某碾压式土石垃圾坝的设计及施工总结

　　【摘要】：通过对禹州碾压式土石坝在垃圾填埋场中的特点，总结土石坝设计、选型、计算及施工，供有关设计人员参考。
　　【关键词】：碾压式土石坝；垃圾填埋场
　　一、项目概况
　　垃圾卫生填埋场在国内修建时间还不长,针对于填埋场的土石坝设计方面的技术资料还较少,在土石坝设计与施工中,基本采用水工行业的规范及标准。但由于拦挡物的不同,两者的设计也有所不同。水工坝主要用来挡水,所以设计中必须考虑坝体防渗,考虑渗流的作用。而填埋场中土石坝主要用来挡垃圾(固体废弃物),一般不考虑水的渗流作用。填埋场防渗一般有两种方法,垂直防渗和水平防渗。在垂直防渗体系中,坝体的工作状态基本同水工坝,地基一般需经过帷幕灌浆处理。但由于卫生填埋场防渗标准很高(要求防渗系数≤10-7cm/s),帷幕灌浆很难达到如此高的防渗标准,因此在填埋场的设计中采用单纯垂直防渗的已经很少了,而主要采用水平防渗的方法。水平防渗层将垃圾渗滤液与坝体隔开,而且填埋场中往往设有良好的地下水导排系统,坝体在计算中可不考虑渗流的作用。
　　现结合禹州市生活垃圾无害化处理工程来浅谈一下垃圾填埋场中土石坝的设计、计算及施工。
　　选择谷底填埋可减少对环境的危害，充分利用有限的土地资源，减少占耕地面积，禹州市垃圾填埋场就选择了谷底填埋。为了增加垃圾库容，需要在低凹处设置垃圾坝来拦挡垃圾，其根据材料的不同主要分为碾压式土石坝、混凝土坝、浆砌石坝等。
　　本场址选择在浅井乡花果岗，距市区中心约10km，南临县道禹浅公路，场区地形起伏较大，总趋势为西、北、东三侧高，南侧低凹，地貌单元属丘陵，西、北、东侧为梁，中间为沟谷，由北向南呈阶梯状依次降低，且越往南越开阔，其形态为簸簯状“U”型谷，自然边坡一般在20～40度不等。场区东南部发育有较大的“V”字型深沟，宽约数十米，故在低凹处要设置垃圾坝来拦挡垃圾，在以上几种坝形中,碾压式土石坝在谷地填埋的垃圾卫生填埋场中得到广泛应用。主要有以下原因:①可以就地、就近取材,充分利用当地材料筑坝；②较易适应各种不同的地形和地质条件,一般不良的坝址地基,经工程处理后均可修筑;③机械化设备的大量使用,提高了土石坝的施工质量,且施工工序较简单,一般只有采挖、运输、碾压三道工序;④设计手段的提高,完善了设计的科学依据,提高了土坝设计的安全可靠性;⑤工程造价较低。
　　经过勘察拟建场区地层主要由第四系全新统堆积物、上更新统堆积物及中更新统堆积物组成，各土层主要特征如下：
　　第1层粉质粘土：黄褐色、褐色，稍湿，可塑，夹有少量碎石、砾石及钙质结核。该层在场区局部分布，厚约0.60~6.90m。地基承载力特征值fak=110kPa。压缩模量5.50Mpa。
　　第2层含粉质粘土碎石：灰褐色、黄褐色，稍湿，松散，主要以碎石为主，碎石含量约占（40～60）％，粉质粘土含量约占（30～40）％，该层主要分布于场区西部，其厚度一般为0.50～1.60m。地基承载力特征值fak=200kPa。压缩模量10.50Mpa。
　　第3层含碎石钙质粉质粘土：灰白色、棕红色，稍湿，硬塑状，局部呈半胶结状态。含大量灰白色钙质团块，钙质含量高，约占30%左右，碎石含量约占（15～30）％左右，粉质粘土含量约占（50～60）％，主要分布于场区西部，其厚度一般为0.60~3.00m。压缩模量19.5Mpa，地基承载力特征值fak=230kPa。
　　第4层含粉质粘土碎石：浅棕红色、棕红色，稍湿，中密～密实，碎石含量约占40～60％左右，粉质粘土含量占20～30％，该层在场区东南地段缺欠，其余地段均有分布，其厚度一般为0.40~4.70m，压缩模量23.5Mpa，地基承载力特征值fak=260kPa。
