危險(xiǎn)廢物剛性填埋庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

李 硯

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

填埋處置是目前危險(xiǎn)廢物最終處置一個(gè)重要組成部分。發(fā)達(dá)國(guó)家目前危險(xiǎn)廢物填埋量占其工業(yè)廢棄物產(chǎn)生總量的比例分別為美國(guó)75%、英國(guó)60%、聯(lián)邦德國(guó)72%、比利時(shí)62%、荷蘭和法國(guó)各50%、日本3%。

2020 年之前，我國(guó)危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)建成數(shù)量超過100 個(gè)，絕大部分填埋場(chǎng)是柔性填埋場(chǎng)，其中很多填埋場(chǎng)的選址、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)沒有從滲濾液控制的三重屏障（防止產(chǎn)生、避免滲漏、控制擴(kuò)散）的角度去實(shí)施[1-2]。根據(jù)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院2014 年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，平均每公頃漏洞數(shù)量達(dá)17 個(gè)，相當(dāng)一部分的漏洞較大，填埋場(chǎng)滲漏現(xiàn)象普遍。

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院主持修編的《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18598—2019）（后簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）在2020 年開始執(zhí)行?！稑?biāo)準(zhǔn)》提出危險(xiǎn)廢物處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是將廢物進(jìn)入循環(huán)，包括社會(huì)循環(huán)（資源再生）和自然循環(huán)（生態(tài)循環(huán)）。因此，需要改變危險(xiǎn)廢物填埋的定位，將危險(xiǎn)廢物填埋的最終處置功能轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源貯存功能，并保證在其有限壽命期內(nèi)的環(huán)境安全性。

具體來說，《標(biāo)準(zhǔn)》要求新建剛性填埋庫由若干填埋單元組成，各填埋單元彼此獨(dú)立，每個(gè)填埋單元面積不大于50 m2，容積不大于250 m3，并且可目視檢測(cè)填埋單元是否發(fā)生滲漏[3]。填埋單元內(nèi)根據(jù)廢物情況，選擇適宜的防滲防腐材料。

《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)危廢填埋庫運(yùn)行提出“安全保證期”的概念，要求運(yùn)行者制定并有效實(shí)施在“安全保證期”后的應(yīng)對(duì)方案，包括再生利用方案。危廢填埋處置并非最終處置措施，僅為對(duì)危險(xiǎn)廢物的“有限期貯存”。

自《標(biāo)準(zhǔn)》開始執(zhí)行，國(guó)內(nèi)各產(chǎn)廢區(qū)根據(jù)相關(guān)要求建設(shè)的剛性填埋庫在填埋單元尺寸選型、鋼筋混凝土側(cè)壁和底板厚度、荷載取值和結(jié)構(gòu)計(jì)算方面有較大差異[4-6]，本文將以鹽城某項(xiàng)目為例淺析剛性填埋庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

鹽城某項(xiàng)目設(shè)計(jì)填埋規(guī)模20 000 t/a，庫區(qū)占地面積約10 萬m2，總庫容約5 萬m3，主要處置對(duì)象為工業(yè)廢鹽。

擬建場(chǎng)地平坦，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，將填埋庫設(shè)計(jì)為架空鋼筋混凝土池體結(jié)構(gòu)。根據(jù)使用功能，填埋庫自下而上分為檢修夾層、庫區(qū)池體、填埋作業(yè)層。其中檢修夾層為結(jié)構(gòu)柱支撐的架空層，滿足目視檢測(cè)滲漏需要；庫區(qū)池體為危廢填埋區(qū)，該項(xiàng)目庫區(qū)池體由204 個(gè)單元格組成，單元格尺寸6.8×6.8×5.41 m，結(jié)構(gòu)平面間隔約40～50 m 設(shè)一道變形縫；填埋作業(yè)層設(shè)置雨棚和橋式吊車，運(yùn)行時(shí)以橋式吊車作為填埋作業(yè)的主要吊運(yùn)設(shè)備，將噸袋包裝的危廢吊運(yùn)至指定單元格填埋。填埋庫豎向布置圖、平面布置圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 填埋庫豎向布置圖

