【关键词】 垃圾焚烧发电 边坡支挡 内摩擦角 动力计算
1 前言
随着居民生活水平的提高，城镇居民产生的垃圾也日益增多，垃圾处理则变得越来越重要。生活垃圾焚烧发电具有“无害化、减量化、资源化”的优点，是截至目前最有效的垃圾处理方式。在垃圾焚烧发电项目设计过程中，结构设计从项目选址开始就需要发挥重要作用，从总体方案到各单体的具体设计，结构设计都有着特别需要注意的地方。按照这些注意要点去做结构设计，则会提升整个项目设计效率，便利施工从而加快建设进程，设计合理从而方便业主运营。
2 厂区建筑单体分类
垃圾发电项目根据不同的功能使用要求主要分为三个区域：生产区、辅助生产区及生活区。生产区域主要包括主厂房、主厂房附屋、烟囱和坡道；辅助生产区包括综合水泵房、循环冷却塔、油罐区、地磅、地磅房、生活污水处理站、渗滤液处理站、初期雨水收集池、飞灰固化暂存库等；生活区则包括办公楼、宿舍楼、食堂、门卫室等。垃圾发电项目主要单体及单体结构形式见表1。
3 总图及基础方案
3.1 总平面布置
垃圾发电项目考虑垃圾运输及对周边环境的影响，一般选择在居民较少的位置。这些位置一般相对比较偏僻，地形大多比较复杂。所以在项目设计初期，结构设计人员就应该参与到设计过程中去。垃圾发电项目在确定厂址时，一般有多个位置可供选择。应建议业主将场地地质情况作为考虑因素。因为不同的地质条件，在场地平整及基础方案上的造价差别非常大。应建议业主拿到相应地块的初步地质资料，结构设计人员根据初步地质资料给业主提供合理的选择建议。没有相应资料时，业主可先进行初步勘察，通过初步勘察确定各地块大致可能的基础形式及造价，从而在满足其他主要因素的前提下尽量选择基础造价合理的地块。垃圾发电项目总平面方案布置时，结构设计人员也需要及时参与其中。向业主及总图设计人员提出合理建议，在不影响功能使用的前提下，按照地质地形进行总平面布置，以达到节省造价、方便施工的效果。建议主要有如下几条：
1、根据初步勘察资料，适当就地势进行厂区建构筑物布置。尽量避免在持力层埋深浅的地方大开挖，在持力层较深的地方大回填。可在持力层浅的地方尽量布置浅基础单体，在持力层深的地方尽量布置水池等深基础单体。比如主厂房垃圾坑埋深一般在7米左右，若选择一个原始地形在相近深度有岩层的位置布置垃圾坑，则可以采用天然基础，方便开挖同时节省了桩基础费用。若将垃圾坑布置在本身地面就是坚硬岩石的位置，则增加大量开挖爆破工作。其他诸如水泵房、冷却塔、渗滤液处理站等埋深相对较深的建筑单体可采用类似原则处理。
2、柱底力较大的单体或受力复杂的设备尽量布置在有较好持力层的位置，可以节省基础造价。如主厂房垃圾坑及锅炉区域荷载较大，烟气区设备荷载则相对小一些，则可以把垃圾坑及锅炉区域在不影响功能使用及整体布置理念的情况下布置在有较好持力层的地方。
3、垃圾发电项目厂区内有较多景观绿化或硬化地面，尽量布置于填方较大区域，因为建筑单体布置在填方区域，基础一般无法做到有效持力层，则会增加桩基础数量。
4、垃圾发电项目的厂址地势都会有一定起伏，常常需要做边坡支挡结构。土方平衡时注意结合边坡支挡方案，尽量减少边坡或将难以处理的边坡转化为相对安全容易处理的边坡。
3.2 基础方案
垃圾发电项目的基础方案需要从地质情况、工程造价、施工工期、周围施工单位数量及相应生产厂家情况来考虑。根据详勘资料，结合其他几个因素，确定最合理的基础方案。具体步骤及注意事项如下：
1、充分了解业主意图。
