总第７４期第３期 中国水能及电气化 ＣＨＩＮＡ ＷＡＴＥＲ ＰＯＷＥＲ＆ＥＬＥＣＴＲＩＦＩＣＡＴ１０Ｎ ＴＯＴＥＬ Ｎｏ．７４ Ｍａｒ．，２０１１ ２０１１年３月 土工格栅加筋土技术在土石坝坝坡加固中的应用 孙启亮１ｔ张洪亮２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） 摘要：本文介绍了加筋土技术在土石坝除险加固工程中的应用，并与传统的土石坝除险加 固技术进行了对比分析。通过对两种不同的坝坡加固处理方法的有限元计算和技术经济性的 比较分析，验证了土工格栅技术在土石坝坝坡加固应用中具有的便于施工和安全经济等优 势。本研究对坝坡处理措施的选择具有一定的参考价值。 关键字：土石坝；坝坡加固；土工格栅；加筋土技术 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｗｏｒｋ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｓｏｉｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｅａｒｔｈ ａｎｄ Ｒｏｃｋｆｉ１１ Ｄａｍ Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ＳＵＮ Ｑｉ—ｌｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｌｉａｎｇ２，ＴＡＮＧ Ｙａａｎ—ｄｏｎｇ。 （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｏｆ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５．Ｃｈｉｎａ； ３．Ｅａｓｔ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ） ２．Ｓｔａｔｅ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｑｉｎｇ Ｓｈａｎｇｒｉ－Ｌａ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｄｉｑｉｎｇ ６７４４００，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅａｒｔｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ ｄａｎｇｅｒ ｒｅｍｏｖａｌ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｅｋｆｉｌｌ ｄａｍ ｄａｎｇｅｒ ｒｅｍｏｖａｌ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ｗｏｒｋ ｇｒａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓａｆｅｔｙ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｋｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｎ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｂｒａｃｅｍｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ；ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｃｉｖｉｌ ｗｏｒｋ ｇｒａｔｉｎｇ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅａｒｔｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 中图分类号：ＴＶ５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—８２４１（２０１ １）０３－００４２－－０６ 收稿日期：２０１０—１２—１０ 作者简介：孙启亮４２ （１９８３一），男，在读硕士研究生。Ｅ－ｍａｉｈ １５８０７７５５３＠ｑｑＣＯＢ ．规划设计ｓ施Ｉ １ 日Ｉ！ Ｊ 舌 —Ｊ～ 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 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 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 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、 施丁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Ⅲ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…，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８Ｏ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 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，ｌ：４．０５，１：３．７０，ｌ：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ｌ２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。 ４３ 规划设计与施Ｉ 图１ 某水库大坝最大横剖面图 ｙ 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 ｌ３．３．２加筋后坝坡稳定有限元计算 加筋后，水平方向最大位移为一０．１２３ｍ，竖 直方向最大位移为一０．６９３ｍ，较加筋前的一０．１８２ｍ 和一０．７２１ｍ，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一０．０９５ｍ，而 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 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ｊ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。 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 本文的模型是在已建大坝的基础上另采用一 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ｌ倍坝高。为了验 证加筋位置的不同效果，对于该坝的滑块土， 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位置网，而已建大坝位移最大值一般出现在坝 铺设上、中、下三层土工格栅。问隔为５ｍ左 右，同时穿越滑弧线２ｍ左右。其加筋后模型如 图２ 顶位置。 为验证结果的合理性，对加筋层数进行分类 规划设ｉ￣－与麓Ｉ 昌 趔 世 蜉 图３加筋前后滑移体沿上游坝坡轮廓线位移比较图 表１ 加筋前后各部分位移应力比较表 计算分析，存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；ｈ．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 女ｎ下： 拟定在高程４８６．ＯＯｍ～４９７．ＯＯｍ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。 通过表２中各丁况下，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， 存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 ４技术经济安全比较 ４．１技术比较 根据土工格栅存其他工程的成功运用典例， 对文中提到的该土石坝进行传统方式的除险 ４５ 规划设计与施Ｉ 加固处理，运用有限元强度折减理论计算出一个 １．５３，为使其与传统方法有一定的比较性，故选 合理安全系数．而后用加筋技术，对其进行加 择由下往上逐层杀死土工格栅．当格栅层数为 固，增加格栅层数，直至安全系数趋近于前者。 ２２层时，其安全系数趋于１．５３，此时软件计算 计算中采用折减系数均为１．０、１．５２和１．５３ 无法收敛。 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 ４．２经济性比较 至收敛，水平及竖向位移量不是很大：当折减系 经估算表明，方案一总投资９９．２万元，方 数为１．５２时，软件计算至收敛，此时塑性区较 案二总投资７９．５万元，从技术经济比较来看， 大，但仍未破坏：当折减系数为１．５３时，塑性 方案一与方案二均能满足上游坝坡的稳定要求， 区贯通计算无法收敛，水平及竖向位移明显增 但由于方案二在施工期对坝坡的稳定有利，且比 大，认为坝体已滑坡。故认定坝坡上游的安全系 方案一节约投资１９．７万元。从技术经济等方面 数为１．５３。 综合分析比较后，方案二即土工格栅加固法的优 土工格栅加筋处理法：计算中也采用了折 势显而易见 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 ４．３安全性比较 与传统方法加固的安全系数值１．５３。若在软件 方案一与方案二在安全性上均达到规范要 中激活所有２４层格栅，其安全系数值要大于 求，但方案二在维持坝坡、坝体的稳定性方面更 规翻设计与施Ｉ ！ １１８９．３９２０ ，５８０ １６４８ ４００ Ｉｌ８１ ～ １１８４ １５０ １０（６１ ｊ０ １９２８，３ｏ９ 图４传统措施大坝除险加固横断面图 图５ 土工格栅加筋技术大坝除险加固横断面图 好：存渗透性方面，两种方案相当。 （３）加筋土技术在土石坝除险加固领域受施 工技术，一般需要大开挖后逐层铺设，对 于小范围的滑坡并不适用。 参考文献： 【１］刘坡阳，肖衡林，黄杰．三种不同土工格栅在土木工程中的 ５结论 （１）本文通过对两种不同的坝坡加固处理方 法的有限元计算，得出一个相同的安全系数， 而后对其进行经济性的比较，结果表明采用加 筋技术较之传统处理措施在经济性、施工方便 性和安全性等方面具有明显优势。 （２）对某一病险土石坝的现状与加筋后作 应用【ＪＪ．铁道建筑，２００３（４）． ［２］陈秀鸣．土Ｔ格栅加同士体的受力变形［Ｄ】．河海大学： ２００７． ［３］张启岳．土石坝加阎技术［Ｍ】．北京：中国水利水电出版 社。１９９９．１～４． 维有限元分析，得出土石坝除险加固时，土体 中加筋层数越多，对坝体变形控制越好，加筋 位置越靠近位移较大的土体，效果越好。坡度 越陡，加筋效果越好。在沉降量较多的巾上部 ［４１牛运光．土坝安全与加同【Ｍ］．北京．Ｉ｝｜围水利水电出版 丰十，１９９８，１２～ｌ５． 【５】戴跃华，薛继乐．ＡＮＳＹＳ在土石坝有限元计算中的应用 加筋，其作用效果要优于下部。 ｆＪ】．水利与建筑丁程学报，２００７，５（４）． ４７
