土工格栅加筋土技术在土石坝坝坡加固中的应用

2011-04-16孙启亮张洪亮唐远东

中国水能及电气化 2011年3期

孙启亮，张洪亮，唐远东

（1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.国电迪庆香格里拉发电有限责任公司，迪庆 674400；3.华东勘测设计院，杭州 310014）

1 前言

新中国成立之后，我国大力兴修水利，一大批水库大坝拔地而起，土石坝作为一种比较经济适用的坝型，占据了全国大坝的绝大部分。几十年的运行，加之自然灾害的作用，多数大坝已不能正常运行，对其除险加固刻不容缓。传统的土石坝坝坡滑坡除险加固技术措施如放缓边坡、开挖换填、压重固脚等存在不经济、施工周期长等一些弊端和问题。因此，探寻一种新型经济、高效的坝坡除险加固技术具有非常实用的价值。

2 加筋土技术简介

2.1 土工格栅简介

土工格栅是土工合成材料[1]中的一种，与其它土工合成材料相比，它具有独特的性能与功效。土工格栅常用作加筋土结构的筋材或复合材料的筋材等。土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和玻纤聚酯土工格栅四大类。土工格栅的发展，可以追溯到上世纪七十年代，塑料土工格栅作为一种新型土工合成材料出现了，到了近现代又出现了玻纤土工格栅及经编土工格栅。这几类不同类型的土工格栅的出现，由于材料本身的性能及其应用上的差异[1]，为土木工程应用领域带来了创造性的突破。本文以塑料土工格栅作为研究对象。

2.2 加筋土技术在我国的应用

1978年我国在云南建成第一座加筋土挡土墙。该挡土墙采用链接的钢筋混凝土筋条。直到20世纪80年代中叶，我国才开始研究和开发土工织物。之后，加筋土的理论与技术都得到了较快地发展。现在，加筋土已用来加固建筑地基，形成公路、铁路路堤，构筑加筋土挡土墙等等。据统计，在我国大陆已建并投入使用10000个以上的加筋土工程。近年来由于我国国民经济稳定高速发展，交通运输业发展迅速，从而带动加筋土技术在公路、铁路、港口码头建设中的发展与应用，推进了新型挡土墙的发展与研究。期间，建成了一些多级超高加筋土挡土墙，如三峡移民工程巫山新城的57m高加筋土挡土墙等，并引发了相关的研究。

2.3 土工格栅加筋土技术在土石坝中的应用前景

在土石坝坝坡除险加固领域，土工格栅加筋土技术运用的较少，由于土石坝坝坡的除险加固与一般边坡的加固有着一定程度的类似性，研究土工格栅加筋土技术在土石坝坝坡除险加固领域的应用有重要的意义。此项技术不但可以推广的到目前我国普遍开展的病害水库除险加固领域里，为病险土石坝除险加固技术措施的研究，开辟一条新道路、新理论，还可以为工程区带来可观的经济效益。

3 工程实例

3.1 工程概况

某水库大坝为均质土坝，已建最大坝高31.5m，坝顶高程497.398m，坝顶宽11.89m，坝顶长206m，无防浪墙。大坝上游边坡系数从上到下依次为 1∶2.0， 1∶4.05，1∶3.70，1∶3.4， 2004 年在高程477.98m处设置18m宽的抛石压脚平台，高程477.98m～492.20m段采用M10水泥砂浆浆砌块石网状支撑护坡，492.20m以上采用 M7.5砌板石护坡；下游边坡系数1∶2.0， 1∶2.1，1∶2.53， 1∶2.90 （堆石棱体），在高程 491.48m、486.69m和479.07m（棱体）分别设置三个马道，宽1.5m、1.5m和3m，下游坝坡棱体以上采用天然草皮护坡。

水库大坝于1970年12月动工兴建，1975年8月竣工。水库自1975年竣工以来，大坝上游坝坡一直存在严重的蠕动变形,运行中虽经几次维修整治，但由于财力有限，未整治彻底，仍严重带病运行。“5.12”汶川大地震中，大坝内坡震损迹象明显，主要表现为：大坝内坡开裂加剧，网状砼护坡支架断裂，该大坝上游坝坡发生蠕动变形。根据地勘资料，推测坝体内部存在潜在的滑动面，如图1。