不同的业主，或相同业主在不同项目上的需求是不一样的，这点在垃圾发电项目上反映得特别明显。了解清楚业主的意图则可以设计一次到位，避免进入反复修改的困境。有的项目有足够的施工工期，业主比较注重基础方案的经济性，则应选择造价经济、可以精细控制施工过程的基础方案。而工期紧张的项目则应选择施工方案成熟可靠，施工快速的基础方案。在既工期紧张、又要注重造价经济的项目，则需要多种方案对比，或者召集相关专家讨论确定，在设计阶段需要花相对多的时间，需要做好相关平衡。
2、收集相关资料。
需要收集地勘资料（初勘、详勘）、厂区周边居民住户情况、当地政策文件、厂区周边道路交通情况以及项目附近生产产能等情况。根据具体的地勘资料确定可以满足设计要求的基础方案。了解厂区周边居民住户情况以考虑基础施工对周围居民的影响。了解当地政策文件以确定哪些基础方案是禁止采用的。了解道路交通情况则以确定哪些机械可以进场。了解项目周边的生产产能，则可以确定施工过程中材料是否可以正常供应。
3、进行方案对比。
通过对已有的资料进行分析，选择出可以实施的几种基础方案，然后从工期进度、经济造价和施工便利性等几个方面进行优缺点对比。综合考虑各个因素，结合垃圾发电项目的具体特征及业主的基本意图，选择出优选方案作为基础方案。方案确定需要严谨，一旦确定就要避免再反复，设计过程才会比较顺利，避免重复工作。
4、细化相关设计及施工细节。
基础方案确定后则需要对一些实施细节进行考虑，特别是施工方案的考虑。如基础的施工顺序，基础与基坑支护方案的配套，基础施工与回填方案之间的关系等等。垃圾发电项目各区域基础埋深都不相同，考虑基础施工顺序进行基础布置，可以减少重复开挖回填，节省施工措施费用。对一些基础的底标高进行归并，也可以使开挖事半功倍。垃圾发电项目的垃圾坑、渣坑及其他一些埋深较深的单体都要进行基坑支护，合理的基础布置方向以及基础深度也对基坑支护造价影响较大。
4 整体结构设计参数
4.1 图签参数
要确定项目号及项目名称，要求该名称同相关业主合同及设计合同一致。单体编号及单体名称也需要与总平面图相一致。为后面审图出图做好准备，避免名称不对而多次改图。
4.2 施工图参数
1、风荷载和雪荷载。
风荷载需要考虑基本风压、地面粗糙度。一般可以根据项目所在地从《建筑结构荷载规范》查出。有较多垃圾发电项目位于山区，需要注意根据建筑物位置对风压高度变化系数进行修正，对于沿海多台风地区需要考虑对风荷载敏感的建筑进行加强措施。部分形体复杂或高度较高无法确定体型系数的应采用风洞试验确定真实风荷载。
基本雪压根据项目所在地从《建筑结构荷载规范》查出。特别应注意屋面雪荷载的不利布置，特别是高低跨位置钢屋面的积雪分布系数。
有些地方的基本风压和基本雪压无法从规范中查出的，最直接的办法是咨询当地的设计单位。有些地方会根据地方情况出一些相较于规范更严的条文，提高当地的基本风压和基本雪压。所以在近期没有做过的当地项目时，也应同当地图审单位和设计单位做好交流沟通，保证取值正确，也避免后期返工。
2、地震参数
地震参数按《建筑抗震设计规范》查出相应位置的地震烈度、设计基本地震加速度、地震分组，再结合地勘资料确定场地类别以及特征周期、有无液化土层，以此确定各单体的抗震等级。需要注意地勘资料与《建筑抗震设计规范》及《中国地震动参数区划图》所确定的参数应一致，出现不一致时，应以《中国地震动参数区划图》为准。垃圾发电项目地质情况复杂，需要注意考虑一些不利的地质情况。
3、地下水及基础参数
垃圾发电项目地下坑池较多，地下水参数对工程设计影响较大。地勘报告一般会给出地下水的抗浮水位及相关腐蚀性。没有明确给出项目的抗浮水位的，则需要联系地勘单位给出明确的抗浮标高。难以给出抗浮水位的，应采取专门的地下水位论证进行确定。设计过程中还要根据单体周围的排水通畅情况，确定是否对抗浮水位进行调整。如果排水不畅，地面易积水，抗浮水位取室外地面也并非就是安全的，应根据积水程度予以提高。根据地下水土的腐蚀性报告，按不同腐蚀介质的腐蚀性等级，依据《工业建筑防腐蚀设计标准》确定地下构件的防腐蚀措施。
