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.華東勘測設(shè)計院，杭州 310014）

1 前 言

新中國成立之后，我國大力興修水利，一大批水庫大壩拔地而起，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，對其除險加固刻不容緩。傳統(tǒng)的土石壩壩坡滑坡除險加固技術(shù)措施如放緩邊坡、開挖換填、壓重固腳等存在不經(jīng)濟(jì)、施工周期長等一些弊端和問題。因此，探尋一種新型經(jīng)濟(jì)、高效的壩坡除險加固技術(shù)具有非常實(shí)用的價值。

2 加筋土技術(shù)簡介

2.1 土工格柵簡介

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)域帶來了創(chuàng)造性的突破。本文以塑料土工格柵作為研究對象。

2.2 加筋土技術(shù)在我國的應(yīng)用

1978年我國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，我國才開始研究和開發(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，在我國大陸已建并投入使用10000個以上的加筋土工程。近年來由于我國國民經(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普遍開展的病害水庫除險加固領(lǐng)域里，為病險土石壩除險加固技術(shù)措施的研究，開辟一條新道路、新理論，還可以為工程區(qū)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水庫大壩為均質(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206m，無防浪墻。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，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。

水庫大壩于1970年12月動工興建，1975年8月竣工。水庫自1975年竣工以來，大壩上游壩坡一直存在嚴(yán)重的蠕動變形,運(yùn)行中雖經(jīng)幾次維修整治，但由于財力有限，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)生蠕動變形。根據(jù)地勘資料，推測壩體內(nèi)部存在潛在的滑動面，如圖1。

圖1 某水庫大壩最大橫剖面圖

圖2 某土石壩加筋后幾何模型圖

3.2 傳統(tǒng)壩坡除險加固法 [1]

根據(jù)該水庫土石壩的初設(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)行削坡開挖，開挖后坡比為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，壓重平臺外坡坡比1∶3.0。由于該水庫死水位較高，淤積較深 （高程474.00m），清淤困難，在高程477.00m處設(shè)一寬10.0m的碾壓平臺對基底淤泥進(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。這個結(jié)果是對于整個壩體而言的，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)力對比表

為驗(yàn)證結(jié)果的合理性，對加筋層數(shù)進(jìn)行分類計算分析，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：

通過表2中各工況下，滑移體外輪廓線上的沉降量對比，與推測的結(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?，同時在豎直方向每0.5m鋪設(shè)土工格柵，共計鋪設(shè)24層。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)安全比較

4.1 技術(shù)比較

對文中提到的該土石壩進(jìn)行傳統(tǒng)方式的除險加固處理，運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減理論計算出一個合理安全系數(shù)，而后用加筋技術(shù)，對其進(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 壩體及主要材料計算參數(shù)建議值

表4 壩坡整治工程量比較表

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

傳統(tǒng)方法：當(dāng)折減系數(shù)為1.0時，軟件計算至收斂，水平及豎向位移量不是很大；當(dāng)折減系數(shù)為1.52時，軟件計算至收斂，此時塑性區(qū)較大，但仍未破壞；當(dāng)折減系數(shù)為1.53時，塑性區(qū)貫通計算無法收斂，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，其安全系數(shù)趨于1.53，此時軟件計算無法收斂。

4.2 經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)估算表明，方案一總投資99.2萬元，方案二總投資79.5萬元，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來看，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壩坡的穩(wěn)定有利，且比方案一節(jié)約投資19.7萬元。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)勢顯而易見。

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)大壩除險加固橫斷面圖

5 結(jié)論

（1）本文通過對兩種不同的壩坡加固處理方法的有限元計算，得出一個相同的安全系數(shù)，而后對其進(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。

（2）對某一病險土石壩的現(xiàn)狀與加筋后作三維有限元分析，得出土石壩除險加固時，土體中加筋層數(shù)越多，對壩體變形控制越好，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)在土石壩除險加固領(lǐng)域受施工技術(shù)限制，一般需要大開挖后逐層鋪設(shè)，對于小范圍的滑坡并不適用。

[1]劉坡陽,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:中國水利水電出版社,1998,12～15.

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