淺析堆山技術在工程棄土中的應用

戴明亮

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

引江濟淮工程(安徽段)江水北送亳州城市供水工程,擬建調蓄水庫位于亳州市南約15 km,坐落于亳州林擁城南外環生態旅游區南部。調蓄水庫庫容4.2萬m3,庫區地貌屬淮北平原區地貌,庫區地形平坦,地面高程35.16～36.54 m,采用下挖3 m成庫的方式。調蓄水庫庫區開挖棄土,擬作為林擁城景區微地形堆土土源。棄土堆布置于調蓄水庫北側,共堆放3處景觀地形,地形占地面積約43萬m2,分為三處地形塑造區域,高度分別為20～33 m、17 m、12 m左右。堆土總方量約501.1萬m3,堆土邊坡為1∶4～1∶8。

依據《水利水電工程水土保持技術規范》(SL 575-2012),堆渣量大于100萬m3,棄土場級別為3級,棄土堆按3級建筑物設計。

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)、《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2020)的規定,通過工程類別、施工難易度及邊坡穩定分析,本次棄土堆填筑壓實度不小于0.92。

1 堆體邊坡穩定分析

1.1 計算模型

根據場地地形和巖土工程勘察報告,選取3號棄土堆斷面進行邊坡穩定分析,并根據選取斷面進行沉降計算。根據地形圖和地勘剖面圖建立計算斷面的簡化模型,棄土堆及斷面分布及鉆孔位置詳見下圖。

圖1 棄土堆地質勘探孔平面圖

1.2 計算參數取值

根據堆土區巖土工程勘察報告,并參考《工程地質手冊》和《水力發電工程地質手冊》等資料,主要土層計算力學指標見表1。

表1 棄土堆地基參數指標統計表

土層代號土層名稱壓縮模量/MPa泊松比容重/(kN/m3)C/kPaΦ/deg ②粉質黏土9.110.3819.212015 ③粉土9.640.3519.62520 ④細砂10.00.320.00020 ⑤粉質黏土15.150.3819.6325.016.5 ⑥粉土10.210.3519.3427.013.5 ⑦粉質黏土14.820.3819.6843.016.3

根據擊實試驗成果,對取土區自然方壓縮后,主要土層計算力學指標取小值平均值,詳見表2。工程施工過程中,應根據施工碾壓試驗,對相關計算參數再進行復核。

表2 堆土參數指標統計表

1.3 邊坡穩定計算方法和計算結論

本次棄土邊坡穩定計算采用河海大學編制的“AutoBank”軟件進行計算,計算時采用有效應力畢肖普法。主要計算成果,各斷面最危險滑動面安全系數見表3及如圖3、圖4所示。

表3 邊坡穩定計算成果統計表

圖2 剖面3正常運行期最危險滑動面

圖3 剖面4正常運行期最危險滑動面

由以上計算可知,坡面均滿足穩定要求。

2 堆體豎向沉降分析

2.1 經驗公式

沉降計算方法采用《碾壓土石壩設計規范》(SL 274-2020)附錄E中的分層總和法計算。沉降計算公式如下:

式中:ei0為第i層起始孔隙比;eit為第i層相應于竣工時或最終的豎向有效應力作用下的孔隙比;n為土層分層數目;hi為第i層土層厚度。

考慮棄土堆地基覆蓋層較厚,受壓層的計算深度,按照棄土堆附加應力等于山基自重豎向應力20%處的深度作為計算深度，結果見表4。經分析計算,1號棄土堆地基可壓縮層厚度約12 m;2號棄土堆地基可壓縮層厚度約50 m;3號棄土堆地基可壓縮層厚度約30 m;4號棄土堆地基可壓縮層厚度約75 m。

表4 棄土堆沉降位移計算成果表

2.2 使用有限元軟件計算沉降量

使用河海大學編制的水工有限元軟件AutoBank對棄土填土和場地基礎進行應力變形計算分析,計算結果見表5及如圖4、圖5所示。

表5 沉降位移計算成果統計表

圖4 剖面3沉降等值線

圖5 剖面4沉降等值線

2.3 固結計算分析

在沉降計算基礎上,根據施工組織安排,棄土分步加載,基礎為0加載步,棄土堆每隔5 m高度逐級增量加載步,初始條件位移和孔隙水壓力歸零,分析計算地基固結度。本次棄土堆填筑施工周期為1年,施工完成后,棄土堆固結度達到30%左右。棄土堆、地基沉降固結度如圖6所示。

圖6 棄土堆固結度等值線圖(第1年)

2.4 施工預留沉降量

根據軟件及手工計算結果對比分析,4座棄土堆最大沉降量基本在山高的6%～9%,根據以往土壩工程以及棄土工程經驗,棄土堆施工過程中,棄土堆、地基已發生部分沉降,棄土施工完成后,應預留部分沉降高度以滿足設計要求。根據施工組織安排,本次棄土堆填筑施工周期為1年。按照固結計算成果,施工完成后4座棄土堆基礎沉降固結度不同,棄土堆預留沉降量為:棄土堆施工完成,預留沉降量70%,預留沉降超高1.00 m。

3 堆體橫向位移分析

3.1 使用有限元軟件計算橫向位移

使用河海大學編制的水工有限元軟件AutoBank對棄土填土和場地基礎進行應力變形計算分析,計算結果見表6及如圖7、圖8所示。

表6 橫向位移計算成果統計表

圖7 剖面3橫向位移等值線

圖8 剖面4橫向位移等值線

3.2 棄土工程對水庫大壩的影響分析

根據位移計算成果,棄土堆沉降過程中,距離水庫大壩壩腳在32～105 m,對水庫大壩產生的豎向位移為0.021～0.369 m,對水庫大壩產生的橫向位移為0.022～0.186 m,見表7，總體對水庫大壩軸線位置影響及產生的沉降很小,不會對大壩穩定造成安全影響。實際施工過程中,可先棄土、后筑壩,減小對水庫大壩安全的影響。

表7 棄土對水庫大壩的影響

4 結束語

工程棄土應用于景觀微地形、堆山項目中,類似的項目屢見不鮮,隨著人們生活品質的提高,土方堆山對造型、高度要求也越來越高,施工所需要面對的問題也越來越多,越來越復雜,這就要求設計人員對安全問題高度重視,同時還要創新和突破,從而保證土方堆山的施工質量、安全性和景觀性。