4、楼地面及屋面荷载
楼地面及屋面恒载按实际材料重量进行考虑，活荷载除按规范考虑外，对厂房等生产类建构筑物需要按实际检修产生的不利荷载进行考虑。检修活荷载一般由工艺提资专业提供，结构设计人员需要对提供的荷载复核其合理性。其他荷载则都按规范及实际重量取值。
5、材料
墙体砌块按建筑要求选用，应保证当地能采购到。钢筋根据受力情况尽量选择高强度且产量多的钢筋。混凝土强度则根据计算需要，最低强度需满足《工业建筑防腐蚀设计标准》及相关规范要求。
6、建模计算参数
建模计算按国内常用三维计算软件计算，必要时采用通用有限元软件进行复核补充。各计算参数按规范及软件建议参数取值。
5 各专业间的配合
5.1 热力专业
在垃圾发电项目中，热力专业是结构设计最大的提资专业。所有厂房的设备荷载及楼面功能都需要热力专业提供。热力专业需要将准确的设备资料消化后转化成结构提资提交给结构设计人员。所有的设备应定位准确，荷载清晰。所有的留孔也应交代清楚，留设准确。但是在设计过程中往往资料无法全部到位，有时也会因为设备更换导致提资修改。这需要提资人员做好提资的标记，对于没有完全确定的提资应标注明确，待准确资料提供后由结构设计人员再行复核。同时也要注意提资的连续性，不同版本的提资需要注意修改的位置，标注修改时间，方便结构设计人员在复核时能及时找到修改位置。结构设计人员也需要对于各个设备的功能运行情况有个初步了解，以确定设备运转过程中的受力情况，保证结构构件能满足功能需要。特别对于有一定振动的设备，需要考虑动力荷载对结构构件的影响。
5.2 建筑专业
建筑专业布置好个单体的房建平面、立面及剖面布置提供给结构设计人员。结构设计人员除按布置图建模计算外，在平面上，要保证所有梁板构件与墙体对应，避免梁墙错位的情况。立面上，要保证实现建筑立面造型，避免结构构件与建筑门窗洞口冲突或不满足建筑外形的情况。剖面上，由于工业厂房楼层错层比较多，且不同位置需要满足楼层净高要求。不同位置要核实梁底净空，避免出现标高不够，梁底碰头的情况。在实在无法实现的情况下，应同建筑专业及相关提资专业一同商量确定后方可修改。
5.3 给排水专业
给排水专业提资主要在综合水泵房、冷却塔、初期雨水收集池、生活污水处理站及渗滤液处理站等单体。其他单体则主要考虑排水，一般不会出现错漏。对于给排水的生产辅助用房的设计，主要还是严格按照提资进行设计，满足功能要求。由于以水池居多，水池顶板及侧壁上会有很多留孔及套管。这个提资往往在后期管道布置完成后才能提资，所以在施工前应必须提供给现场施工，否则后期无法处理。前期出图时，若还没有提供相关留孔及套管，则应注明。后期有修改的，也应及时核实修改。
5.4 空调专业
空调专业主要是一些空调通风留孔。在结构计算初期就需要提供，以保证梁板布置准确，同时使梁板不至于与空调管道冲突。
5.5 电控专业
电控专业提资对结构影响较小。电气主要有基础施工图阶段的防雷提资、主变及GIS区域的一些设备提资及电缆沟提资。自控主要是控制室的一些楼板留孔及设备荷载。这里按这两个专业提资进行设计即可。
6 各单体结构设计
6.1 生产区域设计
生产区域包括坡道、主厂房、主厂房附屋、烟囱。
坡道作为垃圾车从地面开至卸料平台的专门通道，需要同卸料平台一致，考虑垃圾车的上车荷载。常规的垃圾车按总重量30吨考虑。随着现在一些地方垃圾增多，垃圾车型号也越来越多样化。因此在设计之初，需要同业主及当地环保部门确认垃圾车的尺寸及载重，以此确认坡道和卸料平台的行车活荷载。在确定垃圾车荷载时还应考虑未来的变化，即在垃圾发电项目运行时间内，是否会有更大的垃圾车开进场，对垃圾车荷载适当放大。坡道在起始段注意与场地地面的协调，避免起始段出现不均匀沉降。在与主厂房交接处注意标高与主厂房卸料平台入口的协调，应由主厂房挑出一部分再与坡道衔接，避免坡道面渗滤液及卸料大厅渗滤液顺接口留缝流至下层墙面，影响使用及美观。
