土石壩穩定性評價與加固措施研究

摘 要:基于現場調研收集的相關壩體資料，應用GeoGBA程序和極限平衡理論對阜新電廠四灰場主壩進行穩定性分析與評價;并據穩定性評價結果，開展相應加固措施研究，得出最優加固方法，為現場壩體運營提供重要參考。

關鍵詞:阜新電廠土石壩極限平衡法評價加固

中圖分類號:TV3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0058-02

引言

阜新電廠四灰場主壩位于阜新市北11km處，是該電廠粉煤灰及廢水的主要排泄場地[1]。場區地面標高界于219.40～417.60m之間，為低山丘陵區。整個大壩呈橢圓形，壩的南側為一“U”形谷，谷低較平坦，寬約100m。溝谷西側為黃土陡崖，崖高6～8m，近于直立。東側為居民區。西側壩肩為巖石山坡，坡度約為12°。東側壩肩部分為巖石山坡，部分為土山坡，山坡坡度約為15°，山坡上植被較差。大壩北側為一灰渣庫。在主壩東北角處有一副壩，副壩呈橢圓形，壩長約為50m左右，壩寬約為20m左右。主壩壩體為均質土石壩，壩高35m，壩長448.14m，頂寬為5m，底寬為45m。壩基標高為224.00m，壩體外側有一層碎石護坡，厚度約為0.3m。內側為碎石護坡，部分為草皮護坡。壩內水位很低，水主要集中在北側，南側可見壩底。

土石壩的穩定性模擬是計算最危險滑動面，以及安全系數，研究最危險滑動面位置及安全系數，不僅給進一步研究此類問題提供依據，也給設計、施工、維護加固提供依據，開展阜新電廠四灰場壩體穩定性評價與加固措施研究具有重要的理論意義和實用價值。

1 模型建立

分析軟件采用基于極限平衡理論的同濟曙光GeoFBA2D 4.0邊坡穩定性分析軟件，搜索最危險滑動面位置，滑動面選擇自定義圓弧形滑動面。

安全儲備系數的確定大壩區工程地質條件的認識程度和對所收集到的資料的掌握程度，并考慮到研究區域邊坡的存留時間(<10年)及內排土場的建設速度等因素，選取安全儲備系數為1.25。

阜新電廠四灰場主壩，壩高35m，壩頂寬5m，壩底寬45m左右，壩底與兩側斜坡夾角為60°，壩體橫斷面為等腰梯形。由于壩體為土壩故其結構與地基結構相當，取L=2B。為便于計算，取地基為矩形區域比較符合程序要求。則所得計算模型如圖1所示。

壩基巖土層按三層考慮:土層厚約5.4m;砂石層厚約10.1m;底層為花崗巖。物理力學參數取為:

土層:，，;

砂石層:，，;

花崗巖層:，，。

對于壩體本身，筑壩材料為黃土。該土為黃～黃褐色，含少量碎石、角礫，稍濕，硬塑。壩體物理力學參數為:剪切模量S=3.79MPa，體積模量B=9.26MPa，密度=1.47g/cm3，內摩擦角=22.3°，凝聚力C=0.49MPa。

邊界條件設定為:左、右邊界x方向固定;底邊界y方向固定;壩體左側按最高水位設定;另一側為自由面;地表無荷載。

2穩定性分析

阜新電廠四灰場土石壩工程未進行任何加固措施，也無任何外界荷載作用，模型無加筋結構，無坡面荷載。圖2為滑動面穩定分析結果。

利用簡化畢肖普法計算最危險滑動面的安全系數Fs=1.0327，圓心坐標:(118.60，105.04)，半徑:20.013570。不符合國家大壩安全要求，需要對壩體進行加固。

3 壩體加固措施研究

3.1 加固方法研究

根據模擬試驗確定加固措施。對阜新電廠四灰場主壩進行不同加固措施優化，得出不同安全系數。擬定不同加固方法見表1。

根據以上數據得出:

(1)土工布沒有提高安全系數的作用。

(2)相同的土釘比土錨安全系數提高更多。

(3)由于土釘、土錨造價較高，安全系數調高的不是很多，因此應盡量少用。

阜新電廠四灰場主壩工程定為二級邊坡，按照圓弧滑動面計算，安全系數是1.25。雖然土工布沒有起到安全系數的作用，但是土工布能防止上下層砂石、土體之間混雜，使土體更加穩定，因此不可缺少。

據表1可見，采用土釘、土錨和土工布多種綜合方式進行加固效果最佳，因此每米設一排釘、一排土錨和鋪筑土工布方案對主壩壩體進行加固效果最優。以下是采取的加固措施計算。

3.2 最危險情況下計算結果分析

對阜新電廠四灰場壩體進行土釘、土錨和土工布綜合加固措施，考慮最大水深35m。考慮最危險情況下的滑動面穩定分析結果:安全系數Fs=2.2960，圓心坐標:(114.67，108.73)，半徑:13.96。滿足安全系數要求。

4結語

分析表明，阜新電廠四灰場土石壩未采取任何加固措施時，安全系數不滿足要求，需要采取相應加固措施。

經優化分析，每米長壩體施加一排土釘、一排土錨和土工布，加固后安全系數為Fs=2.3415，而未加固前安全系數為Fs=1.0327，安全系數提高了1.3088，達到了土石壩安全系數要求，而且有利于主體壩體使用年限加長。在使用過程中，提高了安全儲備。

另外，考慮到壩體長期使用中水位線有可能抬高，考慮最不利水位，即水位達到壩頂水深35m時的壩體穩定性，得出最危險滑動面位置，最小安全系數Fs=2.2960，雖然略小于水深為30m時的安全系數，但遠大于國際規定的二級邊坡按圓弧形滑動法的安全系數1.25，因此加固后的大壩可以滿足長期使用的要求。

參考文獻

[1]北京有色冶金設計研究院.阜新電廠灰渣庫設施施工圖、階段工程水文地質勘測任務書[R].1983:20～26.

[2]閻中華.土石壩穩定計算方法評述[J].人民黃河，1995，17(7):33～37.

[3] 吳中如.大壩安全綜合分析和評價的理論、方法及其應用[J].水利水電科技進展，1998，18(6):36～40.

[4]傅瓊華，黃真.土石壩安全監測及其資料整理分析方法綜述[J].江西水利科技，1997，23(2):124～128.

[5]方衛華.綜論土石壩的安全監測[J].紅水河，2002，21(4):64～67.

[6]方朝陽，夏富洲.土石壩安全監測綜合評判準則研究[J].武漢大學學報，2001，34(5):27～31.