石家庄市垃圾卫生填埋场拦挡坝设计

来源:用户上传      作者: 刘能胜　童海英

　　摘要：石家庄市峡石沟垃圾填埋场垃圾拦挡坝为预应力重力式坝型，文章紧扣重力坝及垃圾填埋区这一特征，说明坝体结构布置，温度控制，预应力锚索及滤水管几个方面的设计思路。
　　关键词：拦挡坝；工程结构布置；稳定计算；温度控制设计；预应力锚索设计；滤水管设计
　　
　　一、工程概况
　　
　　石家庄市峡石沟垃圾填埋场位于石家庄市西部境内，距石家庄市市区约19ｋｍ。该填埋场是一座以消纳石家庄市及沿途郊区生活垃圾为主的垃圾卫生处理场，由垃圾填埋区、第二调节池、渗沥液处理区、排洪沟及垃圾挡坝（土坝）五部分构成。场区为三面环山呈“V”型的自然谷地。填埋场占地面积10.6公顷，其中填埋用地面积9公顷，渗沥液处理及生活区用地面积l.6公顷；填埋场总容积310万m3，填埋垃圾总容积278万m3；填埋区东西长700米，南北平均宽125米，沟头至沟尾高差70m；有效试用期10.3年。
　　石家庄市峡石沟垃圾填埋场由北京市市政设计研究院规划设计，于1997年建成并投入使用，经过六年的运行，目前填埋垃圾层高度已达35ｍ，垃圾量约为80万吨。由于建场初期部分建筑物设计标准低，在使用管理过程中，填埋垃圾出现了不同程度的沉降，滑坡，渗沥液四溢问题，为确保垃圾填埋场正常运用，增加调节池容量，改善下游环境，决定在第二调节池上游增建重力式垃圾拦挡坝，并改建第二调节池。
　　根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000），本工程为四等，但考虑到其下游为中等城市，故主要建筑物垃圾拦挡坝按三级设计，次要建筑物按四级设计。根据国家地震局《中国地震参数区划图》，工程所在区域地震基本加速度值为0.05ｇ，相当于地震基本烈度为Ⅵ度，依据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），地震设计烈度为6度。
　　
　　二、工程结构布置
　　
　　该拦挡坝基础面置于弱风化上部，两岸地形较高部位的坝段，坝基础可进入强风化下部。坝基础面略向上游倾斜，高差取0.5ｍ。两岸边坡基础面形状，在平行坝轴线方向开挖成有一定宽度的台阶状。岩石开挖边坡为1∶0.5，填土开挖边坡为1∶1。开挖时坝基两侧各留出1.3ｍ的工作平台，基坑周边设置排水沟。
　　根据地质资料，在安山岩和片麻岩之间存在不整合面，该不整合面存在断层破碎带，应将坝基础面部分的破碎带及两侧风化岩体挖除，挖深为自坝基面下1.5倍破碎带宽度，然后浇注Ｃ20混凝土塞。
　　本工程最大坝高32ｍ，根据其垃圾填埋、覆土容积要求及地质纵剖面图，建基面高程74.0ｍ，坝前垃圾填埋高程为104m，坝顶超过填埋高程2m，定为106.0ｍ。两岸地形较高部位的坝段，坝基础置入强风化岩石下部。垃圾拦挡坝顶宽2m，上游坝面为垂直，下游坝坡1：0.3，离坝顶2ｍ为垂直面，最大坝高32m，坝长127.5m。坝体以混凝土浇注，每隔15m设置伸缩横缝一道，共分9个坝段。中间部位3＃、4#、5#、6＃、7＃坝段混凝土强度为Ｃ25，两端部位1＃、2＃、8#、9#坝段混凝土强度为Ｃ20，离坝顶2ｍ-4ｍ锚固范围内混凝土强度为Ｃ50，离坝顶2ｍ处到坝顶混凝土强度Ｃ15。上游面混凝土抗渗标号Ｗ4，下游面及内部混凝土抗渗标号Ｗ2，上游面抗冻标号F200。
　　考虑该混凝土重力坝为大体积混凝土浇筑，温度应力较大，在坝上游面和坝下游面设置一定数量的钢筋。纵向钢筋采用直径20mm的螺纹筋，间距为250mm，横向钢筋采用直径20mm的螺纹筋，间距为250mm。
　　坝体前缘横缝中设置止水，采用652型橡胶止水，两端嵌入混凝土250mm，沿缝竖向通长布置，止水保护层厚250mm。坝体横缝中以沥青木板填缝。
　　
　　三、坝体稳定计算
　　
　　该拦挡坝采用预应力混凝土重力坝坝型，其稳定计算考虑施工期和运用期两种工况：施工期考虑荷载有坝前后的土（垃圾）压力、坝后土重、坝体自重、锚固力；运用期考虑荷载有坝前后的土（垃圾）压力、坝前的水压力、坝体底部的扬压力、坝体自重、坝后土自重、锚固力。计算方法为取单宽验算坝体的抗滑稳定和边缘应力，采用公式如下：
　　（一）抗滑
　　采用抗剪断强度计算公式：
　　
　　式中：K′――按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f ′――坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；c′――坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力；A――坝基面面积。
　　（二）边缘应力
　　