图1 某水库大坝最大横剖面图

图2 某土石坝加筋后几何模型图

3.2 传统坝坡除险加固法 [1]

根据该水库土石坝的初设资料，其推荐的处理措施为：上游坝坡高程486.00m～497.398m（即滑移体至坝顶高程）进行削坡开挖，开挖后坡比为1∶2.0和1∶3.0，在高程 491.50m处设一宽4m的马道，高程486.00m设一宽39.20m的压重平台，压重平台外坡坡比1∶3.0。由于该水库死水位较高，淤积较深（高程474.00m），清淤困难，在高程477.00m处设一宽10.0m的碾压平台对基底淤泥进行挤压换填。

3.3 土工格栅加筋土处理法有限元分析

3.3.1 建立有限元模型

该土石坝采用ANSYS的三维模型建立，坝基深度取2倍坝高，上下游分别沿至2倍坝高，Z轴方向（即坝轴线方向）取1倍坝高。为了验证加筋位置的不同效果，对于该坝的滑块土，铺设上、中、下三层土工格栅，间隔为5m左右，同时穿越滑弧线2m左右。其加筋后模型如图2。

3.3.2 加筋后坝坡稳定有限元计算

加筋后，水平方向最大位移为-0.123m，竖直方向最大位移为-0.693m，较加筋前的-0.182m和-0.721m，分别减小了0.059m和0.028m。这个结果是对于整个坝体而言的，而本研究更关注的是滑移体部分在加筋之后变化情况，由对比图3可知，滑移体部分水平最大位移为-0.095m，而加筋前是0.0182m；竖直方向最大位移为0.625m，而加筋前是0.713m。

3.3.3 结果分析

由表1可以看出，加筋前后位移变化的效果对于滑移体部分，效果较为明显。因最大第一和第三主应力发生在基础底部，故加筋前后影响不大，数据无明显变化。

本文的模型是在已建大坝的基础上另采用一定的施工措施铺设加筋层，故对于越靠近上部，位移越大的土层，作用效果越明显。一般分层碾压的新建大坝，其位移最大值出现在坝高的1/2～1/3位置[5]，而已建大坝位移最大值一般出现在坝顶位置。

表1 加筋前后各部分位移应力比较表

表2 各工况位移应力对比表

为验证结果的合理性，对加筋层数进行分类计算分析，在以上两种工况的基础上，增加两种其他工况，共四种工况，即a.未加筋；b.只加上层和中层；c.加上中下三层；d.只加下层。

将程序运行后的最终结果以图表的形式罗列如下：

通过表2中各工况下，滑移体外轮廓线上的沉降量对比，与推测的结果比较一致，即，在沉降量较多的中上部加筋，其作用效果要优于下部。

3.3.4 处理方法的确定

根据土工格栅在其他工程的成功运用典例，拟定在高程486.00m～497.00m逐层铺设，先将原滑移体部分的坝体土开挖，然后分层回填，保持原坝体边坡形状不变，只做适当的修整，同时在竖直方向每0.5m铺设土工格栅，共计铺设24层。

4 技术经济安全比较

4.1 技术比较

对文中提到的该土石坝进行传统方式的除险加固处理，运用有限元强度折减理论计算出一个合理安全系数，而后用加筋技术，对其进行加固，增加格栅层数，直至安全系数趋近于前者。

表3 坝体及主要材料计算参数建议值

表4 坝坡整治工程量比较表

计算中采用折减系数均为1.0、1.52和1.53三种情况，其计算参数如表3。

传统方法：当折减系数为1.0时，软件计算至收敛，水平及竖向位移量不是很大；当折减系数为1.52时，软件计算至收敛，此时塑性区较大，但仍未破坏；当折减系数为1.53时，塑性区贯通计算无法收敛，水平及竖向位移明显增大，认为坝体已滑坡。故认定坝坡上游的安全系数为1.53。

土工格栅加筋处理法：计算中也采用了折减系数为1.0、1.52和1.53三种情况，通过增加或者减少土工格栅的层数，使其折减系数趋于与传统方法加固的安全系数值1.53。若在软件中激活所有24层格栅，其安全系数值要大于1.53，为使其与传统方法有一定的比较性，故选择由下往上逐层杀死土工格栅，当格栅层数为22层时，其安全系数趋于1.53，此时软件计算无法收敛。