子壩加高工程灰壩壩面布置運(yùn)灰道路的穩(wěn)定性分析*

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

子壩加高工程灰壩壩面布置運(yùn)灰道路的穩(wěn)定性分析*

馮永欣1蔡紅2張哲源1

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司西溝貯灰場現(xiàn)有運(yùn)灰道路沿北側(cè)壩肩到達(dá)四級(jí)子壩壩頂，為滿足堆灰要求，規(guī)劃在原有四級(jí)子壩基礎(chǔ)上新修五至八級(jí)坡度較大的子壩，將導(dǎo)致運(yùn)灰道路無法延伸至后期壩頂，需要從加高子壩壩面上修建運(yùn)灰道路，造成灰壩的局部安全性降低。以往研究中，尚未見到有針對(duì)車輛動(dòng)荷載和地震荷載作用下貯灰場壩面修建運(yùn)灰道路穩(wěn)定性的分析。為切實(shí)保證新修各級(jí)子壩的穩(wěn)定和保障壩面上運(yùn)灰道路的暢通，開展動(dòng)荷載作用下壩面修建運(yùn)灰道路的穩(wěn)定性分析就顯得尤為重要。本文在現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過有限元數(shù)值計(jì)算，對(duì)灰場子壩加高后壩面布置運(yùn)灰道路進(jìn)行安全論證，分析了車輛動(dòng)載和地震荷載對(duì)灰壩穩(wěn)定的影響，為類似工程積累了研究經(jīng)驗(yàn)。

子壩加高；貯灰場；壩面；運(yùn)灰道路；穩(wěn)定性分析

1 前 言

載重車輛行駛會(huì)對(duì)運(yùn)灰道路表面產(chǎn)生激勵(lì)[1]，引起路面介質(zhì)變形，這一物理變形將在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成彈性波，并在介質(zhì)中傳播形成地震波，在原理上與地震類似，但震級(jí)要比天然地震小的多。運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載隨車輛和道路的構(gòu)造及車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化，具有隨機(jī)性和重復(fù)性，進(jìn)而在灰壩中產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力、變形和其他動(dòng)力響應(yīng)[2-5],會(huì)造成灰壩的局部安全性降低。以往研究中，尚未見到有針對(duì)車輛動(dòng)荷載和地震荷載作用下貯灰場壩面修建運(yùn)灰道路穩(wěn)定性的分析。為切實(shí)保證新修各級(jí)子壩的穩(wěn)定[6]和保障壩面上運(yùn)灰道路的暢通，開展車輛動(dòng)載和地震荷載作用下壩面修建運(yùn)灰道路的穩(wěn)定性分析就顯得尤為重要。

本文以華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司西溝貯灰場壩面修筑運(yùn)灰道路為背景，在現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過有限元數(shù)值計(jì)算，對(duì)灰場子壩加高后壩面布置運(yùn)灰道路進(jìn)行安全論證，分析了動(dòng)荷載對(duì)灰壩穩(wěn)定的影響，為類似灰壩工程積累了研究經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司西溝貯灰場采用干式除灰，初期壩為堆石壩，后期灰坡采用碾壓粉煤灰分級(jí)填筑，現(xiàn)已完成一至四級(jí)子壩施工，表面采用干砌石護(hù)面。原施工圖階段灰場道路僅為規(guī)劃，沒有正式施工圖設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)灰道路沿北側(cè)壩肩進(jìn)入灰場(見圖1)，達(dá)到四級(jí)子壩壩頂(見圖2)。

圖1 左壩肩運(yùn)灰進(jìn)場道路

圖2 灰場進(jìn)灰入口(壩頂盡頭為灰場入口)

為滿足電廠堆灰要求，規(guī)劃在原有四級(jí)子壩(見圖3)基礎(chǔ)上新修五至八級(jí)坡度較大的子壩(見圖4)，致使運(yùn)灰道路無法延伸至后期壩頂，需要從加高子壩的壩面上修建運(yùn)灰道路。