圖2 填埋庫平面布置圖

2 荷載工況

2.1 危廢性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，鹽城項(xiàng)目填埋危廢平均含水率為1.62%，平均密度為1.29 g/cm3,黏聚力c=8.1 kPa，內(nèi)摩擦角φ=14°。

2.2 填埋庫側(cè)壁壓力

為了檢測(cè)危險(xiǎn)廢物對(duì)填埋庫側(cè)壁的實(shí)際壓力，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，選取空置的單元格，在距底板0.5 m、1.5 m、3.5 m 高度位置設(shè)置三組壓力傳感器，壓力傳感器粘貼在側(cè)壁防滲膜表面，如圖3 所示。在填埋廢物前后分別讀取數(shù)據(jù)，得到每個(gè)高度位置側(cè)壁所受壓力。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)壓力傳感器安裝情況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制各側(cè)壁實(shí)測(cè)壓力-高度分布圖，如圖4 所示，與朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，實(shí)測(cè)值約為朗肯主動(dòng)土壓力的1/2。

圖4 各側(cè)壁實(shí)測(cè)壓力

圖5 為填埋單元格內(nèi)危廢對(duì)側(cè)壁壓力的受力分析，根據(jù)單元格尺寸構(gòu)建原則，單元格平面尺寸L 和高度H 應(yīng)滿足以下要求:

圖5 單元格尺寸分析圖

考慮到填埋單元格內(nèi)空間有限，危險(xiǎn)廢物堆體無法發(fā)生庫倫理論所確定的滑動(dòng)面，因此不能按庫倫土壓力公式計(jì)算側(cè)壁壓力。

根據(jù)楊明輝等建立的有限范圍內(nèi)土壓力模型，考慮應(yīng)力偏轉(zhuǎn)對(duì)有限土體成拱效應(yīng)的影響，側(cè)壁所受的壓力為危廢成拱效應(yīng)的水平方向應(yīng)力[7]。填埋廢物應(yīng)力分析如圖6 所示。

圖6 填埋廢物應(yīng)力分析

當(dāng)0≤z≤H-btan θ 時(shí)（b=L/2），水平應(yīng)力σh=

當(dāng)H-btanθ＜z≤H 時(shí)，采用半數(shù)值法四階龍格庫塔求解。

由此得到遞推公式：

設(shè)Δz=0.1 m，利用式（1）計(jì)算有限范圍內(nèi)土壓力，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值、朗肯土壓力、規(guī)范法計(jì)算結(jié)果比對(duì)，如圖7 所示。利用朗肯土壓力計(jì)算將高估危廢對(duì)側(cè)壁壓力約100%，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中產(chǎn)生浪費(fèi)。按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算有限范圍內(nèi)土壓力時(shí)因未考慮0≤z≤H-btanθ 范圍矩形區(qū)的影響導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果略偏小。

圖7 有限范圍內(nèi)土壓力計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)有限范圍內(nèi)土壓力沿高度方向積分，Ea=57.3 kN。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將圖6 中梯形區(qū)域視為滑動(dòng)體，按式（2）計(jì)算，可得出相對(duì)準(zhǔn)確土壓力計(jì)算結(jié)果。

2.3 填埋庫底板壓力

在確定填埋庫底板壓力時(shí)應(yīng)結(jié)合填埋庫封場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于采用預(yù)制蓋板+防滲膜的封場(chǎng)做法，因蓋板和封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)自重通過側(cè)壁傳遞至基礎(chǔ)，填埋庫底板壓力p=γH；對(duì)于采用防滲膜+現(xiàn)澆混凝土面層的封場(chǎng)做法，封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)自重通過危廢傳遞至底板，填埋庫底板壓力，其中γi和hi分別為各層封場(chǎng)材料的容重和厚度。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

采用Autodesk Robot Structural Analysis Professional 軟件板殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算庫區(qū)實(shí)際大小模型將造成計(jì)算工況組合過多而無法有效分析。這里對(duì)庫區(qū)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用填埋單元縱橫向個(gè)數(shù)為3 的9 宮格簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析。根據(jù)填埋過程中各單元填滿程度劃分計(jì)算工況。

