工程废弃土在土石坝加固中的应用分析

摘要：工程建设会产生大量的废弃土，处理不当会对环境产生各种不良的影响，为解决这一问题，提出用废弃土加固土石坝。以某水库加固为例，采用二维解析法和三维有限元模型相结合的方法对用废弃土加固的土石坝进行渗流分析、稳定分析、位移分析。结果表明：加固后土石坝不但满足渗流、抗滑稳定、位移变形要求，而且生态经济效益优势明显，符合生态水利的理念，为水库除险加固提供了新思路。

关键词：废弃土；土石坝；渗流；抗滑稳定；安全；经济；除险加固

中图分类号：TV62文献标志码：A文章编号：

1672-1683（2015）001-0105-03

The analysis of application of engineering building wastes in earth-rock dam reinforcement

ZHOU Guang-fa，LIU Fu-sheng，LIU Zhong-qiu

（Water Conservancy and Civil Engineering College，Shandong Agriculture University，Taian 271000，China）

Abstract：Engineering construction produce a large number of building wastes，unsuitable treatment will have a variety of adverse effect on the environment，in order to solve this problem，The author puts forward Strengthen the earth-rock dam with building wastes.Take a reservoir reinforcement as an example，using the method of combining the Two-dimensional and three-dimensional finite element modeling，analysis the Seepage，stability，displacement of the dam strengthen with building wastes.The results show that the dam after reinforcement not only meet the constraint of seepage，stability against sliding，displacement deformation，but also the ecological and economic benefits obvious advantages，in accordance with the concept of ecological water conservancy.The new type of Earth-Rock dam provides a beneficial thought for the development of the ecological conservancy，providing a new idea for reservoir reinforcement.

Key words：building wastes；Earth-Rock dam；seepage；stability against sliding；safety；economy；reinforcement

土石坝的坝体断面一般为重力坝坝体断面的5倍，但因其适应性强，造价低[1-2]，广泛被世界各国采用。在我国90%以上是土石坝，但这些土石坝大部分是20世纪50-60年代兴建的[3]，在设计、施工方面均存在一些问题[4-5]，坝体作为整个水利枢纽工程中的主要建筑物，是涉及工程安全的关键所在。目前，我国已经完成了部分中小型病险水库的除险加固，但我国中小型水库数量众多，现有病险土石坝除险加固任务仍然艰巨[6-7]。而在工程建设中难以避免地产生各种各样的工程废弃土[8]，工程废弃土的堆放不但要占用大量的土地资源，而且污染环境。把工程废弃土进行处理有效的转化为再生资源利用在土石坝加固方面也是保证我国工程可持续发展的关键环节。

1工程概述

某水库在进行电站工程施工的过程中产生了280万m3废弃土，考虑到运输费用、占地费用、生态环境等问题，在不影响水库正常工作性能的前提下把废弃土直接堆放到土石坝坝体之后，并对废弃土进行碾压，形成了一个更大的土石坝坝体，使原有的病险土石坝变为安全系数很高的土石坝。为了环境美观，在坝顶提供的宽阔空间上建造一个公园，上面绿树环绕，有照明路灯，景观建筑，植被覆盖率80%以上，不但给整个水库增加了一道亮丽的风景线，也为市民提供了一个散步游乐的场所。

2安全稳定分析

2.1计算工况

（1）工况一：上游正常蓄水位165.00 m，下游无水。

（2）工况二：上游设计洪水位166.47 m，相应下游最高水位151.543 m。

（3）工况三：上游校核洪水位167.10 m，相应下游最高水位153.386 m。

（4）水位骤降时的三种情况，见表 1。

2.2计算参数

土石坝土工参数的取值见表2。

表1水位骤降情况

水位变化范围/m水位降幅/m下降时间/h

165.00降至162.302.75

163.10降至159.903.25

159.80降至154.005.85

2.3分析计算

模型建立：采用有限元软件对该水库加固渣料后的主坝0+72.000～0+470.000坝段进行了三维渗流场分析、抗滑稳定分析和坝移分析，计算模型和网格划分见图1，计算模型模拟的材料分区包括：基岩、坝基砂砾石地基、加固前主

表2土工参数的取值

坝、坝前加固后坝体、坝后加固后渣料、防渗墙。模型共划分18 779节点，13 867单元，六面体单元10 815个，四面体单元3 052个。

图1坝体公园有限元模型

2.3.1渗流分析

本文采用二维水力学法和三维有限元建模分析相对比，来保证渗流计算结果的准确性。三维建模采用初流量法[9-11]处理无压渗流自由面，对土石坝坝体坝基的渗流场进行分析，现选取典型断面（主坝X=0+300）进行渗流分析，图2和图3非别为为工况三孔隙水压力云图和饱和度分布云图。

