塑料排水板在山谷型安全填埋場軟土地基處理中的應用分析

李瑞華，黃 昱，張 寧

（1．中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074；2．廣西大學設計研究院，廣西 南寧 530004）

排水固結法適用于處理飽和軟弱土層，通過加載、內設塑料排水板等措施，使被加固土體中的孔隙水排出，有效應力增加，土中孔隙體積減小，密實度加大，土體強度得到提高，地基承載力也得到提高［1］。目前，塑料排水板固結法研究主要應用在港口、路堤、沿海灘涂地等軟基工程中［2-4］，且已積累豐富的經驗，但在山谷型填埋場庫底大面積軟基的處理應用甚少。軟基處理后，上表還需鋪設導流層和防滲層及堆填固廢，對堆載壓力下的地基變形沉降量及防滲HDPE膜抗拉伸應力安全性等有特殊要求的指標，需探討分析。地基處理方案對類似工程有一定參考價值。

1 工程概況

四川某安全填埋場位于龍泉山構造帶中段，龍泉山西坡，屬構造剝蝕淺切脊狀低山地貌，地勢四周高中間低，屬于山谷型填埋場。填埋庫區面積4．8萬m2，總庫容40萬m3，填埋廢物的密度約為1．5 t/m3。庫底面積1．2萬m2，標高為613～621 m；邊坡面積3．6萬m2，標高為621～634 m。最終填埋標高為641．5 m，平均填埋高度12 m，最大填埋高度21 m，見圖1。需處理的軟土層位于庫底，面積為9 740 m2，見圖2。

填埋場從底到頂結構為：軟土層地基、地下水導排系統、防滲系統、滲瀝液導排系統、廢物填埋、封場覆蓋系統。軟土層主要影響防滲系統的安全性和填埋堆體的穩定性，因此，需進行地基加固處理。

勘探揭示，庫底分布的土層至上而下為素填土、粉質黏土（可塑）、粉質黏土（軟塑）、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖、強風化砂巖、中風化砂巖。根據水文地質報告，地下水為埋藏于第四系砂、卵石層中的孔隙潛水，豐水期上層滯水水位埋深0．2～2．6 m，無統一水位標高；多年豐水期最高水位埋深約1．0 m，地下水位年變化幅度為1．5～2．0 m；地下水流向為124°左右，流速為9．8×10-7～1．5×10-6m/s。影響工程的土層為素填土、粉質黏土（可塑）、粉質黏土（軟塑）及全風化泥巖，其物理力學性質見表1。

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2 軟基處理

本填埋場底廣泛分布中高壓縮性粉質黏土，地基承載力和抗剪強度指標偏低。經對圖1進行堆體穩定性分析，在大面積堆載作用下庫底地基處于不穩定狀態，因此須對場底軟土層進行加固處理。

2.1 加固方案

根據本工程水文地質特點，將軟基加固方案定為：對厚度＜3m的粉質黏土采取換填措施，換填材料采用碎石土（碎石含量為20%～30%），壓實系數不小于0．93，換填頂高程為填埋場工藝設計高程；結合填埋場底設置的地下水導排系統和后續長期固廢堆填，對厚度≥3 m的粉質黏土采用塑料排水板堆載排水固結法。

1）鋪設砂墊層。先按縱橫3%左右的排水坡度進行庫底初平整，一方面清理表層植被和素填土，另一方面組織場地排水。地基處理區域回填300 mm的粗砂墊層，含泥量小于5%，滲透系數應＞1×10-3cm/s。

2）打設排水板。在砂墊層之上打設塑料排水板，間距1．0 m，三角形布置。塑料排水板應采取措施穿透可塑、軟塑粉質黏土，深度約3～9 m。塑料排水板打設采用套管式打法，套管下端應配置管靴。塑料排水板于砂墊層中預留長度不小于500 mm。其型號采用SPB-A型，性能符合《塑料排水板施工規程》及《公路工程土工合成材料塑料排水板（帶）》的要求，見表2。

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3）地下水導排系統。在場底砂墊層上滿鋪卵石導流層，厚度300 mm，粒徑30～50 mm；沿場底中心設置導排主盲溝，在主盲溝內埋設DN315 mmHDPE導排穿孔管；與主盲溝成45°或60°處，沿排水方向布置支盲溝，支盲溝水平間距20 m左右，內設DN250 mmHDPE導排穿孔管。導排主管穿擋渣壩后排入下游排水溝。

塑料排水板、砂墊層、卵石層、導流盲溝及HDPE穿孔管等構成豎、橫地下水排水系統，見圖3。在逐年的填埋固廢堆載壓力下，高壓縮性粉質黏土沿塑料排水板通道緩慢排水并固結，增強基礎抗剪強度和承載力。

