危险废物填埋库的结构设计

唐洁

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

危险废物填埋库的结构设计

唐洁

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

文中通过工程实例，对危险废物填埋库的刚性、柔性和刚柔结合等三种结构设计的方案进行比选，分析其各自的优缺点，并对选出的刚性方案进行了分析探讨。

危险废物；填埋库；结构设计

1 场址条件

南京市危险废弃物处置中心是南京市第一个集中控制危险废物污染的区域性设施，该中心填埋场场址位于南京市六合区。场地总体上呈“三残丘夹三洼地”形态，中间高四周低、西侧高东侧低分布，最高处为场地西北团山，标高45 m左右，其他残丘顶标高35 m左右，最低处为场地东边劈洪河，标高10 m左右，一般地面标高15～25 m左右，为低丘陵区。

1.1 土层的特征与分布规律

地质构成自上而下可分为：

1A层，粉质粘土：可塑状态，中压缩性。地基土承载力特征值为120 kPa。

1B层，粉砂：砂质均匀，中密，中压缩性。地基土承载力特征值为140 kPa。

2A层，粉质粘土：硬塑状态，中压缩性。地基土承载力特征值为220 kPa。

2B层，粉质粘土：土质较均匀，可塑状态，中压缩性。地基土承载力特征值为160 kPa。

2C层，粘土：硬塑状态，中压缩性。地基土承载力特征值为220 kPa。

3层，粉质粘土：可塑状态，中压缩性。地基土承载力特征值为220 kPa。

4A层，强风化砂质泥岩：局部为泥岩。岩芯呈土状或碎块状，手折易断，遇水易软化。地基土承载力特征值为350 kPa。

4B层，中风化砂质泥岩：局部为泥岩。裂隙较发育，岩芯较完整，呈短柱状，遇水易软化。地基土承载力特征值为1 200 kPa。

场地内各土层的物理力学性质指标1A、1B层一般，其余地层均较好。2A、2B、2C、3、4A、4B层均是建（构）筑物良好的基础持力层。

1.2 地下水位

孔隙潜水的稳定水位埋深在0.60～5.20 m之间，水位高程随地形起伏变化。该水位随季节变化而变化，年变幅一般为1.0 m左右。

1.3 土层渗透性

场地粘性土层渗透系数在10-6～10-7（cm/s）之间，属微～不透水层，场地1B层粉砂属弱透水层。

2 填埋库方案比选与确定

2.1 刚性方案

刚性填埋库为半地下式结构，采用19个容积为（45～34.4）m×45 m×6.7 m钢筋混凝土仓组成，填埋库填埋废物深度6.2 m。该方案满库填平（与填埋库侧墙墙顶齐平）总有效容量为23.12万m3，占地（含库区道路）50 232 m2。该方案各方面优缺点如下：

1）单位库容占地：0.217 m2。

2）单位库容建设费用：较大。

3）施工难度：相对较复杂。

4）填埋作业：填埋作业较方便，且通过填埋库分隔进行分区填埋，减少地基不均匀沉降。

5）渗滤液处理：可搭设防雨设施，减少地表水及渗沥液的处理量，从而减少废水处理设施规模和费用；且遮雨棚面积较小，雨棚支座基础在厚实的钢筋混凝土池壁上，便于施工、安装、拆迁。

6）防渗系统可靠性：强度高、可适用于水文地质条件较复杂场地的优点，结合高密度聚乙烯防渗膜的铺设，可达到很好的防渗性能，安全可靠，防渗膜在露天裸露时间相对不长。

7）预处理：非反应性和易燃性的危废可不进行预处理直接入库，不受浓度限值，降低了预处理和填埋作业复杂度。

8）运行维护：钢筋混凝土格仓分格面积较小，易于维护。

9）遮雨棚：网架遮雨棚面积50 m×50 m，费用相对较低，二期拆移相对较方便。

2.2 柔性方案

柔性填埋库充分利用现有场地，采用下挖斜坡式+粘性土围堤的结构，填埋库底高程20.00 m，库深9 m，坝顶高程为29 m，坝顶宽6 m，填埋库边坡1∶3。该方案满库填平（与填埋库新筑坝顶高程齐平）总有效库容为16.3万m3，占地57 962 m2。该方案各方面优缺点如下：

1）单位库容占地：0.356 m2。

2）单位库容建设费用：适中。

3）施工难度：相对较易。

4）填埋作业：运输车直接进场，填埋操作难度不大。分区填埋，地基易产生不均匀沉降，易造成防渗膜破坏。

5）渗滤液处理：修建防雨措施较为困难，地表水及渗沥液处理量大。为防止雨水进入库内，需建大网架遮雨棚。为减少雨棚跨度，库内需设支柱基础，从而易于产生不均匀沉降变形，防渗膜受拉，一旦出现防渗膜拉裂，将产生渗漏事故。若不建造防雨设施，则渗滤液产生量较大，后期污水处理量加大，需要新建事故池+调节池以及渗滤液处理设施，填埋作业难度和总体运营费提高。

