土工格柵技術在土石壩除險加固中的應用

土工格柵技術在土石壩除險加固中的應用

1大壩除險加固技術新中國成立后，中國大力建設水資源保護，許多水庫和水庫相繼坍塌。土石壩是一種經(jīng)濟適用的水庫，代表了全國大部分水庫。幾十年的運行,加之自然災害的作用,多數(shù)大壩已不能正常運行,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措施如放緩邊坡、開挖換填、壓重固腳等存在不經(jīng)濟、施工周期長等一些弊端和問題。因此,探尋一種新型經(jīng)濟、高效的壩坡除險加固技術具有非常實用的價值。2鋼筋混凝土技術介紹2.1土工格柵的分類土工格柵是土工合成材料中的一種,與其它土工合成材料相比,它具有獨特的性能與功效。土工格柵常用作加筋土結構的筋材或復合材料的筋材等。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用上的差異,為土木工程應用領域帶來了創(chuàng)造性的突破。本文以塑料土工格柵作為研究對象。2.2加筋土擋土墻的發(fā)展現(xiàn)狀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)濟穩(wěn)定高速發(fā)展,交通運輸業(yè)發(fā)展迅速,從而帶動加筋土技術在公路、鐵路、港口碼頭建設中的發(fā)展與應用,推進了新型擋土墻的發(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)了相關的研究。2.3土工格柵加筋土技術在土石壩壩坡除險加固領域,土工格柵加筋土技術運用的較少,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在土石壩壩坡除險加固領域的應用有重要的意義。此項技術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域里,為病險土石壩除險加固技術措施的研究,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)濟效益。3工程實例3.1邊坡變形治理某水庫大壩為均質(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)狀支撐護坡,492.20m以上采用M7.5砌板石護坡;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重的蠕動變形,運行中雖經(jīng)幾次維修整治,但由于財力有限,未整治徹底,仍嚴重帶病運行。“5.12”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。3.2高高高跨坡開挖根據(jù)該水庫土石壩的初設資料,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處設一寬4m的馬道,高程486.00m設一寬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處設一寬10.0m的碾壓平臺對基底淤泥進行擠壓換填。3.3節(jié)省土壤處理方法的金元分析3.3.1游前后z軸方向該土石壩采用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。為了驗證加筋位置的不同效果,對于該壩的滑塊土,鋪設上、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壩體滑移體部分水平的加筋過程加筋后,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。這個結果是對于整個壩體而言的,而本研究更關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加筋層數(shù)計算由表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力發(fā)生在基礎底部,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上另采用一定的施工措施鋪設加筋層,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,而已建大壩位移最大值一般出現(xiàn)在壩頂位置。為驗證結果的合理性,對加筋層數(shù)進行分類計算分析,在以上兩種工況的基礎上,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。將程序運行后的最終結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壩體邊坡整地根據(jù)土工格柵在其他工程的成功運用典例,擬定在高程486.00m～497.00m逐層鋪設,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?shù)男拚?同時在豎直方向每0.5m鋪設土工格柵,共計鋪設24層。4技術經(jīng)濟安全的比較4.1傳統(tǒng)方法計算參數(shù)對文中提到的該土石壩進行傳統(tǒng)方式的除險加固處理,運用有限元強度折減理論計算出一個合理安全系數(shù),而后用加筋技術,對其進行加固,增加格柵層數(shù),直至安全系數(shù)趨近于前者。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,認為壩體已滑坡。故認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技術經(jīng)濟比較經(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,從技術經(jīng)濟比較來看,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。從技術經(jīng)濟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安全比較方案一與方案二在安全性上均達到規(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。5傳統(tǒng)處理措施的優(yōu)勢(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),而后對其進行經(jīng)濟性的比較,結果表明采用加筋技術較之傳統(tǒng)處理措施在經(jīng)濟性、施工方便性和安全性等方面具