2.2 沉降分析

2.2.1 塑料排水板計算參數

塑料排水板的排水固結采用砂井固結計算理論，塑料排水板的等效直徑dw換算：

式中：b為塑料排水板寬度，取100 mm；β為塑料排水板厚度，取4 mm；α為換算系數，無試驗資料時可取0.75～1.0，本工程取0.9。

式中：d為塑料排水板中心間距，取100 cm；α1為換算系數，正三角形布置時取1.05，正方形布置時取1.13。

2.2.2 固結度計算

塑料排水板進行地基加固時，總應力固結度由豎向和徑向應力固結度構成，其中徑向應力固結度占絕大部分。當地基土靈敏度較高、塑料排水板間距較小或打設深度較大時，徑向平均應力固結度應考慮井阻與涂抹效應的影響。針對本工程，固結度可不考慮豎向平均應力固結度和井阻與涂抹效應的影響，徑向應力固結度為：

式中：Ur為徑向平均應力固結度；t為固結時間（s）；Ch為地基水平向固結系數（cm2/s），根據勘察報告取2.0×10-4cm2/s；de為塑料排水板的等效換算直徑（cm），為105 cm；F（n）為井徑比因

經計算，固廢填埋半年時間，軟土層可固結子，50%以上；2 a以后，軟土層可基本固結好（95%以上）。

2.2.3 填埋堆載設計

根據危廢填埋作業工藝，每年填埋高度約2.0 m，廢物重度14.72 kN/m3，最終填埋標高620～641.5 m，軟土層上填埋厚度7～25 m。

2.2.4 最終沉降量計算

塑料排水板進行地基加固時，對于正常固結的地基，其最終豎向沉降量按各軟土層沉降量分層計算，軟土層沉降量按下式計算：

式中：Si為各軟土層最終豎向沉降量（m）；Ms為沉降計算經驗系數，取1.0［2］；a1-2為壓縮系數；e0為空隙比；H為土層厚度（m）；P0為土層自身應力（kPa）；ΔP為附加應力（kPa）。

經計算，擋渣壩1、2、3處軟土層最終沉降量分別為0.331（最大沉降量）、0.166、0.195 m；填埋區內4、5、6處最終沉降量分別為0.249、0.256、0.152 m。

2.2.5 沉降引起的HDPE土工膜拉應力

在本工程防滲系統中，雙層HDPE膜（1.5 mm和2.0 mm厚）是核心。當土工膜下面發生沉降而其上又有覆蓋土層或堆載時，堆載引起的力具有空間性，這將導致一定的拉伸應力。土工膜抗拉性能可由沉降引起拉伸應力的安全系數衡量［3］，計算如下：

式中：FSsub為土工膜抵抗由沉降引起拉伸應力的安全系數；σallow為三維軸對稱拉伸試驗測得的土工膜允許拉伸應力（kN/m2）；σreqd為沉降引起的土工膜必需拉伸應力（kN/m2）；D為沉降的深度（m），最大沉降量0.331 m；L為對稱軸到沉降上邊沿的距離（m），本工程約為60 m；γs為上覆堆載層的單位重度（kN/m2），本工程約為14.52 kN/m2；HCS為上覆堆載層的厚度（m），本工程最大沉降處厚度約為15 m；T為土工膜的厚度（m），0.003 5 m。

查圖4.4可得［4］，σallow最大值為24 000 kN/m2，12%屈服伸長率下的σreqd為22 500 kN/m2。計算可得，σreqd=13 732 kN/m2，FSsub=1.64＞1.2。

3 堆體穩定性分析

通過采用Bishop圓弧穩定法對最不利滑動面（見圖1）進行復雜土層穩定計算，軟土層處理前最不利滑動面：滑動圓心=（4.27 m，28.80 m）、滑動半徑=38.45 m、滑動安全系數=0.832；處理后最不利滑動面：滑動圓心=（4.27 m，34.13 m）、滑動半徑=43.87 m、滑動安全系數=1.204，見表3。

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4 結論

1） 本填埋場底廣泛分布中高壓縮性粉質黏土，對厚度＜3 m處采取換填處理方式，對厚度≥3 m處采用塑料排水板堆載排水固結法。較全區域換填和水泥土攪拌樁法，大大縮短施工周期和工程造價。

2）結合填埋場底的地下水導排系統，固廢填埋堆載2 a后軟土層可基本固結好；固廢填埋至設計標高時，軟土層的最終沉降量不超過0.35 m，防滲HDPE膜的允許拉伸應力遠大于由沉降引起的HDPE膜必需拉伸應力，滿足防滲安全要求。

3）軟土層加固后，保障了危險廢物填埋堆體的穩定安全。填埋場底設置的地下水導排系統和后續的危險固廢填埋堆載，為塑料排水板排水固結軟土地基創造了良好的條件。

［1］梅國雄，徐鍇，宰金珉，等.真空預壓加固軟土地基變形機理的探討［J］.巖土工程學報，2006，28（9）：1168-1172.

［2］GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范［S］.

［3］Koerner R M，Hwu，B L.Stability and tension considerations regarding cover soils on geomembrane lined slopes［J］.Geotext Geomembrane，1991，10（4）：335-355.

［4］錢學德，施建勇，劉曉東.現代衛生填埋場的設計與施工［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.