圖3 四級(jí)子壩壩體斷面

圖4 加高到八級(jí)壩體斷面

灰壩加高后道路改造穩(wěn)定性計(jì)算中，管理單位提供運(yùn)灰車重17.5t，單車日常最大拉灰約28t，合計(jì)45.5t，分析中按46t考慮。

3 模擬分析及應(yīng)用

3.1 計(jì)算參數(shù)

通過在現(xiàn)場開展地質(zhì)勘察與斷面測量，對(duì)地層情況、斷面形狀、灰場含水率、干密度分布進(jìn)行分析；在所取試樣的基礎(chǔ)上，開展室內(nèi)基本物理性質(zhì)試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)；在室內(nèi)試驗(yàn)和工程類比的基礎(chǔ)上確定了計(jì)算參數(shù)，見表1。

表1 材料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

灰壩動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算分析要求在計(jì)算程序中輸入地震動(dòng)時(shí)程曲線(地震加速度時(shí)程曲線)，根據(jù)《火力發(fā)電廠灰渣筑壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算選用規(guī)范波，按地震加速度峰值進(jìn)行修正，具體如圖5、圖6所示。

圖5 規(guī)范地震波地震加速度時(shí)程曲線(0.02g)

圖6 規(guī)范地震波地震加速度時(shí)程曲線(0.07g)

3.2 計(jì)算工況

安全評(píng)價(jià)采用動(dòng)力法進(jìn)行，查《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，該灰場峰值加速度為0.05g。動(dòng)力計(jì)算依據(jù)有關(guān)車輛地面振動(dòng)響應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究成果[7-8]，將46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載的峰值加速度設(shè)置為0.02g，即加高至八級(jí)子壩條件，單獨(dú)考慮46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載工況中峰值加速度為0.02g；考慮VI度地震加46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載組合工況中峰值加速度為0.07g，具體計(jì)算工況見表2。

表2 壩面布置運(yùn)灰道路穩(wěn)定計(jì)算工況

3.3 計(jì)算原理

壩體動(dòng)力分析以靜力分析結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算在動(dòng)荷載條件下灰壩的應(yīng)力、位移分布及液化范圍，分析動(dòng)荷載條件下的壩體響應(yīng)，確定46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載及VI度地震力加46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載作用下壩體的動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)及變形。

動(dòng)力計(jì)算分析采用的是國際通用的QUAKE/W軟件，該軟件可以對(duì)地震沖擊波、爆炸產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷或沖擊載荷等作用下的土工結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題進(jìn)行計(jì)算分析。

QUAKE/W采用的是二維平面應(yīng)變中的小位移和小應(yīng)變理論，其系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的控制方程為

式中 [M]、[C]、[K]——體系的質(zhì)量、阻尼、剛度陣；

{F}——結(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載向量。

單元阻尼采用Rayleigh假定：

[c]e=ζω1[m]e+ζ/ω1[k]e

式中 [c]e、[m]e、[k]e——單元阻尼陣、質(zhì)量陣和剛度陣；

ζ——單元阻尼比；

ω1——壩體基頻。

系統(tǒng)動(dòng)力控制方程的求解，采用Wilson-θ法，材料的非線性按等效線性化法處理。在壩體的動(dòng)力計(jì)算中，灰壩的地震響應(yīng)與灰壩高度緊密相關(guān)，選取最大的壩頂標(biāo)高可以計(jì)算出灰壩在運(yùn)行中的最大變形響應(yīng)，選取1255.00m高程最大斷面。計(jì)算中為監(jiān)測各部位的動(dòng)荷載響應(yīng)，設(shè)置5個(gè)數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)，如圖7中所示從上往下依次為P1～P5點(diǎn)。

圖7 動(dòng)力計(jì)算模型及數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)

動(dòng)力計(jì)算過程分為兩個(gè)步驟：?灰壩初始應(yīng)力分布計(jì)算，計(jì)算灰壩在動(dòng)荷載作用前的初始靜應(yīng)力分布；?輸入場地動(dòng)荷載，計(jì)算各工況的變形分布。

