1、1超大型固废筒仓结构设计探讨及应用庄维健（苏州市市政工程设计院有限责任公司 苏州 215007）摘要：超大型固废筒仓的设计和制作在引入公路加筋土设计理念后可以做到构造非常简单和廉价，可广泛应用于各种固废治理和生物质能源利用领域。本文将对超大型固废筒仓体的结构强度和刚度进行受力分析，并提出确保筒仓体结构安全的解决方案。关键词：固废筒仓 加筋土 加筋环 结构强度 刚度1.基本构造本文所述超大型固废筒仓一般单仓容量在万立方米以上，可用于储存生活垃圾或其它固体集料，基本构造如下图所示：2筒仓体（图 1）是由多个仓体圆筒段呈竖向叠加而成。仓体圆筒段（图 3）是由若干水平向圆环钢筋（环筋）和若干竖向扁钢带
2、（立筋）交叉连接成圆筒状钢筋网片，且在圆筒状钢筋网片内附着 HDPE 膜（衬垫）组合而成。在垃圾进料过程中逐个向上叠加仓体圆筒段，使仓体随进料高度上升。相同直径的仓体圆筒段叠加时（图 5） ，上层仓体圆筒段底层环筋与下层仓体圆筒段顶层环筋绑扎连接。在设沉降缝处（图 6） ，上层直径略小仓体圆筒段直接安放在垃圾进料作业面上，两不同直径仓体间沉降缝内塞填充料（如废塑料袋）密封。加筋环是由圆筒形钢筋网片骨架，内附土工格栅组成（图 4） 。在垃圾进料到达设计指定高程时安放加筋环（图 1、图 2） 。在垃圾竖向堆积荷载作用下，加筋环可以阻断环内填料产生的侧向力向外传递，另外，加筋环顶面和底面均会产生水平
3、向摩阻力，以削弱上下两加筋环之间填料产生的侧向力。固废筒仓之所以能够做到在具有超大容量的同时又非常廉价，是因为引入了公路加筋土设计理念：在垃圾中设置加筋材料后就可以使作用于筒仓体的水平力大大减小，这样筒仓体就可以做得很薄。筒仓底部污水池（图 1）储存垃圾渗沥液，并由污水泵抽取回喷至筒仓顶部垃圾中，为厌氧发酵提供水分。另外，垃圾堆内还埋置有纵横向集气管（采用塑料盲沟或软式透水管）收集沼气并排出筒仓外。图中污水喷淋装置和沼气收集装置均省略未示。本文将主要对如何确保筒仓体结构安全进行分析和探讨。2.仓体结构受力分析对任何构筑物的安全评价都会涉及到结构强度和刚度两个方面，本固废筒仓体亦不例外。仓体强度
4、是针对仓体环筋抗拉强度而言，而仓体刚度则是针对仓体立筋刚度而言。2.1 仓体强度 仓体强度主要体现在：在侧向水平力作用下，仓体环形钢筋是否能够确保不被拉断。筒仓体所受侧向水平力主要来自两个方面：其一是由垃圾堆积产生的侧压力；其二是垃圾在发酵过程中产生的沼气压力。对于前者可在垃圾中分层设置加筋材料以消除大部分因垃圾堆积产生的侧压力。对于后者则在垃圾中设置的排气装置可大幅度消减沼气对筒仓体的侧压力，如实测筒仓内气体压力过高，还可以开启引风机强制抽取沼气以迅速减压。根据加筋土原理，在集料堆体内分层设置加筋材料可大幅度减小因集料堆积产生的水平侧压力。加筋材料有很多种类，如条形加筋带、成片满铺土工格栅，
5、以及加筋环等。经综3合比较，采用加筋环效果较好，特别是对于进、出料作业干扰较小。在集料中设置了加筋材料可减小集料堆体产生的侧向力，但究竟减少了多少？对于某一具体工程实例而言，仓体环筋是否具有足够强度可以承受剩余的侧向力？由于生活垃圾成分复杂，性质多变，以及加筋材料本身具有的多样性，如按常规首先进行受力分析再进行配筋计算的话将会变得非常繁琐和抽象，且最终计算结果也未必能与现实情况相符。所幸本仓体结构所具有的特殊性可以抛开繁琐的侧向力分析直奔主题，具体方法是：在仓体若干环筋上粘贴电阻应变片就可以清楚地观察到环筋的拉伸变形，并由此得出结论仓体环筋强度是否可以满足要求，既简单实用又确保安全可靠。根据实
