危險廢物剛性填埋庫結構設計淺析

李 硯

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

填埋處置是目前危險廢物最終處置一個重要組成部分。發達國家目前危險廢物填埋量占其工業廢棄物產生總量的比例分別為美國75%、英國60%、聯邦德國72%、比利時62%、荷蘭和法國各50%、日本3%。

2020 年之前，我國危險廢物填埋場建成數量超過100 個，絕大部分填埋場是柔性填埋場，其中很多填埋場的選址、設計、施工、運營沒有從滲濾液控制的三重屏障（防止產生、避免滲漏、控制擴散）的角度去實施[1-2]。根據中國環境科學研究院2014 年的統計結果，平均每公頃漏洞數量達17 個，相當一部分的漏洞較大，填埋場滲漏現象普遍。

中國環境科學研究院主持修編的《危險廢物填埋污染控制標準》（GB 18598—2019）（后簡稱《標準》）在2020 年開始執行。《標準》提出危險廢物處理技術的發展趨勢是將廢物進入循環，包括社會循環（資源再生）和自然循環（生態循環）。因此，需要改變危險廢物填埋的定位，將危險廢物填埋的最終處置功能轉變為資源貯存功能，并保證在其有限壽命期內的環境安全性。

具體來說，《標準》要求新建剛性填埋庫由若干填埋單元組成，各填埋單元彼此獨立，每個填埋單元面積不大于50 m2，容積不大于250 m3，并且可目視檢測填埋單元是否發生滲漏[3]。填埋單元內根據廢物情況，選擇適宜的防滲防腐材料。

《標準》對危廢填埋庫運行提出“安全保證期”的概念，要求運行者制定并有效實施在“安全保證期”后的應對方案，包括再生利用方案。危廢填埋處置并非最終處置措施，僅為對危險廢物的“有限期貯存”。

自《標準》開始執行，國內各產廢區根據相關要求建設的剛性填埋庫在填埋單元尺寸選型、鋼筋混凝土側壁和底板厚度、荷載取值和結構計算方面有較大差異[4-6]，本文將以鹽城某項目為例淺析剛性填埋庫結構設計。

1 工程概況

鹽城某項目設計填埋規模20 000 t/a，庫區占地面積約10 萬m2，總庫容約5 萬m3，主要處置對象為工業廢鹽。

擬建場地平坦，根據《標準》要求，將填埋庫設計為架空鋼筋混凝土池體結構。根據使用功能，填埋庫自下而上分為檢修夾層、庫區池體、填埋作業層。其中檢修夾層為結構柱支撐的架空層，滿足目視檢測滲漏需要；庫區池體為危廢填埋區，該項目庫區池體由204 個單元格組成，單元格尺寸6.8×6.8×5.41 m，結構平面間隔約40～50 m 設一道變形縫；填埋作業層設置雨棚和橋式吊車，運行時以橋式吊車作為填埋作業的主要吊運設備，將噸袋包裝的危廢吊運至指定單元格填埋。填埋庫豎向布置圖、平面布置圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 填埋庫豎向布置圖

圖2 填埋庫平面布置圖

2 荷載工況

2.1 危廢性質

根據現場取樣和室內實驗，鹽城項目填埋危廢平均含水率為1.62%，平均密度為1.29 g/cm3,黏聚力c=8.1 kPa，內摩擦角φ=14°。

2.2 填埋庫側壁壓力

為了檢測危險廢物對填埋庫側壁的實際壓力，設計現場實驗，選取空置的單元格，在距底板0.5 m、1.5 m、3.5 m 高度位置設置三組壓力傳感器，壓力傳感器粘貼在側壁防滲膜表面，如圖3 所示。在填埋廢物前后分別讀取數據，得到每個高度位置側壁所受壓力。

圖3 現場實驗壓力傳感器安裝情況

根據實驗結果繪制各側壁實測壓力-高度分布圖，如圖4 所示，與朗肯主動土壓力計算結果對比表明，實測值約為朗肯主動土壓力的1/2。

圖4 各側壁實測壓力

圖5 為填埋單元格內危廢對側壁壓力的受力分析，根據單元格尺寸構建原則，單元格平面尺寸L 和高度H 應滿足以下要求:

圖5 單元格尺寸分析圖

考慮到填埋單元格內空間有限，危險廢物堆體無法發生庫倫理論所確定的滑動面，因此不能按庫倫土壓力公式計算側壁壓力。

根據楊明輝等建立的有限范圍內土壓力模型，考慮應力偏轉對有限土體成拱效應的影響，側壁所受的壓力為危廢成拱效應的水平方向應力[7]。填埋廢物應力分析如圖6 所示。

圖6 填埋廢物應力分析

當0≤z≤H-btan θ 時（b=L/2），水平應力σh=

當H-btanθ＜z≤H 時，采用半數值法四階龍格庫塔求解。

由此得到遞推公式：

設Δz=0.1 m，利用式（1）計算有限范圍內土壓力，將計算結果與實驗實測值、朗肯土壓力、規范法計算結果比對，如圖7 所示。利用朗肯土壓力計算將高估危廢對側壁壓力約100%，導致在設計中產生浪費。按照《建筑地基基礎設計規范》計算有限范圍內土壓力時因未考慮0≤z≤H-btanθ 范圍矩形區的影響導致計算結果略偏小。