（1）工況1：全部單元填滿。

（2）工況2：中部單元填滿。

（3）工況3：邊緣單元填滿。

模型底板厚550 mm，側(cè)壁厚350 mm。

計(jì)算結(jié)果如圖8 至圖10 所示。

圖8 工況1 結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖9 工況2 結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖10 工況3 結(jié)構(gòu)彎矩圖

當(dāng)調(diào)整工況1 和工況3 的側(cè)壁厚度為450 mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12 所示。

圖11 工況1 A-A1 彎矩圖（側(cè)壁450 mm）

圖12 工況3 A-A1 彎矩圖（側(cè)壁450 mm）

工況1 是剛性填埋庫區(qū)填埋后長(zhǎng)期存在的穩(wěn)定工況，設(shè)計(jì)時(shí)將該工況作為正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。工況2 和工況3 是填埋過程中短暫存在的工況，設(shè)計(jì)時(shí)按該工況的彎矩條件作為承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。

各工況結(jié)構(gòu)最大彎矩位于底板根部，比較圖8和圖11、圖10 和圖12 可知，底板根部彎矩與側(cè)壁厚度無關(guān)，但是底板外邊緣彎矩和外側(cè)壁根部彎矩受側(cè)壁厚度影響較大。當(dāng)外側(cè)壁剛度增加時(shí)，外側(cè)壁根部和與之相連的底板邊緣彎矩同步增加。以工況1為例，當(dāng)側(cè)壁厚度從350 mm 增加至450 mm 時(shí)，外側(cè)壁根部彎矩增加了34%。若僅考慮危廢側(cè)壓力作用，外側(cè)壁根部彎矩為29.1 kNm，不考慮底板的彎矩傳遞效應(yīng)進(jìn)行外側(cè)壁設(shè)計(jì)是不安全的。因此，建議在配筋率過高的情況下適當(dāng)增加外側(cè)壁厚度。并且在填埋作業(yè)中盡量避免局部單元集中填埋[1]。根據(jù)有限元分析結(jié)果總結(jié)各結(jié)構(gòu)組件的計(jì)算要求見表1。

表1 結(jié)構(gòu)組件計(jì)算要求

4 單元格尺寸分析

根據(jù)《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求，剛性填埋場(chǎng)每個(gè)填埋單元面積不得超過50 m2且容積不得超過250 m3，受填埋單元格總?cè)莘e的控制，填埋單元高度與單元格尺寸的平方成反比。在不考慮基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的前提下，庫區(qū)造價(jià)主要受鋼筋混凝土用量和結(jié)構(gòu)內(nèi)表面防滲防腐材料覆蓋面積影響。每個(gè)單元格混凝土用量：

每個(gè)單元格防滲防腐材料覆蓋的面積：

根據(jù)鋼筋混凝土綜合單價(jià)以及防滲防腐材料的價(jià)格計(jì)算單方庫容造價(jià)，得到單元格平面尺寸L 與單方庫容造價(jià)的關(guān)系如圖13 所示。

圖13 單元格平面尺寸L 與單方庫容造價(jià)關(guān)系圖

由圖13 可見，在L=6 m 時(shí)單方庫容造價(jià)最低。因庫區(qū)內(nèi)以噸袋填埋為主，故單元格平面尺寸L 需選擇噸袋平鋪尺寸的整數(shù)倍。

5 結(jié)語

本文針對(duì)剛性庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)問題，通過實(shí)驗(yàn)和模型分析的方法得出以下結(jié)論：

（1）利用朗肯土壓力計(jì)算危廢對(duì)側(cè)壁的壓力將比實(shí)際壓力高估約100%，通過楔形體滑動(dòng)分析側(cè)壁壓力所得結(jié)果較為準(zhǔn)確。

（2）各填埋工況下結(jié)構(gòu)最大彎矩位于底板根部，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將全填埋工況作為正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，將其他填埋過程工況作為承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。

（3）外側(cè)壁厚度對(duì)于根部及底板邊緣彎矩增加有著顯著影響，設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略底板傳遞至外側(cè)壁的彎矩。

（4）最經(jīng)濟(jì)的單元格平面尺寸是6 m，因庫區(qū)內(nèi)以噸袋填埋為主，單元格平面尺寸需選擇噸袋平鋪尺寸的整數(shù)倍。