6、验室钢筋拉伸试验图可知：如仓体环筋采用 Q235 低碳钢，则当其拉伸到达屈服极限时，其对应的延伸率约为 0.1，而当其拉伸到达强度极限时，其延伸率约为 16。一般希望控制环筋的拉伸变形在弹性变形阶段。有了若干次现场监测数据，以后在相同条件下实施同样结构筒仓就不必再进行监测了。2.1 仓体刚度 在进料过程中，如若筒仓内堆积的物料有高低不平，则有可能使圆形仓体在水平向产生趋于椭圆变形，这种水平向变形在一般情况下是允许的，且不会对仓体结构造成破坏，这使得仓体具有“柔性”特征。这一特征也是明显优于钢筋混凝土仓体的地方，特别是对于大直径钢筋混凝土仓体而言，在水平向哪怕是很小的变形，都有可能导致混凝土开裂
7、，造成结构性破坏。故大直径钢筋混凝土筒仓仓体一般都比较厚实，不仅笨重，而且造价昂贵。本筒仓体虽然在水平向不存在刚度问题，但竖向刚度还是必须予以重点关注的。如果筒仓体竖向刚度不足就会产生褶皱变形，具体表现在竖向立筋（即扁钢带）被压弯，或者在两仓体圆筒段连接处（即立筋端部）向仓体内凹进，或者向仓体外凸出。竖向褶皱变形会使筒仓体局部高度降低从而使仓体歪斜，同时也可导致仓体破损泄漏，故竖向褶皱变形是属于结构性破坏，是绝对不允许的。竖向褶皱变形主要发生在筒仓体中下部，是由于竖向荷载的作用。下部仓体立筋承受来自上部仓体的竖向力荷载，该竖向力除包括上部仓体重量外，还包括垃圾因压缩沉降对仓体产生的竖向摩阻力。
8、有两种基本解决方案：第一种解决方案是在筒仓体沿水平向设置沉降缝（图 1、图 6）以阻断竖向力的传递。具体方法是将整个筒仓体从上到下分成若干段落，在每一段落内恒定一个仓体直径，且在上段落的筒仓直径总是比在下段落的仓体直径小约 0.1 米，比如最4底层段落的仓体直径为 20 米，则依次向上段落的仓体直径分别为 19.9 米、19.8 米.。在同一段落内的各仓体圆筒段是应该绑扎连接的（因为直径相同） 。而上下段落之间的仓体因直径不同是不能绑扎连接的，在上段落的筒仓体是直接坐落在下段落筒仓体顶面的垃圾上，不过仓体之间的间隙很小（约 23 厘米） ，可填塞废塑料袋封堵（图 6） 。若垃圾发生沉降，则上下
9、段落仓体会错开重合，在下段落仓体不会受到上部仓体的重压，故筒仓体发生竖向褶皱变形的可能性大大减少。第二种是在筒仓体外部，沿仓体四周均匀绑扎若干竖向立柱（图中未示） ，使竖向立柱与筒仓体骨架紧密连接形成共同受力体，这样可使筒仓体抵抗竖向褶皱变形的刚度大大提高。竖向立柱可采用钢管（如脚手架钢管） 、槽钢或工字钢等。还有是将上述两种方案结合使用，在筒仓体中下部采用附着竖向立柱增强仓体刚度，在筒仓体上部设置一道沉降缝。上述第一种方案具有操作简便和造价低廉的优越性，但因设置沉降缝其仓体密封性稍逊于第二种方案。对于仅数十立方米农村家用沼气池而言，容器的密封性很重要，稍有漏气厌氧发酵将不能持续进行。但对于数
10、万立方米的超大型容器（特别是其中充满垃圾）而言，局部稍有漏气或许只会影响到漏气点半径 12 米范围，不会影响整个筒仓内厌氧发酵进程。故建议首选第一种方案。3.垃圾厌氧发酵“精细”与“粗放”工艺之比较生活垃圾采用厌氧发酵工艺无疑是选择了一条最佳可持续发展技术路线。然而现有厌氧发酵工艺由于过分追求精致完美反而得不偿失：工序复杂、成本过高制约了其在生活垃圾处理工艺中大规模应用。如果采用超大型筒仓厌氧发酵“粗放工艺” ，则虽然在最大限度挖掘沼气潜力上有所损失，但却大大简化了厌氧发酵工序和实现了超低成本，从而使得生活垃圾超大规模采用厌氧发酵工艺成为可能。这对于有机污染的大规模治理和生物质能的大规模利用具
