CN109295921B - 拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法 - Google Patents

拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法，属于海堤防护工程领域。所述海堤结构包括海堤基础、海堤主体、封包层、防浪圬工及道路结构，海堤主体以赤泥填充料分层压实填筑于海堤基础上，海堤主体的临海侧、背海侧及堤顶均采用封包材料分层压实填筑形成封包层。本发明中，赤泥填充料的配合比组成，既确保了填料满足海堤强度要求，又满足工业废弃物中重金属离子的固化要求，海堤结构设计避免了赤泥填充料不受海水的侵蚀，实现了工业废弃物拜耳法赤泥、粉煤灰、磷石膏等在海堤防护工程中的大规模应用，可节约大量填筑用土，具有节能减排和绿色环保的特点，有很好的推广应用价值。

Description

拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法
技术领域
本发明涉及海堤防护工程领域，具体地说是拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法。
背景技术
拜耳法赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生1.0～2.0吨赤泥。全世界每年产生的拜耳法赤泥约7000万吨，我国每年产生的拜耳法赤泥为3000万吨以上。目前，我国炼铝用原材料铝矿石大量依靠进口，为了运输方便和成本考虑，大部分铝厂设置在沿海地区，因此大量铝工业废弃物拜耳法赤泥分布在沿海地区。出于安全管理和环保考虑，目前拜耳法赤泥的处置主要依靠大面积的堆场堆放，占用了大量土地，同时对环境造成污染，严重影响堆场周边地区的环境保护和经济发展。
另一方面，为了进行沿海滩涂的保护和开发利用，我国大量沿海滩涂亟待进行海堤建设。但是沿海滩涂大量缺乏海堤填筑用土石材料，如果通过异地土场开挖和外运，不仅破坏自然环境，而且运输成本也将大幅增加。如能将拜耳法赤泥作为海堤填筑材料，在解决海堤填筑材料短缺问题的同时，对拜耳法赤泥的减量化和资源化利用也将是重大突破。
然而，现有拜耳法赤泥直接作为海堤填筑材料既无法满足工程指标要求，又无法满足环保指标要求。拜耳法赤泥作为海堤填筑材料其工程特性和环境特性与其他工程应用有很大差别，迄今还没有针对赤泥填筑海堤的一整套材料和结构方案。如公开号为CN108086337A的专利文献公开了一种赤泥围堰填海造陆的方法，该方法虽然一定程度上实现了赤泥的应用，但仍然存在以下不足：1、需要用大量废石填筑护坡废石坝；2、围堰赤泥和堆存赤泥均需要进行预处理；3、赤泥浓缩产生的溢流需要排入海中，需要用草酸等中和赤泥，并用聚合硫酸铁来吸附赤泥中的污染物，以避免污染海水；4、用膏体浓缩机和压滤机进行压缩过滤，施工过程繁琐，而且先做人工围堰后堆放赤泥，施工周期长。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种拜耳法赤泥填筑的海堤结构。该海堤结构可保证拜耳法赤泥作为海堤填料既能满足工程指标要求，又能满足环保要求，同时能极大减少传统土石材料的用量，达到安全、环保、耐久的目的。
本发明进一步的技术任务是提供一种以拜耳法赤泥填筑的海堤结构的建造方法。
本发明的技术任务是按以下方式实现的：拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特点是包括海堤基础、海堤主体、封包层、防浪圬工及道路结构，海堤基础以基础材料分层压实填筑，海堤主体以赤泥填充料分层压实填筑于海堤基础上，海堤主体的临海侧、背海侧及堤顶均采用封包材料分层压实填筑形成封包层，临海侧封包层外设置防浪圬工，堤顶封包层上铺筑有道路结构，所述赤泥填充料为添加有改性剂的拜耳法赤泥，拜耳法赤泥与改性剂的配合比为(90-95):8；所述改性剂为粉煤灰、磷石膏、沸石粉和调节剂的混合物；所述基础材料、封包材料均为掺加石灰和/或水泥的土。