6）防渗系统可靠性：地下水位应在不透水层3 m以下，满足规范要求的水文地质条件要求较高。对防渗膜的焊接质量要求较高，质量控制较困难，一旦拉裂，将产生较为严重的渗漏事故。

7）预处理：浓度超过限值或者盐类危废必须预处理方可入库。

8）运行维护：大面积库底防渗层长期裸露，维护保养难度大。若分区填埋，地基易产生不均匀沉降，易造成防渗膜破坏。

9）遮雨棚：网架遮雨棚面积125 m×155 m，费用高，拆移难度大。

2.3 刚柔结合方案

刚柔结合方案（挡墙+柔性方案）采用下挖斜坡式+钢筋混凝土直立挡墙的结构型式，填埋库分为上下两部分，上半部分采用刚性结构的混凝土挡墙稳定侧面结构，墙高深度为3 m，墙底向库内延伸出2 m宽平台。下部为下挖斜坡式柔性边坡和库底结构，填埋库边坡1∶3。该方案满库填平（与填埋库挡墙墙顶齐平）总有效库容为31.3万m3，总占地59 856 m2。该方案各方面优缺点如下：

1）单位库容占地：0.191 m2。

2）单位库容建设费用：较小。

3）施工难度：介于刚性方案与柔性方案之间。

4）填埋作业、渗滤液处理、防渗系统可靠性、预处理、运行维护、遮雨棚：同柔性方案。

2.4 方案比选结果

综合考虑场地安全性、水文地质条件、渗滤液处理量、填埋作业方式、工程量及工程投资等因素，认为刚性方案、柔性方案和刚柔结合方案各有利弊。但考虑到该工程场地条件和地质条件，受西侧较高的地势影响，该场地地下水位较高，柔性库底防渗层受地下水顶托，易被击穿破坏（国内已投入运行的危险废物填埋场，发生过柔性库底防渗层被击穿破坏的案例）；有关文献资料亦表明，柔性填埋场防渗层均有较严重的破损渗漏现象。

为防止危险废物对环境造成的污染，危险废物填埋场的防渗要求要比普通填埋场高，而该工程刚性方案在安全性能和运行便利性能等方面具有不可替代的优势，因此选用刚性方案。

3 刚性方案的结构设计要点

3.1 填埋库的平面尺寸

共拟建19个填埋库，平面上为1个独立的库，或者3个、2个独立的填埋库联成一排，共8个单元。三个库平面外型最大尺寸为142.2 m×51 m（长×宽，下同）。边库48.3 m×51 m，中库46 m× 51m，填埋有效平面尺寸为45 m×45 m。中库与边库之间设沉降缝。填埋库除中库与边库之间设隔墙外，四周为边墙。

3.2 填埋库的深度

根据国内已实施且已投入运行的危险废物填埋处置中心的运营经验，填埋库深度不宜太深，如果太深，增加填埋作业的难度，填埋库深度以6～7 m为宜；根据该工程地质条件，若基坑开挖太深，基坑支护难度较大，且费用较高。因此，填埋库深度取6.70 m。

3.3 填埋库侧墙、隔墙结构型式及尺寸

根据填埋库侧墙和隔墙高度，墙后回填土高度（挡土高度为6～7 m），填埋库外侧墙和内隔墙均采用悬臂式钢筋混凝土挡墙型式，设计外侧墙厚0.40～0.90 m，内隔墙厚0.40～1.00 m。底板为筏板结构，厚0.70 m。

3.4 填埋库的基础处理

基底主要承受的荷载，为开始使用至未填满前，雨季连续降水时引起的部分地表水下渗造成的上浮力以及侧墙外侧回填土引起的底板底部上抬荷载，待填埋库填满并逐步堆高封场后，基底由承受上抬力逐渐转变为受压状态。另外填埋库基础落在2B层、2C层、3层、4A层和4B层土等不同土层上，将影响底板产生不均匀沉降。

承载力：填埋库满库时基底压力为148Kpa，地基土承载力满足要求。

沉降：对于沉降不满足要求的填埋库，进行地基加固处理，采用素混凝土换填和钻孔灌注桩加固地基方案。填埋库底板与4A、4B层之间的土层（3层、2B层和2C层土）其厚度小于2 m，考虑采用素混凝土换填，大于2 m的采用φ600 mm的钻孔灌注桩处理，桩长5.5～11 m。

抗浮：填埋库空库时基底应力为40 kPa，小于最大浮力67 kPa，因此要采取抗浮措施。按照填埋库有桩基和无桩基两种分别采取抗浮处理措施。未进行桩基处理的填埋库抗浮措施采用φ30锚杆伸入基岩锚固。已进行桩基处理的填埋库，桩基承受抗拔力，单根桩允许的拔力为295.32 kN，大于单根桩承受的上拔力168.75 kN。

3.5 填埋库渗滤液、地下水收集

为满足填埋库使用以后渗滤液的收集与排放，各填埋库两侧墙外侧中心线位置分别设置膜下集水井及膜上集水井。填埋库底部在平面上设置坡向中心线的斜坡找平层，坡度为1%，渗滤液通过中间形成的深0.12 m的凹槽内的排水通道流向设在填埋库侧墙外的渗滤液集水井。再通过泵收集至污水处理池。

