垃圾池抗侧力体系分析

张文斌， 于德广， 宋 飞

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 概述

近年来随着城镇化发展和环保要求的不断提高、垃圾焚烧发电行业得到了迅猛的发展，大量的垃圾焚烧发电厂如雨后春笋迅般速建成投产运营。与此同时，既有垃圾焚烧发电厂焚烧负荷加大，多为超负荷运行，致使很多垃圾焚烧发电厂垃圾池内大量堆载，得不到及时的处理。垃圾池承担着调节垃圾进量和发酵垃圾的双重功能，是垃圾焚烧发电厂的核心构筑物。由于我国目前阶段垃圾分类不够发达，大量餐厨垃圾混进垃圾池，池内含有大量渗滤液，垃圾池一旦发生破坏和渗漏，必将产生严重的、恶劣的环境污染事件。因此，设计过程中应对垃圾池倍加重视。图1为某垃圾焚烧发电厂垃圾堆载情况：按设计，垃圾堆存平均高度为7 m，实际使用中，垃圾堆存最大高度达到24 m。

图1 某垃圾焚烧发电厂垃圾堆载现状

1 池壁承受的水平推力

按文献[1]的要求，垃圾池荷载可按满水容积，水密度按1 000 kg/m3计算。垃圾池垃圾池有效容积以卸料平台标高以下的池容积为准。可考虑在不影响垃圾运输车卸料和垃圾抓斗起重机正常工作的条件下，采取在远离卸料门或暂时关闭部分卸料门的区域，提高垃圾存储高度，增加垃圾储存量的措施。

根据某项目试验资料，垃圾堆积密度2.5 m高度以内部分(自顶部往下计)按0.3 t/m3，2.5～7.5 m部分按0.4 t/m3，7.5～12.5 m部分按0.5 t/m3，12.5～17.5 m部分按0.8 t/m3，超过17.5 m部分按1.0 t/m3考虑；且要求卸车平台以下部分不小于1.0 t/m3；垃圾内摩擦角按55度考虑。垃圾对池壁的水平推力按照主动土压力计算。

以一个地上24 m，地下6 m的垃圾池为例，在扣除回填土土压力之后的垃圾对侧壁的水平推力，在池壁底部部位达到93 kN/m2(如图2所示)，大致相当于10 m高的挡土墙的墙背土压力数值。不同的是，垃圾池高度更大，水平推力产生的弯矩效应更加明显。

图2 某项目垃圾池所受水平推力

2 垃圾池的抗侧力体系

垃圾池具有水平和竖向传力的双重抗侧力体系。

竖向抗侧力体系：在池壁后侧构造竖向抗侧力体系——扶壁框架，扶壁框架由两排框架柱和3～4层框架梁形成。垃圾池池壁承受水平推力，水平推力经过池壁传递给扶壁框架，扶壁框架将水平力传递给基础。之所以采用扶壁框架而不是像扶壁是挡土墙一样采用实腹扶壁构件，是为了满足墙后的设备和管道布置需求。

水平抗侧力体系：由0 m地坪、7 m、14 m、21 m标高楼板构成，楼板的长度即为垃圾池长度，楼板宽度同扶壁框架跨度。根据垃圾池储量的不同，垃圾池的长度有所不同，最大可达60～70 m。楼板的宽度可达7～8 m，楼板宽度与长度的比值约为1/10左右，在采取适当的构造措施之后，承受水平荷载时，此楼板具有较好的刚度和承载力。垃圾水平推力经过池壁传递给楼板，楼板将水平力传递给垃圾池两端山墙，山墙将竖向荷载传递给基础。山墙具有较大的平面内刚度，可以做为楼板的水平嵌固端考虑。

水平抗侧力体系和竖向抗侧力体系组合起来同时发挥作用，如图3所示。水平抗侧力体系(楼板)刚度较大，为第一道防线；竖向抗侧力体系(扶壁框架)刚度较小，延性较高，为第二道防线。与框架抗震墙结构类似，墙和板的刚度大于框架的刚度。

图3 双重抗侧力体系组合示意图

3 垃圾池破坏的实例

早期设计的垃圾焚烧发电厂，垃圾量往往处于不够烧的状态，又没有相关标准提出要求，设计者很少考虑垃圾堆存较高的可能。随着近几年来垃圾收运量不断提高，垃圾池负荷不断增加，其水平承载力受到了严峻的考验。某垃圾焚烧发电厂7 m平台在水平推力的作用下发生剪切破坏。渗沥液出现渗漏。

图4 某项目垃圾池7 m平台开裂

工人在检修时发现楼板端部出现较大水平裂缝(如图4所示)，为了灌浆修补裂缝，工人对裂缝中压溃的混凝土碎渣进行清理，在清理过程中发生巨响，楼板进一步受剪破坏，同时框架柱发生剪切破坏(如图5所示)。破坏顺序验证了上文所述的“两道防线”的理论分析。楼板端部靠近山墙的部位(即水平传力体系支座部位)承担的水平剪力最大，而由于设备安装需要，此处楼板局部变窄，故而此处发生剪切破坏。楼板厚度100 mm，受剪承载力不足，是破坏的直接原因；按照一般的构造要求，板底钢筋伸入支座长度仅为5倍直径，不能充分发挥受拉强度，也导致了受剪承载力偏低。

图5 某项目扶壁框架柱(A柱)发生剪切破坏

此项目对楼板、池壁、扶壁框架、基础均采取了加固，不作赘述。由于垃圾源源不断的运至发电厂，运营很难中断，垃圾池无法卸载，加固过程十分困难，需要采取大量的临时措施确保安全。

4 设计中应采取的措施

设计中应充分估计使用中可能发生的堆载情况，准确估算结构承受的水平荷载。

充分发挥二重抗侧力体系的作用。楼板作为水平抗侧力体系，间距不宜过大，楼板间距一般控制在8 m以内为宜，如果楼板间距超过8 m，可在两层楼板之间设置水平桁架，水平桁架可由钢筋混凝土边框和型钢斜撑组合而成。楼板采取构造措施，厚度不宜小于180 mm，板顶板底配筋应双向连续布置，在支座和跨中均不宜断开，如断开应按照充分受拉要求进行接长连接。山墙作为楼板的水平支座，其与楼板应具有可靠的水平连接：可采取框架梁纵筋锚入山墙，楼板与框架梁可靠连接。山墙作为楼板的不动支撑点，应具有足够的厚度。

扶壁框架作为第二道防线，应该具有足够的截面尺寸，柱梁箍筋全长加密。

目前常用的结构设计软件对水平力的处理不够专业，建议采取有限元软件计算水平荷载作用下的内力，针对内力结算结果进一步采取构造措施。

5 结论

(1)垃圾池受水平荷载大，开裂后果严重且难于修复，设计中要充分重视，使之具有恰当的安全裕度。

(2)垃圾池设计应构造双重传递路径：楼板作为水平抗侧力体系，刚度较大，将水平荷载传递给垃圾池两端的山墙，是垃圾池的第一道防线；扶壁框架延性好，在楼板发生较大的剪切变形之后，仍能够承受竖向荷载，使结构不至于发生坍塌破坏，同时扶壁框架承担一部分水平荷载，将水平荷载传递给基础和地基，是垃圾池的第二道防线。

(3)楼板作为水平抗侧力体系，应采在板厚、配筋、节点等方面采取适当的构造措施。

(4)应采用有限元软件进行水平荷载下结构荷载效应的分析。