作为优选，还可以在背海侧封包层外覆盖种植土用于绿化，以满足海堤周边生态、环境、景观要求。种植土厚度不小于100cm。
为了达到海堤填筑用材料的工程和环境指标要求，所述改性剂中粉煤灰、磷石膏、沸石粉、调节剂的质量比优选为(4～6)：(1～3)：(0.5～1.5)：(0.3～0.6)，特别是当磷石膏、沸石粉、调节剂的质量比为(4.5～5.5)：(2～3)：(0.7～1.1)：(0.5～0.6)时，能够达到最佳技术效果。
所述调节剂用于固化拜耳法赤泥中的重金属离子，并提升海堤主体抗压强度等性能指标，优选为藻蛋白酸钠(纯度大于97％，细度小于80目)或羧甲基纤维素钠。
为了保证海堤结构稳定性，海堤地基按要求加固后，海堤基础总厚度不低于80cm，基础顶面当量模量要求大于80MPa；封包层总厚度不小于50cm，其当量模量要求大于120MPa。进一步的，临海侧封包层和背海侧封包层堤顶宽度不小于1.5m，临海侧封包层坡比优选为1:1.5～1:5，背海侧封包层坡比优选为1:3～1:6。
为了达到最佳效果，海堤主体的赤泥填充料与临海侧封包层、背海侧封包层的封包材料同时分层填筑(分层压实)至设计高度。
所述基础材料中，石灰的掺加量为5-10％，优选为5-7％；水泥的掺加量为3-6％，优选为3-5％。
所述封包材料中，石灰的掺加量为5-10％，优选为7-9％；水泥的掺加量为4-8％，优选为4-6％。
以拜耳法赤泥填筑的海堤结构的建造方法，其特点是包括以下步骤：
a、以基础材料进行海堤基础分层压实填筑施工；
b、在海堤基础上进行海堤主体与临海侧封包层、背海侧封包层填筑施工，临海侧封包层、背海侧封包层分别位于海堤主体的两侧，与海堤主体同步填筑压实，每层压实厚度为20～25cm，海堤主体完成后进行堤顶封包层施工；
c、在堤顶封包层上铺筑道路结构；
d、在临海侧封包层外设置防浪圬工；
e、在堤顶封包层上铺筑道路结构，
所述赤泥填充料为拜耳法赤泥、粉煤灰、磷石膏、沸石粉和调节剂的混合物，所述基础材料、封包材料均为掺加石灰和/或水泥的土。
为保证海堤主体的整体刚度及稳定性，采用重型压路机压实，分层填筑施工，每层压实厚度优选为20～25cm，压实度要求大于等于95％，压实完成后保湿养护1天后进行下一层填筑施工。
所述道路结构采用沥青路面时，由于碾压后的堤顶封包层表面非常致密，界面不易与沥青混凝土路面粘结，为保证堤顶封包层与沥青路面结构之间的良好连接，可以在两层之间设置10～20mm单粒径碎石连接层。堤顶封包层施工碾压完成后立即撒布，撒布量6～10kg/m2，均匀撒布后用小型钢轮压路机碾压一遍，以碎石部分嵌入、在路基表面形成均匀粗糙构造面为宜。
进一步的，所述建造方法还包括在背海侧封包层外覆盖用于绿化的种植土。
与现有技术相比，本发明的拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法具有以下突出的有益效果：
(一)以调节剂固化赤泥中的重金属离子，不需要将溢流排入海水中，且石灰和/或水泥土有效将赤泥和海水隔离，可达到防污染效果；
(二)无需提前构建人工围堰，赤泥填筑材料与两侧石灰土和/或水泥土同时分层填筑(分层压实)至设计高度，施工工艺简单；
(三)能极大减少传统土石材料的用量，具有节能减排、绿色环保的特点；
(四)海堤主体中拜耳法赤泥填筑材料结构层不受海水的侵蚀，保证了结构整体的长期稳定性，具有安全耐久的特点。
附图说明
附图1是实施例中拜耳法赤泥填筑海堤结构示意图。
具体实施方式
参照说明书附图以具体实施例对本发明的拜耳法赤泥填筑的海堤结构及其建造方法作以下详细地说明。
实施例：
我国某沿海地区新建海堤工程项目，按2级海堤标准设计，其沿线附近分布大量拜耳法赤泥堆场，采用拜耳法赤泥填筑该海堤结构，断面型式选择斜坡式，按不允许越浪设计，满足稳定、渗流、变形和抗冲刷等方面要求，同时还满足海堤周边生态、环境、景观及用海要求。