主厂房按使用功能分为卸料平台区域、垃圾坑区域、锅炉焚烧区域及烟气处理区域。卸料平台区域与垃圾坑区域皆采用钢筋混凝土框排架结构，垃圾坑居于卸料平台侧面，在垃圾坑区域中间。垃圾坑底板为一个混凝土大底板，垃圾坑为钢筋混凝土侧壁。侧壁周围设置扶壁柱及相应的框架柱。基础根据地质情况可以按筏板基础或桩筏基础设计。垃圾荷载则根据垃圾堆放过程中的容重取值。考虑上部垃圾含水量少，下部垃圾含水量多，则根据不同高度分层取垃圾容重。垃圾对侧壁及框架的水平力按垃圾容重并考虑一定的内摩擦角计算得出。垃圾坑内渗滤液有一定腐蚀性，不能渗漏出垃圾坑，所以垃圾坑底板及侧壁必须采用合理措施保证其防渗及防腐功能。主要采取混凝土内加外加剂及工程纤维提高混凝土本身的抗渗性能，同时在混凝土内表面做一些防腐、防渗及防撞措施。卸料平台屋面一般采用实腹式钢梁的彩钢板屋面，垃圾坑屋面考虑内部有腐蚀性气体，采用桁架钢结构，面板采用轻型钢结构混凝土板并在上部加防水层。垃圾坑钢桁架及轻型钢结构混凝土板底都应按重度防腐采取防腐措施。垃圾坑及卸料平台计算时除采用三维计算外，还用在薄弱部位采用单榀排架进行二维计算包络设计，必要时对垃圾坑采用通用有限元软件分析计算。锅炉焚烧区域及烟气处理区域一般采用钢格构柱+网架屋面的形式。钢结构区域应与垃圾坑区域脱开，使不同材质的结构形式各自受力协调。
主厂房附屋采用钢筋混凝土框排架结构，屋面采用实腹式钢梁的彩钢板屋面。单体中间设置汽机岛，汽机岛用以装汽轮机及发电机，为框架式设备基础。由于汽机岛振动较大，需要进行动力计算保证结构不会产生较大振幅。汽机岛周围与主厂房附屋框排架设缝脱开，避免振动传导至周围框排架构件。在楼面面层施工时，应保证两个构筑物间的缝真实存在，避免砂浆或建筑垃圾将缝填实而使振动传导至附屋框排架。
烟囱高度一般根据环评报告确定。计算时按《烟囱规范》及《高耸结构规范》进行设计。当烟囱高度较高且体型复杂时，应进行风洞试验确定其准确风荷载。
6.2 辅助生产区域设计
辅助生产区域主要是综合水泵房、循环冷却塔、生活污水处理站、渗滤液处理站、飞灰固化暂存库等单体。这些单体按照相关提资专业设计即可，对于水池则应注意根据水池内水的腐蚀情况考虑相应防腐措施。对于水池侧壁及顶板留孔，则应在施工前与提资专业核对，确保不出现错误。
6.3 生活区域设计
生活区域的办公楼、宿舍楼以及门卫室则相对简单，按规范及建筑提资设计即可。
7 图纸审查及施工交底
由于垃圾发电项目各单体的特殊特点，很多审图单位对此并不了解。很多情况下，审图人员并不了解工艺流程要求及设计人员的设计理念。因此在审图前都需要提前做好与审图人员的沟通，使审图人员了解了相关单体的布置情况后，再进行看图审图，真正做到审图审出问题。
对于施工单位，也需要做好施工交底工作。特别是一些没有做过相关工程的单位，如果没有充分了解图纸及设计理念，则可能做很多重复工作，甚至错误施工出现安全隐患。需要将项目的注意事项及重点难点提供给施工单位，让施工单位做到图纸心中有数，施工心里有底。
8 结语
在垃圾发电项目设计中，工艺是灵魂、结构是骨架、各专业则合成了项目的血肉。结构专业设计人员需要从总体上，从各个单体细节上做好设计工作，才能担当起整个项目的骨骼，支撑起整个项目的安全。只有熟悉了各个环节、各个单体的设计重点难点，才能将整个项目设计圆满。
