高韌聚酯有紡土工織物在高陡垃圾擋壩原位加高中的應用

陳位洪 朱江穎

(廣東省建筑設計研究院 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有效的辦法， 對解決城市垃圾最終出路、 節約土地資源具有重要意義。

擋壩根據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]， 故國內現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實問題， 這就使得新建壩體常具有又高又陡的結構特點。 對于這類壩體， 超出常規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等因素直接影響壩體的整體穩定性， 故在對現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鍵技術難題進行了應用和探討。

1 工程概況

1.1 工程背景

廣州市興豐生活垃圾衛生填埋場位于廣州市白云區太和鎮興豐村， 原有庫容約2520 萬m3，該填埋場承擔著廣州市中心城區垃圾處理的全部壓力， 經長時間運營， 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南部， 緊鄰現狀滲濾液廠。 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， 擋壩后側垃圾堆體以1∶3 坡率已然堆至155m 標高處。 無論壩體坡率、 垃圾堆體坡率還是填埋高度都已達到《生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范》(CJJ 176-2012）要求的極限[4]。 且壩體在運營過程中已出現壩面局部沖刷破壞， 壩體也已發生水平位移。

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、 氣候、 地下水賦存、 補給及排泄有密切的關系。

根據土工試驗結果并結合工程經驗， 素填土層土質不均， 滲透性變化較大， 屬弱-中等透水層， 粉質粘土、 砂質粘性土、 全風化巖屬弱透水層， 強風化巖、 中風化巖屬于弱～中等透水層，微風化巖屬于弱透水層。

2.巖土特性

擬新增壩基底地質情況從上至下可分為:①1填土4m， ②2硬塑砂質粘土4m， ⑤全風化混合花崗巖2m， ⑥強風化混和花崗巖0m ～10m， 下部為⑦中風化巖。 谷底弱風化頂面埋深約6m ～16m。 原壩體所在位置地質情況從上至下可分為: ①1素填土層約24m， ⑤全風化花崗巖層4m， 強風化花崗巖層6m， ⑦中風化花崗巖層2m， 下為⑧微風化花崗巖層。 巖層的技術參數見表1。

3.場區滲濾液水位導排情況

原場區封場后在垃圾堆體上每隔50m 水平距離設有滲濾液抽排井， 且場區底部設有主、次雙層滲濾液收集導排系統， 以此確保垃圾堆體內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， 設有滲濾液收集提升泵井及滲濾液水位監測報警系統， 當滲濾液水位達到110m 高程時， 系統將報警并自動開啟潛污泵對滲濾液進行抽排， 故設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的水平滲流。

表1 巖土技術參數建議值Tab.1 Recommended values of geotechnical technical parameters

2 擋壩加高設計及關鍵技術問題

經設計計算， 若將擋壩加高15m 可相應增加750 萬m3庫容， 對暫時緩解廣州市中心城區垃圾處理壓力作用顯著。 加高后壩高35m， 壩頂設10m寬道路， 汽車荷載設計等級公路-Ⅱ級。 由于壩坡坡腳緊鄰現狀滲濾液廠， 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， 坡率已經超出常規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用的土工格柵作為加筋體， 難以實現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、 抗拉強度較高等優點，是傳統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用[5]。 然而， 與簡單的加筋邊坡不同， 本工程是在原有壩體結構基礎上進行加高設計， 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， 導致新舊壩體交界面往往是最薄弱的部位。

(2）在常規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， 已有不少學者對國內大壩加高工程進行了總結探討[6-8]。 調研發現， 混凝土、 砌石重力壩等往往可實現較大幅度的加高， 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， 經前期試驗及計算模擬發現， 新舊壩體連接面往往是影響壩體整體穩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定。

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

(3）經設計前期的室內模型試驗及初步數值分析， 為使得邊坡整體穩定安全系數能夠達到設計規范標準， 要求加筋材料長期抗拉強度設計值達到160kN/m， 經市場調研發現， 市面上傳統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， 創新性地選用了特型土工織物——高韌聚酯有紡土工織物作為加筋體， 它高強的抗拉性能為擋壩穩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生填埋場使用高韌聚酯有紡土工織物作為加筋材料的高陡土石壩體。

3 高韌聚酯有紡土工織物的特點及應用

設計應用的材料允許抗拉(拉伸）強度即長期抗拉強度Ta應根據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；RFiD為材料在施工過程中受損傷的強度折減系數；RFD為材料長期老化影響的強度折減系數；RF為綜合強度折減系數。

由式(1）可知， 綜合強度折減系數越大， 材料允許抗拉強度越小。 如要求材料達到設計允許抗拉強度， 需提高材料極限抗拉強度或降低其綜合強度折減系數。 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RFCR。

