土石坝拼宽放坡碾压强度的探讨
一、问题的提出
在安全鉴定中会发现有些老土石坝已运行45十年，但由于施工质量或是原断面设计偏紧，经复核分析后，坝身稳定安全系数不满足规范要求，为确保安全，常结合坝顶加宽采取放坡的加固措施。但在拼宽放坡中，为保证拼宽坝体填筑质量，使用不恰当的重型碾压设备、并采用震动碾压，没有顾及老坝体的强度，结果在分层碾压过程，使老坝体与拼宽体的结合面下产生塑性变形，随着碾压层面的升高，下滑重量增加，产生坝坡坍滑，给工程施工造成困难，带来损失。为防范这一现象的发生，本文就此结合一工程实例进行初步探讨。
二、产生坍滑原因
拼宽坝体在分层碾压过程，均以老坝坡面为基面，其碾压荷载，将在老坝坡面下产生相应的应力，若碾压荷载过重并采用震动碾压，则在老坝体边坡下产生塑性区，随着填筑高度的升高，塑性开展区也将由下向上延伸，在塑性开展区内的老坝体将产生剪切变形，使抗剪强度降低，当拼宽部分加到一定高度，下滑力大于坝基部分的抗滑力，即将产生滑坡。
某土石坝工程坝高20m，在大坝背坡采用拼宽加固， 拼宽部分采用砾石土填筑，厚度约2.8m，砾石含量大于60%，天然密度1.89t/m
3，抗剪强度指标ψ
q=35
o，C
q=0（经验值）；老坝体r=1.94t/m
3，饱和密度r
f=1.94t/m
3，快剪值C
q=1.35 t/m
2，ψ
q=18.9
o；固快C
cq=1.96t/m
2，ψ
cq=23.5
o，含水量W=23%左右，拼宽坝体在高程31.0m以下为强风化基岩。施工分层碾压厚度50cm，采用20t震动碾分层碾压，每层碾压6遍，当拼宽坝体碾压至47.0m高程时，坝坡下滑，产生破坏。
究其大坝滑坡产生的原因，超重的碾压及震动碾压是其主要原因。经检测，由于老坝体含水量偏高处于基本饱和状态，其饱和度Sr在85%~90%之间，在超强外载作用下将产生流塑区剪切变形。根据土体极限平衡条件，判别基底某点应力是否超过塑流界限，可用临界内摩擦角和临界凝聚力作为判别标准。
----------（1）
或
----------（2）
Ψk，Ck—地基中某点在荷载作用下，达到临塑状态时的摩擦角（度）、凝聚力（t/m
2）。砂性土用Ψk值，粘性土用Ck值。
C、Ψ—地基中某点的凝聚力、摩擦角。
σ
y、σ
x、τ
xy—在荷载作用下地基中某点的垂直应力、水平应力、剪应力。（可从土坝设计或有关基础设计手册中查用）
拼宽部分坝体从31.0m高程开始碾压，20t震动碾轮压为q=20t/m
2，震动碾钢轮宽度2m，碾压顺坡轴线分层压实。每层按拼宽的设计宽度分为若干条带，逐条进行，待一层碾压完毕后，铺筑上一层，层厚50cm，如此循环往复。在每层进行第一条带碾压时，紧贴老坝体，其碾压应力将传递到老坝体。现以31.0m起始高程进行分析。
30.5m高程有5个碾压条带，边缘条带与坝体相连，活载q=20t/m
2，作用宽度b=2m（相当碾压轮宽），荷载作用这双缘点不同深度地基往往最大，是控制断面。按上述（1）、（2）式中计算可得，沿坝身深度各点临界凝聚力和内摩擦角。
|
荷载边缘点（m） |
高程（m） |
临界凝聚力CK
（t/m2） |
基土凝聚力或摩擦角C（t/m2） |
|
0.0 |
30.8 |
3.48 |
1.35 |
|
0.0 |
30.34 |
3.71 |
1.35 |
|
0.0 |
30.00 |
3.62 |
1.35 |
|
0.0 |
28.79 |
3.30 |
350#p#分页标题#e# |
