土工格柵加筋土技術(shù)在土石壩壩坡加固中的應(yīng)用

孫啟亮，張洪亮，唐遠(yuǎn)東

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.國(guó)電迪慶香格里拉發(fā)電有限責(zé)任公司，迪慶 674400；3.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310014）

1 前 言

新中國(guó)成立之后，我國(guó)大力興修水利，一大批水庫(kù)大壩拔地而起，土石壩作為一種比較經(jīng)濟(jì)適用的壩型，占據(jù)了全國(guó)大壩的絕大部分。幾十年的運(yùn)行，加之自然災(zāi)害的作用，多數(shù)大壩已不能正常運(yùn)行，對(duì)其除險(xiǎn)加固刻不容緩。傳統(tǒng)的土石壩壩坡滑坡除險(xiǎn)加固技術(shù)措施如放緩邊坡、開(kāi)挖換填、壓重固腳等存在不經(jīng)濟(jì)、施工周期長(zhǎng)等一些弊端和問(wèn)題。因此，探尋一種新型經(jīng)濟(jì)、高效的壩坡除險(xiǎn)加固技術(shù)具有非常實(shí)用的價(jià)值。

2 加筋土技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 土工格柵簡(jiǎn)介

土工格柵是土工合成材料[1]中的一種，與其它土工合成材料相比，它具有獨(dú)特的性能與功效。土工格柵常用作加筋土結(jié)構(gòu)的筋材或復(fù)合材料的筋材等。土工格柵分為塑料土工格柵、鋼塑土工格柵、玻璃纖維土工格柵和玻纖聚酯土工格柵四大類。土工格柵的發(fā)展，可以追溯到上世紀(jì)七十年代，塑料土工格柵作為一種新型土工合成材料出現(xiàn)了，到了近現(xiàn)代又出現(xiàn)了玻纖土工格柵及經(jīng)編土工格柵。這幾類不同類型的土工格柵的出現(xiàn)，由于材料本身的性能及其應(yīng)用上的差異[1]，為土木工程應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了創(chuàng)造性的突破。本文以塑料土工格柵作為研究對(duì)象。

2.2 加筋土技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用

1978年我國(guó)在云南建成第一座加筋土擋土墻。該擋土墻采用鏈接的鋼筋混凝土筋條。直到20世紀(jì)80年代中葉，我國(guó)才開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)土工織物。之后，加筋土的理論與技術(shù)都得到了較快地發(fā)展?，F(xiàn)在，加筋土已用來(lái)加固建筑地基，形成公路、鐵路路堤，構(gòu)筑加筋土擋土墻等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)大陸已建并投入使用10000個(gè)以上的加筋土工程。近年來(lái)由于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定高速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速，從而帶動(dòng)加筋土技術(shù)在公路、鐵路、港口碼頭建設(shè)中的發(fā)展與應(yīng)用，推進(jìn)了新型擋土墻的發(fā)展與研究。期間，建成了一些多級(jí)超高加筋土擋土墻，如三峽移民工程巫山新城的57m高加筋土擋土墻等，并引發(fā)了相關(guān)的研究。

2.3 土工格柵加筋土技術(shù)在土石壩中的應(yīng)用前景

在土石壩壩坡除險(xiǎn)加固領(lǐng)域，土工格柵加筋土技術(shù)運(yùn)用的較少，由于土石壩壩坡的除險(xiǎn)加固與一般邊坡的加固有著一定程度的類似性，研究土工格柵加筋土技術(shù)在土石壩壩坡除險(xiǎn)加固領(lǐng)域的應(yīng)用有重要的意義。此項(xiàng)技術(shù)不但可以推廣的到目前我國(guó)普遍開(kāi)展的病害水庫(kù)除險(xiǎn)加固領(lǐng)域里，為病險(xiǎn)土石壩除險(xiǎn)加固技術(shù)措施的研究，開(kāi)辟一條新道路、新理論，還可以為工程區(qū)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，已建最大壩高31.5m，壩頂高程497.398m，壩頂寬11.89m，壩頂長(zhǎng)206m，無(wú)防浪墻。大壩上游邊坡系數(shù)從上到下依次為 1∶2.0， 1∶4.05，1∶3.70，1∶3.4， 2004 年在高程477.98m處設(shè)置18m寬的拋石壓腳平臺(tái)，高程477.98m～492.20m段采用M10水泥砂漿漿砌塊石網(wǎng)狀支撐護(hù)坡，492.20m以上采用 M7.5砌板石護(hù)坡；下游邊坡系數(shù)1∶2.0， 1∶2.1，1∶2.53， 1∶2.90 （堆石棱體）， 在高程 491.48m、486.69m和479.07m（棱體）分別設(shè)置三個(gè)馬道，寬1.5m、1.5m和3m，下游壩坡棱體以上采用天然草皮護(hù)坡。