3.1 材料性能優勢

本工程使用的新型Mirafi 高韌聚酯有紡土工織物是由高韌聚酯形成定向構造的穩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， 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 可得到不同設計壽命的RFCR值。 在60 年設計壽命時， Mirafi 高韌聚酯有紡土工織物還保有72%剩余強度， 相當于折減系數RFCR=1.39。 在120 年設計壽命時土工織物還保有69%剩余強度， 相當于折減系數RFCR=1.45。 Mirafi高韌聚酯有紡土工織物由高韌聚酯纖維組成， 即使在很高的拉荷載強度下仍然能保持低應變。 在初始抗拉強度40%的荷載條件下， 其120 年設計壽命下的蠕變小于1%。

材料性能參數情況見表3， 其中TGDG160土工格柵材料折減系數按規范[11]選取。 兩者的極限拉伸強度相差不大， 但由于折減系數差異，PET1150 高韌聚酯有紡土工織物的材料允許抗拉強度特征值要遠大于TGDG160， 可見采用高韌聚酯有紡土工織物更容易滿足抗拉強度設計要求。

圖3 Mirafi 高韌聚酯有紡土工織物蠕變破裂曲線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Tab.3 The material property parameters of Geosynthetics

3.2 設計參數取值

本項目在設計過程中經過大量有限元數值模擬及室內模型試驗， 最終確定將高韌聚酯有紡土工織物垂直間距取為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于壩體不同區域， 具體性能參數見表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 高韌聚酯有紡土工織物性能參數Tab.4 The performance parameters of Mifira geotextile

3.3 新型新舊壩體連接構造

基于高韌聚酯有紡土工織物， 本工程在設計應用過程中研制了一種新型新舊壩體連接構造， 目前該成果已成功申請發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構在舊壩體坡面設置有一定長度、 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伸出， 上下兩側土工織物即埋設在新壩體內作為加筋材料， 此外， 由于錨桿表面積較小， 為增加與壩體填料的摩擦， 可設置定位孔， 并在孔內澆筑混凝土以增加錨桿與周圍土體粘聚力。 南部擋壩在設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土工織物及新型壩體連接結構對壩體穩定性的作用， 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， 采用摩爾-庫侖強度公式作為計算準則， 采用總應力法進行計算。

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(相當于絕對高程180m）。 由于填埋場設有完善的主滲濾液及次滲濾液雙重收集系統， 原則上不存在也不允許垃圾堆體及壩體內發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的， 采用“Anchor”模塊對于新舊壩體連接結構進行建模， 為模擬錨桿與土工織物之間的橫向拉結作用， 將每相鄰兩層土工織物與一根錨桿連接的設計模型簡化為一層土工織物對應一根錨桿，相應地， 將錨桿豎向間距由設計的1m 調整為計算模型中的0.5m， 且由于錨桿的設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 計算參數及工況

表5 為壩體及垃圾堆體的力學參數取值， 其中為保守起見， 土工織物參數值按設計值或實驗值基礎上折減80%， 取其軸向極限抗拉強度分別為 88kN 和 160kN， 粘結面摩擦力為 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定性計算分析。

表5 壩體及垃圾體力學參數Tab.4 The geomechanical parameters of the dam and the garbage

4.3 計算結果分析

1.整體穩定性安全系數

正常使用條件下壩體整體穩定最小安全系數(即臨界值）為1.327， 地震條件下最小安全系數(即臨界值）為1.155， 兩者均滿足最小安全系數要求[14]。

2.加筋體應力分布特點

綜合分析兩種工況下各潛在滑動面中加筋材料的應力分布特點， 發現在正常工況下安全系數為1.327(即臨界值）時， 分布在新壩面下游的加筋體應力達到最大值155.49kN， 設計選用抗拉強度為160kN/m 的 PET3500 土工織物， 則對應的強度發揮程度達155.49kN/160kN =93.67%；在安全系數為1.440 時， 分布在新壩面上游的加筋體應力達到最大值78.96kN， 此時PET1300 土工織物強度發揮程度達78.96/88 =89.73%。 可見， 加高后的壩體要達到穩定對加筋體的抗拉強度有很高的要求， 選取高韌聚酯有紡土工織物作為加筋體優勢明顯， 在壩身不同部位對加筋體進行分區設計有利于充分發揮土工織物的強度性能。

3.壩體監測結果

該工程于2018 年3 月順利通過竣工驗收，截至驗收結束時， 壩體水平位移的累計變化量在+6.8mm ～ -24.8mm 范圍內， 未超出設計報警值( ±50mm）； 最大位移點期間平均位移速率為-0.070mm/d， 所有監測點水平位移速率均小于設計報警值( ±3mm/d）， 滿足有關規范及工程要求。

5 結語

本文以某大型垃圾填埋場為例， 從設計到施工較為完整地介紹了高韌聚酯有紡土工織物在高陡土石壩加高過程中的應用， 實踐證明該類土工織物高強的抗拉性能可為壩體穩定性提供有力保障。 基于土工織物的新舊壩體連接構造， 有利于提高新舊壩體連接面的抗滑穩定性， 可供類似工程參考。