　　第5层含碎石钙质粉质粘土：红褐色-棕红色，稍湿，硬塑-坚硬，含有大量灰白色钙质团块和铁锰质结核，碎石含量约占（20～30）％，该层场区内均有分布，其厚度一般为0.80～5.30m。压缩模量18.50Mpa，地基承载力特征值fak=280kPa。
　　禹州市垃圾填埋场坝体曲线分布如下图所示：
　　二、土石坝设计
　　根据垃圾处理场的垃圾填埋量的要求，场地需要下挖到第4层，第4层承载力及压缩模量较高，符合填埋场地基要求，上层土则可利用做垃圾土石坝填筑材料。因垃圾坝没有现行的规程，故本工程的土石坝参照中华人民共和国行业标准《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）设计。垃圾卫生填埋场土石坝的设计内容主要包括:坝型选择、材料选择、坝体结构、坝基选择、坝体与岸坡的连接等。
　　1、坝型选择
　　一般可分为均质坝、土质防渗体分区坝和非土质材料防渗体坝。高坝多采用土质防渗体分区坝，低坝多采用均质坝，从天然筑坝材料来看，优先采用均质土坝，均质土坝具有施工方便，有利于机械化施工，施工工期相对较短，施工质量容易控制，工程投资相对较省。
　　2、材料选择
　　筑坝材料的选择应遵循以下原则：
　　a.具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性。
　　b.就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，并优先考虑开挖料的利用，但膨胀土、地表土不宜采用。
　　c.便于开采、运输、压实。
　　料场开采或枢纽建筑物的开挖料原则上均可直接作为筑坝材料，或经处理后用于坝的不同位置，但沼泽土、膨润土和地表土不宜采用。根据本工程地基情况，土料可采用粉质粘土。
　　3、坝体结构
　　土石坝按高度可分为低坝、中坝和高坝，高度在30m以下为低坝，在30～70m为中坝，在70m以上为高坝。本工程垃圾坝最大坝高约15m，属于低坝，根据经验初定坝坡为1：2，坝面可根据土石坝的用途、坝面是否有覆盖物等因确定不同的防护方式。填埋垃圾一侧的坝面因上覆防层,可仅做压实土层防护;长期暴露的坝面应做坡面防护,根据重要性可选择植草防护,干砌石防护,预制板铺砌等,为防止坝体材料流失,应做反滤层。
　　坝顶宽度根据构造、施工、运行和抗震等因素，高坝顶部宽度可选用10～15m，中、低坝可选用5～10m，本工程考虑到将土石坝顶作为运输或巡检通道,则坝顶为6m。
　　粉质粘土采用分层压实填筑，坝体的施工参数应通过现场土料的碾压实验确定，筑坝碾压时土料的含水率应在试验确定的最优含水率的-2％～+3％范围内,压实后土料干容重应大于16kN/m3,内摩擦角不小于17.60，凝聚力不小于24.5kPa，根据《碾压式土石坝施工规范》SL274-2001的要求及现行国家其它有关施工验收规范的要求：压实系数不小于0.96。
　　4、坝基选择
　　土石坝既可建在岩基上，也可建在土基上，对于地基的强度和变形的要求，比其他形式的坝要低但地基中若有不良情况，应进行地基处理，本工程土石坝以第4层土为持力层，承载力比较高且无不良土质，满足设计要求。竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1％。
　　5、土石坝与岸坡的连接