水庫(kù)大壩于1970年12月動(dòng)工興建，1975年8月竣工。水庫(kù)自1975年竣工以來(lái)，大壩上游壩坡一直存在嚴(yán)重的蠕動(dòng)變形,運(yùn)行中雖經(jīng)幾次維修整治，但由于財(cái)力有限，未整治徹底，仍嚴(yán)重帶病運(yùn)行?！?.12”汶川大地震中，大壩內(nèi)坡震損跡象明顯，主要表現(xiàn)為：大壩內(nèi)坡開(kāi)裂加劇，網(wǎng)狀砼護(hù)坡支架斷裂，該大壩上游壩坡發(fā)生蠕動(dòng)變形。根據(jù)地勘資料，推測(cè)壩體內(nèi)部存在潛在的滑動(dòng)面，如圖1。

圖1 某水庫(kù)大壩最大橫剖面圖

圖2 某土石壩加筋后幾何模型圖

3.2 傳統(tǒng)壩坡除險(xiǎn)加固法 [1]

根據(jù)該水庫(kù)土石壩的初設(shè)資料，其推薦的處理措施為：上游壩坡高程486.00m～497.398m（即滑移體至壩頂高程）進(jìn)行削坡開(kāi)挖，開(kāi)挖后坡比為1∶2.0和1∶3.0，在高程 491.50m處設(shè)一寬4m的馬道，高程486.00m設(shè)一寬39.20m的壓重平臺(tái)，壓重平臺(tái)外坡坡比1∶3.0。由于該水庫(kù)死水位較高，淤積較深 （高程474.00m），清淤困難，在高程477.00m處設(shè)一寬10.0m的碾壓平臺(tái)對(duì)基底淤泥進(jìn)行擠壓換填。

3.3 土工格柵加筋土處理法有限元分析

3.3.1 建立有限元模型

該土石壩采用ANSYS的三維模型建立，壩基深度取2倍壩高，上下游分別沿至2倍壩高，Z軸方向（即壩軸線方向）取1倍壩高。為了驗(yàn)證加筋位置的不同效果，對(duì)于該壩的滑塊土，鋪設(shè)上、中、下三層土工格柵，間隔為5m左右，同時(shí)穿越滑弧線2m左右。其加筋后模型如圖2。

3.3.2 加筋后壩坡穩(wěn)定有限元計(jì)算

加筋后，水平方向最大位移為-0.123m，豎直方向最大位移為-0.693m，較加筋前的-0.182m和-0.721m，分別減小了0.059m和0.028m。這個(gè)結(jié)果是對(duì)于整個(gè)壩體而言的，而本研究更關(guān)注的是滑移體部分在加筋之后變化情況，由對(duì)比圖3可知，滑移體部分水平最大位移為-0.095m，而加筋前是0.0182m；豎直方向最大位移為0.625m，而加筋前是0.713m。

3.3.3 結(jié)果分析

由表1可以看出，加筋前后位移變化的效果對(duì)于滑移體部分，效果較為明顯。因最大第一和第三主應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)底部，故加筋前后影響不大，數(shù)據(jù)無(wú)明顯變化。

本文的模型是在已建大壩的基礎(chǔ)上另采用一定的施工措施鋪設(shè)加筋層，故對(duì)于越靠近上部，位移越大的土層，作用效果越明顯。一般分層碾壓的新建大壩，其位移最大值出現(xiàn)在壩高的1/2～1/3位置[5]，而已建大壩位移最大值一般出現(xiàn)在壩頂位置。

表1 加筋前后各部分位移應(yīng)力比較表

表2 各工況位移應(yīng)力對(duì)比表

為驗(yàn)證結(jié)果的合理性，對(duì)加筋層數(shù)進(jìn)行分類計(jì)算分析，在以上兩種工況的基礎(chǔ)上，增加兩種其他工況，共四種工況，即a.未加筋；b.只加上層和中層；c.加上中下三層；d.只加下層。

將程序運(yùn)行后的最終結(jié)果以圖表的形式羅列如下：

通過(guò)表2中各工況下，滑移體外輪廓線上的沉降量對(duì)比，與推測(cè)的結(jié)果比較一致，即，在沉降量較多的中上部加筋，其作用效果要優(yōu)于下部。