1、确定拜耳法赤泥填筑海堤结构组合型式
根据海堤工程级别、堤高、地质条件等要求，确定经济合理的海堤填筑结构设计组合：堤顶路面铺装1+海堤主体2+封包层+海堤基础4+防浪圬工5+种植土6。其中，封包层由临海侧封包层31、背海侧封包层32及堤顶封包层33组成。
堤顶路面铺装1采用6cm沥青抗滑磨耗层AC-16；海堤主体2采用300cm稳定固化拜耳法赤泥土；封包层采用50cm8％石灰土；海堤基础4采用80cm6％石灰土。海堤两侧石灰土(临海侧封包层31、背海侧封包层32)堤顶宽度分别为1.5m，临海侧坡比1:3，背海侧坡比1:5，堤顶总宽度按6m设计。
根据海堤工程设计标高，清除原海堤地基表土，用重型压路机压实地基，满足渗流控制、稳定和变形的要求。同样，使用重型压路机使海堤基础4满足渗流控制、稳定和变形要求，然后在海堤基础4上进行海堤主体2和临海侧封包层31、背海侧封包层32的填筑施工。临海侧封包层31、背海侧封包层32分别位于海堤主体2的两侧，与海堤主体2同步填筑压实，每层压实厚度为25cm，总填筑厚度根据海堤堤高设计确定。海堤主体2完成后进行50cm堤顶封包层33施工，然后再进行堤顶路面铺装1的摊铺施工。
海堤临海侧封包层31外的防浪圬工5采用混凝土灌砌块石护坡，厚度50cm，反滤层采用土工织物，背海侧覆盖120cm种植土6进行绿化。
堤顶路面铺装1采用沥青混凝土路面，单坡路拱平均横坡度2％，可增设防浪墙。防浪墙堤顶以上净高1.2m，埋置深度0.5m。
2、赤泥专用改性剂配方设计
为了降低拜耳法赤泥中重金属离子的浸出浓度及水稳定性，对海堤主体2的赤泥填充料使用专用改性剂进行稳定固化处理。专用改性剂由粉煤灰、磷石膏、沸石粉和藻蛋白酸钠组成，粉煤灰、磷石膏、沸石粉、藻蛋白酸钠的质量比为56:28:10:6。
3、拜耳法赤泥填筑海堤施工要求
为保证海堤主体2的整体刚度及稳定性，拜耳法赤泥与上述专用改性剂的施工配合比例为92:8。海堤主体2采用重型压路机压实，分层填筑施工，每层压实厚度为25cm，压实度要求大于等于95％，压实完成后保湿养护1天后进行下一层填筑施工。
4、强度与环保指标检验
通过对海堤主体2赤泥填充料的现场取样进行室内成型，经检验，改性拜耳法赤泥土基的无侧限抗压强度为2.73MPa，弹性模量为5750MPa。主要重金属离子的浸出浓度为总汞含量指标<0.00005mg/L(低于检出限)、六价铬含量指标为0.009mg/L，均低于地下水Ⅲ类控制标准。
5、海堤整体性能检验
每层结构施工完成后进行弯沉和模量的现场测试。海堤基础4顶面的弯沉值小于150(0.01mm)，当量回弹模量大于80MPa；封包层顶面的弯沉值小于100(0.01mm)，当量回弹模量大于120MPa；海堤主体2顶面的弯沉值小于90(0.01mm)，当量回弹模量大于150MPa；堤顶路面铺装1顶面的弯沉值小于20(0.01mm)。海堤结构整体具备良好的强度、刚度和稳定性。
6、沥青路面与路基顶面的界面连接处理
由于碾压后的石灰土路基表面非常致密，界面不易与沥青混凝土路面粘结，为保证路基与沥青路面结构之间的良好连接，两层之间设15mm单粒径碎石连接层，石灰稳定土路基施工碾压完成后立即撒布，撒布量8～9kg/m2，均匀撒布后用小型钢轮压路机碾压一遍，以碎石部分嵌入、在路基表面形成均匀粗糙构造面为宜。
7、沥青结构层材料设计
沥青抗滑磨耗层采用AC-16级配沥青混合料，沥青结合料采用PG 76-22改性沥青，设计空隙率3.5～4.5％，设计厚度6cm。
8、拜耳法赤泥填筑海堤的稳定、渗流和变形验算
按国家标准《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)附录E计算拜耳法赤泥填筑海堤的渗流及渗透稳定性，堤身渗透系数为5×10-4cm/s，满足渗流稳定性。