图2主坝X=0+300 工况三孔隙水压力云图

图3主坝X=0+300 工况三饱和度分布云图

由孔隙水压力分布图可以看得出工况一的溢出点高程约为1475 m，工况二的溢出点高程约为1520 m，工况三的溢出点高程约为1536 m。同样选取主坝X=0+300断面，运用水力学的方法对生态土石坝进行渗流计算，三种工况的溢出点的计算结果为：工况一时溢出点高程为14766 m；工况二溢出点高程为151911 m；工况三溢出点高程为153647 m，与三维渗流场计算结果基本一致，保证了逸出点的准确性。流土临界坡降[12]根据太沙基公式计算得到[J]=073，管涌[13]的允许坡降[J]=02。经计算坝体最大出渗坡降Jmax=0447

2.3.2抗滑稳定分析

选取最不安全面主坝X=0+300断面进行稳定性分析计算，二维坝坡稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，有限元模型采用折减强度法，计算结果见表3。

表3主坝X=0+300 不同工况下抗滑稳定安全系数

由表3可以看出把废弃土堆砌到土石坝后侧，其安全系数比原土石坝安全系数明显增大，下游坡的安全系数由

2.3.3位移变形分析

由于废弃物堆放在坝体下游，使坝体的土体所受荷载增加，土体将产生新的不可恢复的瞬时滑移变形或整体永久变形[14]。因此，坝体的位移需要重新验算。笔者利用三维有限元模型对三种工况下土石坝水平和竖直方向位移大小进行模拟计算，现选取位移变形最大工况位移云图如图4和图5，从位移云图看出三种工况下水平方向和竖直方向最大位移值不超过10 cm，该水库坝高22 m，满足坝移变形一般不超过坝高的1%的要求，说明废弃土加固后的土石坝满足位移变形要求。

图4水平方向位移云图

图5竖直方向位移云图

3生态与经济效益优势

3.1生态效益优势

废弃土用来加固病危土石坝不但解决了废弃土的堆放占用土地面积，污染环境等问题，而且为加固病危土石坝提供了一种新思路。加固后的土石坝坝顶宽度大大增加，为植树种草，绿化坝体提供了广阔的面积，有利于生态平衡，符合当代生态水利的号召。此外，大量的植树种草提高了植被覆盖率，改善了局部小气候，减少水土流失，净化水质。

3.2经济效益优势

将废弃土进行处理转换为再生资源应用到土石坝加固当中，避免了废弃土堆放的占地费用，解决了废弃土量大，处理难的问题，是一项投资小但社会效益很大的重要工作。此外，废弃土加固模式大大增大了坝顶的宽度，可以充分利用上面的空间建设广场，为居民提供一个观水平台，也为他们提供了一个娱乐休闲及锻炼身体平台，缓解了土地资源紧缺的矛盾。

4结论

（1）利用废弃土加固病危土石坝解决了废弃土产量大堆放困难的难题。

（2）废弃土加固后的土石坝满足渗流、抗滑稳定和位移变形等方面的安全要求，抗滑稳定安全系数大大提高，达到了除险加固的效果。

（2）利用废弃土加固土石坝，实现了资源的再利用，具有较高的生态效益和经济效益，符合我国可持续发展和生态水利的要求。

（4）废弃土加固土石坝为后续的中小型水库加固提供了一个全新思路，有利于我国水利事业的发展。

参考文献：

[1]牛效辉.土石坝断面优化设计研究[D].西华大学，2008.

[2]罗江锋.除险加固土石坝的渗流场和应力场耦合分析研究[D].南昌大学，2011.

[3]孙继昌.中国的水库大坝安全管理[J].中国水利，2008（20）：10-14.

[4]乔勇，苗树英，续继峰.中国土石坝施工技术进步综述[J].水利水电施工，2012（6）：1-6.

[5]李树枫.土石坝老化病害评价指标体系及对策研究[D].中国农业大学，2005.

[6]严祖文，魏迎奇，张国栋.病险水库除险加固现状分析及对策[J].水利水电技术，2010（10）：76-79.

[7]盛金宝，刘嘉裕张士辰，等.病险水库除险加固项目溃坝机理调查分析[J].岩土工程学报，2008（11）：1620-1625.

[8]朱伟，刘汉龙，高玉峰.工程废弃土的再生资源利用技术[J].再生资源研究，2001（6）：32-35.

[9]潘树来，王全凤，俞缙.利用初流量法分析有自由面渗流问题之改进[J].岩土工程学报，2012（2）：202-209.

[10]李新强.无压渗流有限元分析的改进初流量法[J].水利学报，2007（8）：961-965.

[11]张顺福，丁留谦，刘昌军，等.基于子域积分的初流量法改进[J].水电能源科学，2013（3）：15-18.

[12]毛昶熙，段祥宝，吴良骥.砂砾土各级颗粒的管涌临界坡降研究[J].岩土力学，2009（12）：3705-3709.

[13]介玉新，董唯杰，傅旭东，等.管涌发展的时间过程模拟[J].岩土工程学报，2011（2）：215-219.

[14]李红军，迟世春，钟红，等.高土石坝地震永久变形研究评述[J].水利学报，2007（S1）：178-183.