　　式中：ΣW――作用于１ｍ坝长上全部荷载（包括或不包括扬压力）在坝基面截面上法向分力的总和；ΣM――作用于１ｍ坝长上全部荷载（包括或不包括扬压力）对坝基面截面形心轴的力矩总和；A――１ｍ坝长的坝基面截面积；J――1ｍ坝长的坝基面截面积对形心轴的惯性矩；x――坝基面截面上计算点到形心轴的距离。
　　坝体稳定和边缘应力计算结果见表1。
　　按计算结果，坝体在各种工况下抗滑稳定和边缘应力满足要求。
　　
　　四、温度控制设计
　　
　　该混凝土重力坝属于大体积混凝土结构，按规范规定，应进行防裂及温度控制设计，以防止坝体在施工期和运用早期产生裂缝，达到控制工程质量、加速施工进度的目的。
　　由于坝基底宽最大处仅10.85米，所以不设纵缝，采用通仓浇筑。沿坝轴方向上，每隔15米设横缝。混凝土浇筑分层情况表见下表2。
　　备注：在距坝顶10米范围内，在不超过温控指标的前提下，混凝土浇筑层厚可适当加大；施工中，在距坝顶10米范围内，混凝土浇注应在每个坝段中间位置设置临时施工缝，浇注完后将裂缝灌浆。
　　鉴于基岩变形模量与混凝土弹性模量相近，确定在离基础面0-3ｍ高度范围内基础允许温差为24℃，在离基础面3-7m高度范围内为26℃，离基础面7m以上为28℃。7ｍ以下基础混凝土应在6月底浇完。7月份原则上不允许浇筑大体积混凝土（混凝土最高温度及浇筑温度情况见表2）。考虑到下层降温后的老混凝土对上层新混凝土的约束作用，要求上下层允许温差不大于16℃。
　　在施工过程中，各坝块应均匀上升，相邻块高差不超过6m，间隔时间应大于6天，小于10天。未满28ｄ龄期的暴露在空气中的混凝土表面，必须采取保温措施，如用草袋遮盖。当两天内日平均温差超过8度时，应采取特殊保温措施。
　　本工程施工期温度仍然较高，可采取一些常规降温措施来降温，并做好温度监测，随时调整温度控制措施。
　　
　　五、预应力锚索设计
　　
　　取单位宽度坝体计算得：在运用期和施工期满足稳定和坝踵边缘应力要求，在坝顶中间位置布置一排锚索，总锚索根数为62根，总锚固范围沿坝长方向75ｍ。锚索锚固段应有足够的抗拔拉力，因此将锚索的锚固段设置在岩石中的微风化层。在锚固范围内，4＃、5＃、6＃、7＃坝段锚索锚固力2076.9ＫＮ，间距为1.15ｍ（有滤水管处为1.2ｍ），采用由14根钢绞线组成的锚索，单根钢绞线为7丝，锚固段长度为8ｍ，自由长度为24.85-35ｍ。3＃坝段锚索锚固力1950KN，采用由14根钢绞线组成的锚索，间距为1.5ｍ（最左端两间距为1.45m），单根钢绞线为7丝，锚固段长度为8ｍ，自由段长度为24.85ｍ和28.85ｍ。各坝段锚索锚固段采用长短相间布置。
　　
　　六、滤水管设计
　　
　　该垃圾拦挡坝地处峡谷，垃圾中的渗沥液将顺地势流向下游，考虑下游第二调节池底高程为82.75m，在坝前高程为84.3m、91.3m、98.3m高程处各设置一排滤水管，坡比为1：10，沿坝轴线方向，坝两侧顺地势分别设置滤水管，与84.3m高程处滤水管连通。84.3ｍ高程处和坝两端滤水管伸出坝面部分采用HDPE花管，其它段采用HDPE实壁滤水管。横向滤水支管直径为400mm，竖向及两端连接主管直径为400mm，中间横向连接主管和出水管直径为500mm，各管设置水平间距15m（最右端管间距为12m）。滤水管两端及中间段滤水管顶端各设一HDPE导气管（直径为100mm），用以排除沼气。
　　为防止垃圾中的渗沥液淤积滤水管，在滤水管前设置滤水碎石层和碎石钢筋笼，碎石需经过水洗，碎石粒径20-40mm，钢筋网格应小于15mm。前伸的滤水花管通过碎石包裹，管以上碎石700mm，管以下设置混凝土垫座，管口通过聚乙烯锚板封口，聚乙烯锚板上打孔，孔径不大于15mm。沿坝轴线方向滤水管上层通过700mm的碎石导流层连通，导流层上以垃圾覆盖。钢筋石笼柱底1.5ｍ×1.5ｍ，高14ｍ。
　　为防止滤水管以下渗沥液污染地下水，在滤水管以下铺设一层土工膜与原有土工膜衔接，土工膜以下以0.3m压实壤土垫底。滤水管两测沿回填土高程铺设土工膜，土工膜铺设顶高程95.0m。土工膜下壤土垫层及面层粘性土保护层压实度要求大于90%。
　　
　　七、结束语
　　
　　石家庄垃圾卫生填埋场拦挡坝工程采用预应力锚固式结构，在国内大坝的建设中尚属首例，在坝体设计上主要考虑坝体结构、坝基处理、温度控制、预应力锚固和滤水管设计。由于垃圾的特性，对其引起的大坝稳定、坝体的锚索的腐蚀、基础的渗透及其渗沥液污染为本设计考虑的重点部分，以对类似工程作为借鉴。
　　（作者单位：刘能胜，湖北水利水电职业技术学院；童海英，武汉理工大学）
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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