圖7 有限范圍內土壓力計算結果驗證

對有限范圍內土壓力沿高度方向積分，Ea=57.3 kN。為簡化計算，將圖6 中梯形區域視為滑動體，按式（2）計算，可得出相對準確土壓力計算結果。

2.3 填埋庫底板壓力

在確定填埋庫底板壓力時應結合填埋庫封場結構設計，對于采用預制蓋板+防滲膜的封場做法，因蓋板和封場覆蓋系統自重通過側壁傳遞至基礎，填埋庫底板壓力p=γH；對于采用防滲膜+現澆混凝土面層的封場做法，封場覆蓋系統自重通過危廢傳遞至底板，填埋庫底板壓力，其中γi和hi分別為各層封場材料的容重和厚度。

3 結構受力分析

采用Autodesk Robot Structural Analysis Professional 軟件板殼結構設計單元進行模擬計算。計算庫區實際大小模型將造成計算工況組合過多而無法有效分析。這里對庫區實體結構進行簡化，采用填埋單元縱橫向個數為3 的9 宮格簡化模型進行分析。根據填埋過程中各單元填滿程度劃分計算工況。

（1）工況1：全部單元填滿。

（2）工況2：中部單元填滿。

（3）工況3：邊緣單元填滿。

模型底板厚550 mm，側壁厚350 mm。

計算結果如圖8 至圖10 所示。

圖8 工況1 結構彎矩圖

圖9 工況2 結構彎矩圖

圖10 工況3 結構彎矩圖

當調整工況1 和工況3 的側壁厚度為450 mm時，計算結果如圖11、圖12 所示。

圖11 工況1 A-A1 彎矩圖（側壁450 mm）

圖12 工況3 A-A1 彎矩圖（側壁450 mm）

工況1 是剛性填埋庫區填埋后長期存在的穩定工況，設計時將該工況作為正常使用極限狀態驗算。工況2 和工況3 是填埋過程中短暫存在的工況，設計時按該工況的彎矩條件作為承載能力極限狀態驗算。

各工況結構最大彎矩位于底板根部，比較圖8和圖11、圖10 和圖12 可知，底板根部彎矩與側壁厚度無關，但是底板外邊緣彎矩和外側壁根部彎矩受側壁厚度影響較大。當外側壁剛度增加時，外側壁根部和與之相連的底板邊緣彎矩同步增加。以工況1為例，當側壁厚度從350 mm 增加至450 mm 時，外側壁根部彎矩增加了34%。若僅考慮危廢側壓力作用，外側壁根部彎矩為29.1 kNm，不考慮底板的彎矩傳遞效應進行外側壁設計是不安全的。因此，建議在配筋率過高的情況下適當增加外側壁厚度。并且在填埋作業中盡量避免局部單元集中填埋[1]。根據有限元分析結果總結各結構組件的計算要求見表1。

表1 結構組件計算要求

4 單元格尺寸分析

根據《危險廢物填埋污染控制標準》要求，剛性填埋場每個填埋單元面積不得超過50 m2且容積不得超過250 m3，受填埋單元格總容積的控制，填埋單元高度與單元格尺寸的平方成反比。在不考慮基礎設計的前提下，庫區造價主要受鋼筋混凝土用量和結構內表面防滲防腐材料覆蓋面積影響。每個單元格混凝土用量：

每個單元格防滲防腐材料覆蓋的面積：

根據鋼筋混凝土綜合單價以及防滲防腐材料的價格計算單方庫容造價，得到單元格平面尺寸L 與單方庫容造價的關系如圖13 所示。

圖13 單元格平面尺寸L 與單方庫容造價關系圖

由圖13 可見，在L=6 m 時單方庫容造價最低。因庫區內以噸袋填埋為主，故單元格平面尺寸L 需選擇噸袋平鋪尺寸的整數倍。

5 結語

本文針對剛性庫結構設計中的要點問題，通過實驗和模型分析的方法得出以下結論：

（1）利用朗肯土壓力計算危廢對側壁的壓力將比實際壓力高估約100%，通過楔形體滑動分析側壁壓力所得結果較為準確。

（2）各填埋工況下結構最大彎矩位于底板根部，設計時應將全填埋工況作為正常使用極限狀態驗算，將其他填埋過程工況作為承載能力極限狀態驗算。

（3）外側壁厚度對于根部及底板邊緣彎矩增加有著顯著影響，設計時不可忽略底板傳遞至外側壁的彎矩。

（4）最經濟的單元格平面尺寸是6 m，因庫區內以噸袋填埋為主，單元格平面尺寸需選擇噸袋平鋪尺寸的整數倍。