浅析堆山技术在工程弃土中的应用

戴明亮

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

引江济淮工程(安徽段)江水北送亳州城市供水工程,拟建调蓄水库位于亳州市南约15 km,坐落于亳州林拥城南外环生态旅游区南部。调蓄水库库容4.2万m3,库区地貌属淮北平原区地貌,库区地形平坦,地面高程35.16～36.54 m,采用下挖3 m成库的方式。调蓄水库库区开挖弃土,拟作为林拥城景区微地形堆土土源。弃土堆布置于调蓄水库北侧,共堆放3处景观地形,地形占地面积约43万m2,分为三处地形塑造区域,高度分别为20～33 m、17 m、12 m左右。堆土总方量约501.1万m3,堆土边坡为1∶4～1∶8。

依据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575-2012),堆渣量大于100万m3,弃土场级别为3级,弃土堆按3级建筑物设计。

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)、《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2020)的规定,通过工程类别、施工难易度及边坡稳定分析,本次弃土堆填筑压实度不小于0.92。

1 堆体边坡稳定分析

1.1 计算模型

根据场地地形和岩土工程勘察报告,选取3号弃土堆断面进行边坡稳定分析,并根据选取断面进行沉降计算。根据地形图和地勘剖面图建立计算断面的简化模型,弃土堆及断面分布及钻孔位置详见下图。

图1 弃土堆地质勘探孔平面图

1.2 计算参数取值

根据堆土区岩土工程勘察报告,并参考《工程地质手册》和《水力发电工程地质手册》等资料,主要土层计算力学指标见表1。

表1 弃土堆地基参数指标统计表

土层代号土层名称压缩模量/MPa泊松比容重/(kN/m3)C/kPaΦ/deg ②粉质黏土9.110.3819.212015 ③粉土9.640.3519.62520 ④细砂10.00.320.00020 ⑤粉质黏土15.150.3819.6325.016.5 ⑥粉土10.210.3519.3427.013.5 ⑦粉质黏土14.820.3819.6843.016.3

根据击实试验成果,对取土区自然方压缩后,主要土层计算力学指标取小值平均值,详见表2。工程施工过程中,应根据施工碾压试验,对相关计算参数再进行复核。

表2 堆土参数指标统计表

1.3 边坡稳定计算方法和计算结论

本次弃土边坡稳定计算采用河海大学编制的“AutoBank”软件进行计算,计算时采用有效应力毕肖普法。主要计算成果,各断面最危险滑动面安全系数见表3及如图3、图4所示。

表3 边坡稳定计算成果统计表

图2 剖面3正常运行期最危险滑动面

图3 剖面4正常运行期最危险滑动面

由以上计算可知,坡面均满足稳定要求。

2 堆体竖向沉降分析

2.1 经验公式

沉降计算方法采用《碾压土石坝设计规范》(SL 274-2020)附录E中的分层总和法计算。沉降计算公式如下:

式中:ei0为第i层起始孔隙比;eit为第i层相应于竣工时或最终的竖向有效应力作用下的孔隙比;n为土层分层数目;hi为第i层土层厚度。

考虑弃土堆地基覆盖层较厚,受压层的计算深度,按照弃土堆附加应力等于山基自重竖向应力20%处的深度作为计算深度，结果见表4。经分析计算,1号弃土堆地基可压缩层厚度约12 m;2号弃土堆地基可压缩层厚度约50 m;3号弃土堆地基可压缩层厚度约30 m;4号弃土堆地基可压缩层厚度约75 m。

表4 弃土堆沉降位移计算成果表

2.2 使用有限元软件计算沉降量

使用河海大学编制的水工有限元软件AutoBank对弃土填土和场地基础进行应力变形计算分析,计算结果见表5及如图4、图5所示。

表5 沉降位移计算成果统计表

图4 剖面3沉降等值线

图5 剖面4沉降等值线

2.3 固结计算分析

在沉降计算基础上,根据施工组织安排,弃土分步加载,基础为0加载步,弃土堆每隔5 m高度逐级增量加载步,初始条件位移和孔隙水压力归零,分析计算地基固结度。本次弃土堆填筑施工周期为1年,施工完成后,弃土堆固结度达到30%左右。弃土堆、地基沉降固结度如图6所示。

图6 弃土堆固结度等值线图(第1年)

2.4 施工预留沉降量

根据软件及手工计算结果对比分析,4座弃土堆最大沉降量基本在山高的6%～9%,根据以往土坝工程以及弃土工程经验,弃土堆施工过程中,弃土堆、地基已发生部分沉降,弃土施工完成后,应预留部分沉降高度以满足设计要求。根据施工组织安排,本次弃土堆填筑施工周期为1年。按照固结计算成果,施工完成后4座弃土堆基础沉降固结度不同,弃土堆预留沉降量为:弃土堆施工完成,预留沉降量70%,预留沉降超高1.00 m。

3 堆体横向位移分析

3.1 使用有限元软件计算横向位移

使用河海大学编制的水工有限元软件AutoBank对弃土填土和场地基础进行应力变形计算分析,计算结果见表6及如图7、图8所示。

表6 横向位移计算成果统计表

图7 剖面3横向位移等值线

图8 剖面4横向位移等值线

3.2 弃土工程对水库大坝的影响分析

根据位移计算成果,弃土堆沉降过程中,距离水库大坝坝脚在32～105 m,对水库大坝产生的竖向位移为0.021～0.369 m,对水库大坝产生的横向位移为0.022～0.186 m,见表7，总体对水库大坝轴线位置影响及产生的沉降很小,不会对大坝稳定造成安全影响。实际施工过程中,可先弃土、后筑坝,减小对水库大坝安全的影响。

表7 弃土对水库大坝的影响

4 结束语

工程弃土应用于景观微地形、堆山项目中,类似的项目屡见不鲜,随着人们生活品质的提高,土方堆山对造型、高度要求也越来越高,施工所需要面对的问题也越来越多,越来越复杂,这就要求设计人员对安全问题高度重视,同时还要创新和突破,从而保证土方堆山的施工质量、安全性和景观性。