3.3.4 處理方法的確定

根據(jù)土工格柵在其他工程的成功運(yùn)用典例，擬定在高程486.00m～497.00m逐層鋪設(shè)，先將原滑移體部分的壩體土開(kāi)挖，然后分層回填，保持原壩體邊坡形狀不變，只做適當(dāng)?shù)男拚?，同時(shí)在豎直方向每0.5m鋪設(shè)土工格柵，共計(jì)鋪設(shè)24層。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)安全比較

4.1 技術(shù)比較

對(duì)文中提到的該土石壩進(jìn)行傳統(tǒng)方式的除險(xiǎn)加固處理，運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減理論計(jì)算出一個(gè)合理安全系數(shù)，而后用加筋技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行加固，增加格柵層數(shù)，直至安全系數(shù)趨近于前者。

表3 壩體及主要材料計(jì)算參數(shù)建議值

表4 壩坡整治工程量比較表

計(jì)算中采用折減系數(shù)均為1.0、1.52和1.53三種情況，其計(jì)算參數(shù)如表3。

傳統(tǒng)方法：當(dāng)折減系數(shù)為1.0時(shí)，軟件計(jì)算至收斂，水平及豎向位移量不是很大；當(dāng)折減系數(shù)為1.52時(shí)，軟件計(jì)算至收斂，此時(shí)塑性區(qū)較大，但仍未破壞；當(dāng)折減系數(shù)為1.53時(shí)，塑性區(qū)貫通計(jì)算無(wú)法收斂，水平及豎向位移明顯增大，認(rèn)為壩體已滑坡。故認(rèn)定壩坡上游的安全系數(shù)為1.53。

土工格柵加筋處理法：計(jì)算中也采用了折減系數(shù)為1.0、1.52和1.53三種情況，通過(guò)增加或者減少土工格柵的層數(shù)，使其折減系數(shù)趨于與傳統(tǒng)方法加固的安全系數(shù)值1.53。若在軟件中激活所有24層格柵，其安全系數(shù)值要大于1.53，為使其與傳統(tǒng)方法有一定的比較性，故選擇由下往上逐層殺死土工格柵，當(dāng)格柵層數(shù)為22層時(shí)，其安全系數(shù)趨于1.53，此時(shí)軟件計(jì)算無(wú)法收斂。

4.2 經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)估算表明，方案一總投資99.2萬(wàn)元，方案二總投資79.5萬(wàn)元，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)看，方案一與方案二均能滿足上游壩坡的穩(wěn)定要求，但由于方案二在施工期對(duì)壩坡的穩(wěn)定有利，且比方案一節(jié)約投資19.7萬(wàn)元。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面綜合分析比較后，方案二即土工格柵加固法的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

4.3 安全性比較

方案一與方案二在安全性上均達(dá)到規(guī)范要求，但方案二在維持壩坡、壩體的穩(wěn)定性方面更好：在滲透性方面，兩種方案相當(dāng)。

圖5 土工格柵加筋技術(shù)大壩除險(xiǎn)加固橫斷面圖

5 結(jié)論

（1）本文通過(guò)對(duì)兩種不同的壩坡加固處理方法的有限元計(jì)算，得出一個(gè)相同的安全系數(shù)，而后對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的比較，結(jié)果表明采用加筋技術(shù)較之傳統(tǒng)處理措施在經(jīng)濟(jì)性、施工方便性和安全性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）對(duì)某一病險(xiǎn)土石壩的現(xiàn)狀與加筋后作三維有限元分析，得出土石壩除險(xiǎn)加固時(shí)，土體中加筋層數(shù)越多，對(duì)壩體變形控制越好，加筋位置越靠近位移較大的土體，效果越好。坡度越陡，加筋效果越好。在沉降量較多的中上部加筋，其作用效果要優(yōu)于下部。

（3）加筋土技術(shù)在土石壩除險(xiǎn)加固領(lǐng)域受施工技術(shù)限制，一般需要大開(kāi)挖后逐層鋪設(shè)，對(duì)于小范圍的滑坡并不適用。

[1]劉坡陽(yáng),肖衡林,黃杰.三種不同土工格柵在土木工程中的應(yīng)用 [J].鐵道建筑,2003(4).

[2]陳秀鳴.土工格柵加固土體的受力變形 [D].河海大學(xué):2007.

[3]張啟岳.土石壩加固技術(shù) [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999,1～4.

[4]牛運(yùn)光.土壩安全與加固 [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998,12～15.

[5]戴躍華,薛繼樂(lè).ANSYS在土石壩有限元計(jì)算中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2007,5(4).