从上表计算可知，除28.79m高程基岩面层的内摩擦角大于临界摩擦角处超级老坝体部分土体抗剪强度指标C值均小于临界凝聚力。由此，循环向上碾压，在老坝体与每层第一碾压条带边缘1~2m宽，4m深范围内的坝体凝聚力C值均小于临界凝聚力将产生塑性破坏。（详见下表）。
|
荷载边缘点（m） |
深度（m） |
临界凝聚力CK
（t/m2） |
基土凝聚力或摩擦角C（t/m2）， |
|
0.0 |
0.2 |
3.48 |
1.35 |
|
0.0 |
0.66 |
3.71 |
1.35 |
|
0.0 |
1.00 |
3.62 |
1.35 |
|
0.0 |
1.60 |
3.30 |
1.35 |
|
0.0 |
2.00 |
3.04 |
1.35 |
|
0.0 |
2.80 |
3.00 |
1.35 |
|
0.0 |
4.00 |
2.06 |
1.35 |
按上述分析，顺坝坡经碾压后塑性破坏区顺坝坡是连续的，应即产生滑动，然而由于活载的短暂性和施工分层的周期限间歇性，使破坏的土体强度达到一定程度的修复；另外滑致力土地体基面堆石体与砾石土之间的抗滑力，所以当碾压填筑到一定高度（本工程为47.0m高，相对高度16m）时，坝坡坍滑。后经分析，滑动面的平均
=0.65t/m
2；
=12
o，分别比原抗剪值Cq1.35t/m
2已降低48%，
=18.9
0降低63%。
三、结论与建议
综上述探讨分析，可得以下几点启示：①加固拼宽土坝碾压既要考虑拼宽坝体的设计要求（干密度、相对密度），更要顾及老坝体的容许碾压强度。为使两者兼顾，可采取调整碾压参数（如铺筑厚度，碾压遍数、控制含水量等），到设计要求。②对土质坝体，特别是老坝体含水率较高的情况下不宜采用振动碾，振动会破坏土体结构，甚至产生触变，降低老坝体强度。③碾压强度不宜超过老坝体的临塑荷载强度Pcr。若本文所述实例，临塑荷载：
D—分层填筑厚度(m)
C—坝体内聚力（采用快剪值）（t/m
2）
—坝体内摩擦角（采用快剪值）（度或弧度）
按上述计算得
=8.5 t/m
2，采用8 t/m
2，则与老坝相连的碾压条带同位置各深度的临界凝聚力C
K如下表；
|
荷载边缘点（m） |
深度（m） |
临界凝聚力CK
（t/m2） |
基土凝聚力或摩擦角C（t/m2） |
|
0.0 |
0.2 |
1.39 |
1.35（1.96）＊#p#分页标题#e# |
|
0.0 |
0.66 |
1.48 |
1.35（1.96）＊ |
|
0.0 |
1.00 |
1.45 |
1.35（1.96）＊ |
|
0.0 |
1.60 |
1.32 |
1.35 |
|
0.0 |
2.00 |
1.22 |
1.35 |
|
0.0 |
2.80 |
1.20 |
1.35 |
|
0.0 |
4.00 |
0.8 |
1.35 |
＊（1.96）为固快值
由上所述，除1.0m深度以上C
K大于C1.35t/m
2外，其余深度均小于1.35 t/m
2，但1.0m深度以上的C
K值仍小于固快值1.96t/m
2，且影响深度较小，基本在塑性开展区的容许范围，根据上述分析故建议按临塑荷载强度选择碾压设备及碾压强度是可行的。
参考资料：1、《土坝设计下册》（原水电部第五工程局、水利电力部东北勘测设计院编，水利电力出版社出版）。2、《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）