11、有重大意义！为了比较现有厌氧发酵工艺（即“精细工艺” ）与采用超大型筒仓厌氧发酵（即“粗放工艺” ）在相同投资条件下的区别，特制作了一张有机垃圾厌氧发酵精细工艺与粗放工艺经济分析表如下：563.1.有机垃圾厌氧发酵精细工艺与粗放工艺经济分析表说明a. 表中“精细工艺”是指现行的有机垃圾厌氧发酵工艺，大致工艺流程为：混合垃圾分选、有机垃圾粉碎、搅拌、加温等；表中“粗放工艺”是指“超大型筒仓厌氧发酵工艺” ，工艺流程简单：混合垃圾密封储存一年，期间仅喷淋。b. 表中“比较”是：精细工艺/粗放工艺。c. 表中混合垃圾日处理量取 2017 是经过调整的，调整的目的是使列编号 (18)总投资费用基本一致
12、，以增强可比性。d. 见列编号(5)“有机垃圾运营费单价”：精细工艺运营费包括：分选、粉碎、搅拌、加温等，估价为 250（元/吨） ；粗放工艺运营费包括：进、出料各 10（元/吨） ，喷淋 5（元/ 吨） ，合计 25（元/吨） ；e. 见列编号(8)“收集率”：精细工艺工艺复杂，沼气收集率高，达 95%，一般为缩短周期尾气部分放弃，故扣除 5%；粗放工艺工序简单，沼气收集率低，达 40%，最大欠缺是不能搅拌，故扣除 60%（扣较多，偏保守） 。f. .粗放工艺有外引高浓度有机污水参与厌氧发酵，故增加 20%（增加不多，偏保守） 。3.2. 评价a. 沼气收集率差异分析：精细工艺对有机垃圾进行
13、、粉碎、搅拌、加温等，有两个目的：其一是有利于厌氧菌大量繁殖，使发酵充分彻底；其二是缩短发酵周期。对比粗放工艺尽管工艺简单，但有足够长的时间可供有机垃圾厌氧发酵，因此虽然工序中没有粉碎和加温，但影响不大。唯独不能搅拌是对厌氧发酵的充分彻底影响很大，故沼气收集率定为 40%。b经济效益对比：见列编号(18)总费用，在相同投资费用条件下，尽管粗放工艺的沼气收集率低于精细工艺，但收集到的沼气总量，以及处理有机垃圾总量却还是远远高于精细工艺。4. 结束语固废污染问题的最终解决以及沼气的大规模利用，其实完全取决于是否能够找到一种超大容量储存容器，这种容器除必须安全可靠外，还必须非常廉价。另外，只有选择“
14、粗7放式”厌氧发酵工艺才能突破当前不能大规模处理的技术瓶颈。该固废筒仓的雏形曾在安徽省舒城县垃圾处理场实施过，有关此项目的设计理念及现场照片见论文生活垃圾分仓熟化新技术及其以污治污功效 1。但是由于该项目在建设程序上存在有多处违规，所以一旦出现问题立即遭到封杀。本人在论文 1 中提及的“一点遗憾”最终不幸成为一个重大遗憾。超大型固废筒仓不仅可以实现生活垃圾与高浓度有机污水之间互相以污治污，还能够在其它固废治理及生物质能源利用中得到广泛应用，如：以秸秆和畜禽粪便为原料大规模生产沼气和有机肥、超低价污泥干化、无渗沥液处理垃圾填埋场、以及绝对安全可靠尾矿干化填埋场等。以上设计实例见介绍三项固废新技术 2。另外，该超大型筒仓还可以用于贮煤或贮粮。参考资料：1 生活垃圾分仓熟化新技术及其以污治污功效2008 年(第十届) 中国科协年会论文集。2.介绍三项固废新技术在中美环境科技论坛等。http:/ 70 号（市政工程设计院）邮编：215007电话：0512-65187146 传真： 0512-65187678手机：13962175891电子邮件：