　　坝体与坝基及岸坡的连接必须妥善处理，连接面不应发生水力劈裂和邻近接触面岩石大量漏水，不得形成影响坝体稳定的软弱层面，不应由于岸坡形状或坡度不当引起不均匀沉降而导致坝体裂缝。坝体与边坡连接处，坝断面范围内必须清除岸坡上的草皮、树根、含有植物的表土、蛮石、垃圾及其他废料，并将清理后的岸坡表面土压实。
　　三、土石坝计算
　　垃圾填埋场的稳定计算包括两个部分，其一是垃圾堆体的边坡稳定性，其二是阻挡垃圾填埋体的垃圾挡坝的坝基稳定性和坝坡的稳定性。本工程采用黄河勘测规划设计有限公司与河海大学工程力学研究所联合研制的土石坝稳定分析系统HH-Slope软件进行计算，计算时，各土体的物理力学指标不同，将坝体、填埋垃圾和坝基一并计算，程序计算出最危险的滑裂面及最小的安全系数。
　　根据国内外对固体废弃物有关力学参数的研究成果，影响填埋垃圾粘聚力c和内摩擦角φ的因素较多，值的变化范围也非常大，结合本工程的实际情况，填埋垃圾的容重为10.5kN/m3，填埋垃圾抗剪强度参数采用如下数值：c=30KPa;φ=30°
　　计算结果：坝正常运用期坝坡抗滑稳定性系数为K=2.3415＞【K】=1.25；非运行条件（即正常运行条件+地震）坝坡抗滑稳定性系数为K=2.2405＞【K】=1.10，均满足要求。
　　坝体见垃圾坝坝体剖面一~四：
　　图中数字为相应点的坐标及拟建垃圾坝的坝顶标高
　　坝体剖面图中除标高单位为米(m)外,其余均为毫米(mm)，垃圾坝剖面图中坑底标高为坑底最低处的数值，其它部位数值是变化的，但是任何部位的边坡坡度均为1：2。
　　四、土石坝施工
　　土石坝过程在施工中应从以下几个方面进行控制：
　　①做好基础处理，必须万无一失。很多大型土石坝，必须要满足坝基承载力及基础防渗的情况下，完成基础处理的稳固后，方可进行填筑施工。
　　②掌握当地地质、水文气象资料，控制好施工工期的季节性土石坝对水文气象的因素极为敏感，在雨季，土料的含水量影响极大，直接制约着大坝填筑，施工强度将受到影响；冬季，土料上冻，如不采取积极措施，也无法进行填筑，且冬雨季填筑施工，存在着高投入、低产出的窘境。对于雨期的施工，应编制具有针对性的施工方案。
　　③确保工程所用料场开采土、石料的材料质量料场对土石坝的重要性不言而喻，却也是最容易影响土石坝顺利填筑的软肋。根据工程实践，一般而言，料场的地质勘探工作深度远不如坝址，特别是填筑量最大的堆石料，往往仅靠几个探洞或地形勘查进行地质描述，进场后，与招标文件发生变化的可能性很大，无法形成大规模开采（或台阶开采）条件，直接影响坝体填筑级配是否得到保证。因此，完善而慎重地进行料场复查及复勘工作显得尤为重要，搞好料场复查和储量计算，做到心中有数。
　　④碾压试验也是非常重要的一项工作。对土石坝而言，碾压试验是填筑前最为重要的技术参数论证工作，也是确定土石坝能否顺利填筑及确保坝体安全的重要环节。碾压试验工作的好坏，直接影响坝体的填筑。为确保土石坝填筑质量，土石坝工程的施工必须要求进行试坑取样，只有在填筑面碾压合格并能过验收后方可进行上一层填筑。
　　⑤确定合理的坝面分区，是填筑工作施工的关键由于土石坝体型较大，为坝面分区流水作业提供了必要的场面，土石坝工程一般在填筑工序上分为铺料、摊铺、洒水、压实、质检等工作。
　　土石坝施工：
　　七、结束语
　　土石坝由于有就地取材、适应性强、造价低廉、施工简单等优点，在垃圾填埋场中被广泛应用，在设计中应注意相关参数的选取，施工中应注意控制好土石坝的边坡稳定及压实系数并做好记录。
　　

《某碾压式土石垃圾坝的设计及施工总结》

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