ±3mm/d）， 滿足有關(guān)規(guī)范及工程要求。

5 結(jié)語

本文以某大型垃圾填埋場為例， 從設(shè)計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^程中的應(yīng)用， 實踐證明該類土工織物高強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。