拜耳法赤泥填筑海堤的整体抗滑稳定性计算采用瑞典圆弧法，其安全系数为1.5，大于正常运用条件的2级海堤整体抗滑稳定性要求。
对比例1：
采用实施例所述海堤结构，不同点在于赤泥填充料中采用羧甲基纤维素钠为调节剂。
对比例2：
采用实施例所述海堤结构，不同点在于赤泥填充料中不添加调节剂。
对比例3：
采用实施例所述海堤结构，不同点在于赤泥填充料采用100％赤泥。
对比例1、对比例2、对比例3原料组成：
Figure BDA0001857133160000061
对实施例、对比例1、对比例2及对比例3筑成的海堤主体进行性能测定，得到以下性能数据：
Figure BDA0001857133160000071
由以上数据可以看出，本发明拜耳法赤泥填筑的海堤结构在抗压强度、弯沉值、环保测试等方面性能突出，特别是调节剂的加入更是进一步提升了拜耳法赤泥海堤主体的各项性能指标。

Claims (9)

1.拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：包括海堤基础、海堤主体、封包层、防浪圬工及道路结构，海堤基础以基础材料分层压实填筑，海堤主体以赤泥填充料分层压实填筑于海堤基础上，海堤主体的临海侧、背海侧及堤顶均采用封包材料分层压实填筑形成封包层，临海侧封包层外设置防浪圬工，堤顶封包层上铺筑有道路结构，所述赤泥填充料为添加有改性剂的拜耳法赤泥，拜耳法赤泥与改性剂的配合比为(90-95):8；所述改性剂为粉煤灰、磷石膏、沸石粉和调节剂的混合物，所述调节剂为藻蛋白酸钠或羧甲基纤维素钠；所述基础材料、封包材料均为掺加石灰和/或水泥的土。
2.根据权利要求1所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：背海侧封包层外覆盖种植土用于绿化。
3.根据权利要求1或2所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：改性剂中粉煤灰、磷石膏、沸石粉、调节剂的质量比为(4～6)：(1～3)：(0.5～1.5)：(0.3～0.6)。
4.根据权利要求1或2所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：海堤基础总厚度不低于80cm，其顶面当量模量要求大于80MPa。
5.根据权利要求1或2所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：封包层总厚度不小于50cm，其当量模量要求大于120MPa。
6.根据权利要求5所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：临海侧封包层和背海侧封包层堤顶宽度不小于1.5m，临海侧封包层坡比为1:1.5～1:5，背海侧封包层坡比为1:3～1:6。
7.根据权利要求1或2所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构，其特征在于：海堤主体的赤泥填充料与临海侧封包层、背海侧封包层的封包材料同时分层填筑至设计高度。
8.权利要求1-7任意一项所述拜耳法赤泥填筑的海堤结构的建造方法，其特征在于包括以下步骤：
a、以基础材料进行海堤基础分层压实填筑施工；
b、在海堤基础上进行海堤主体与临海侧封包层、背海侧封包层填筑施工，临海侧封包层、背海侧封包层分别位于海堤主体的两侧，与海堤主体同步填筑压实，每层压实厚度为20～25cm，海堤主体完成后进行堤顶封包层施工；
c、在堤顶封包层上铺筑道路结构；
d、在临海侧封包层外设置防浪圬工。
9.根据权利要求8所述的拜耳法赤泥填筑的海堤结构的建造方法，其特征在于：还包括在背海侧封包层外覆盖用于绿化的种植土。
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