为了及时排除库底板以下由于降雨渗入到地下的渗水，在两端边库外侧紧接端部侧墙的中心线位置各布置一个地下水集水井。基底采用D 30编织袋装碎石组成排水系统，地下水收集至集水井，再经自流（或泵）排到区外，以减少地下水对底板的不利作用。墙后回填土表层0.50 m采用三合土，以减少地表水的下渗。

3.6 填埋库混凝土材料、结构要求

按照（GB-50046-2008）《工业建筑防腐蚀设计规范》第4.2.3条、第6.1.4条规定，在腐蚀性等级为“强”的环境下，结构混凝土强度等级C40，设计取混凝土强度等级C40；墙身、底板均采用抗渗防水混凝土，抗渗等级为S8。同时考虑到填埋库为薄壁开敞结构，除一个库运行外，其余填埋库均要在建成后几年依次才能运行，为确保填埋库的耐久性，混凝土抗冻等级采用F100。

按照现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》第第4.2.4条、第4.2.5条规定，在腐蚀性等级为“强”的环境下，裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度允许值0.15 mm。混凝土保护层最小厚度板墙35 mm，基础50 mm（地下室外墙及底板）。

相邻填埋库之间设置伸缩缝，缝宽20 mm，底板和墙身均设置两道止水。

对临土侧墙身、底板采取有效的防护措施（掺入耐腐蚀材料、表面涂刷防腐蚀涂料层等）。

3.7 填埋库超长结构处理措施

填埋库单库外形平面尺寸最大为48.3 m×51 m，长、宽均超过现行有关钢筋混凝土结构规范规定。而缩短平面尺寸，在经济上又不合理。设置伸缩缝或施工后浇带或膨胀加强带等措施可保证填埋库的整体性和强度要求。设置伸缩缝结构虽可行，但给防渗处理增加困难；施工后浇带可以解决混凝土收缩、混凝土初凝产生水化热而出现的裂缝，但施工程序复杂、工期延长。

为解决混凝土收缩变形，填埋库采用UEA补偿收缩混凝土，以膨胀加强带实现连续浇筑超长防水结构的新方法，采用连续式的无缝设计和施工方法。

该方法的原理是在结构收缩应力最大的地方给予相应较大的膨胀应力补偿。具体做法，UEA加强带的宽度约2 m，加强带之间适当增加15%～ 20%水平构造钢筋，带的两侧分别架设密孔铁丝网，防止混凝土流入加强带。施工时，先浇带外微膨胀(初定掺10%～12%UEA)混凝土，浇到加强带时，改为膨胀混凝土(初定掺14%～15%UEA)，该处混凝土强度等级比两侧混凝土高约0.5 MPa，如此连续浇筑下去。

4 结语

南京市危险废弃物处置中心填埋库工程分期实施，其中一期刚性方案填埋库已于2009年完工，投入运营近几年来，运行良好。

填埋库的设计应该因地制宜，在保证库体自身结构安全的情况下，还要根据综合场地安全性、水文地质条件、渗滤液处理量、填埋作业方式、工程量及工程投资等因素合理设计。

桩号 断面流速/（m · s-1）3 0 0 0 m3/ s 5 0 0 0 m3/ s 0 + 1 3 0 1 9 . 7 9 2 1 . 3 4 0 + 2 9 0 2 2 . 3 5 2 5 . 7 9

3.4 紊流流场特性

由于水库地质条件较为特殊，使得设计溢洪道体型结构较为复杂。主溢洪道包含收缩段、陡槽段、挑流鼻坎等多个建筑部分，并且陡槽段的底板坡度变化较大，使得流场变化显著，并具有较强的三维流场特性。模拟结果显示，溢洪道上游水流流速较为均匀，但自通过溢流堰位置水流速度明显增加，流场也发生显著变化。在溢洪道收缩段水流速度矢量十分紊乱，并在陡槽段形成急速的下泄情况。模拟得到收缩段x=25 m断面横向流速分布情况和局部的纵向流速分布情况，观察得到收缩段区域水流发生横向环流。同时，溢流堰下游上部水流的速度有负值，这可能导致水流发生翻滚，并出现回流漩涡。不良水流运动形式的存在会造成水能能量的耗散，但鉴于其分布区域及发生程度较小，故不会对溢洪道正常运行造成较大影响。

4 结语

水库泄量的变化可能造成原有水工建筑物表现出较强的不适应性，会对水库的安全运行造成影响。大伙房水库溢洪道除泄流能力不满足现状水库泄量，且溢洪道部分水工结构及附属配套设施老化破损严重，亟需进行除险加固。对新设计溢洪道方案模拟得出，溢洪道在不同泄量情况下，溢洪道内水流流态特性较为理想；在高泄量情况下，溢流堰堰顶水流可能发生翻滚和回流漩涡，但仍在安全允许范围内，表明溢洪道体型及参数符合工程设计要求。在实际应用中，除对溢洪道进行加固改建之外，还需结合运行水库需求改善管理方式，保证水库的安全与高效运行。

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[收稿日期]2016-05-13

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1002－0624（2016）11－0011－04

2016-08-05