3.4 計(jì)算結(jié)果

壩面布置運(yùn)灰道路動(dòng)力計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果見表3，壩面布置運(yùn)灰道路動(dòng)力計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)最大水平加速度見表4。

表3 壩面布置運(yùn)灰道路動(dòng)力計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果

表4 壩面布置運(yùn)灰道路動(dòng)力計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)最大水平加速度

3.4.1 車輛動(dòng)荷載

圖8為地震結(jié)束后剪應(yīng)力分布圖，可以看出最大剪應(yīng)力主要分布在初期壩和堆灰內(nèi)。圖9和圖10為地震過程中的垂向、水平向最大位移，垂向最大位移呈波形分布，最大位移發(fā)生在堆灰頂部，水平向最大位移也位于堆灰頂部。

圖8 工況1動(dòng)荷載結(jié)束時(shí)剪應(yīng)力分布(單位：kPa)

圖9 工況1垂向最大位移分布(單位：m)

圖10 工況1水平向最大位移分布(單位：m)

3.4.2 VI度地震+車輛動(dòng)荷載

圖11為地震+車輛動(dòng)荷載結(jié)束后剪應(yīng)力分布圖，可以看出最大剪應(yīng)力主要分布在初期壩和堆灰內(nèi)。圖12 和圖13為地震過程中垂向和水平向最大位移，垂向最大位移呈波形分布，最大位移發(fā)生在堆灰頂部，水平最大位移也位于堆灰頂部。

地震+車輛動(dòng)荷載及車輛動(dòng)荷載情況下P1～P5監(jiān)測點(diǎn)的水平向加速度響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表4，對(duì)比可以看出子壩監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)大于初期壩。

圖11 工況2動(dòng)荷載結(jié)束時(shí)剪應(yīng)力分布(單位：kPa)

圖12 工況2動(dòng)荷載結(jié)束時(shí)垂向最大位移分布(單位：m)

圖13 工況2動(dòng)荷載結(jié)束時(shí)水平向最大位移分布(單位：m)

3.5 壩體動(dòng)力穩(wěn)定分析

壩面布置運(yùn)灰道路穩(wěn)定計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 壩面布置運(yùn)灰道路穩(wěn)定計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果

圖14～圖17為灰壩當(dāng)前壩高最大斷面和加高到八級(jí)子壩的最危險(xiǎn)滑面位置，相應(yīng)的安全系數(shù)見表5。結(jié)果表明兩種動(dòng)荷載工況下，灰壩最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖14 工況1八級(jí)子壩最危險(xiǎn)滑面(初期壩)

圖15 工況1八級(jí)子壩最危險(xiǎn)滑面(整體)

圖16 工況2八級(jí)子壩最危險(xiǎn)滑面(初期壩)

圖17 工況2八級(jí)子壩最危險(xiǎn)滑面(整體)

3.6 壩面布置運(yùn)灰道路工程應(yīng)用

基于文中數(shù)值模擬的結(jié)果，該灰場自2017年6月1日起進(jìn)行了子壩加高后壩面布置運(yùn)灰道路的施工(圖18)，5級(jí)子壩的壩面運(yùn)灰道路也于2017年7月31日起順利投入運(yùn)行(圖19)。

圖18 壩面布置運(yùn)灰道路施工現(xiàn)場

圖19 壩面布置運(yùn)灰道路正式運(yùn)行

4 結(jié) 論

考慮加高至八級(jí)子壩，分別計(jì)算自重46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載和VI度地震加46t運(yùn)灰車輛動(dòng)荷載組合工況下灰壩的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：

a. 兩種工況下，灰壩最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

b. 兩種動(dòng)荷載作用下，工況1灰壩最大剪應(yīng)力為100.20kPa，最大垂向位移為0.76cm，最大水平位移為5.88cm，位移最大值均位于壩頂堆灰表層。工況2灰壩最大剪應(yīng)力為102.00kPa，最大垂向位移為2.55cm，最大水平位移為15.62cm，位移最大值均位于壩頂堆灰表層。剪力和位移值均較小，分布符合一般規(guī)律，灰壩處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

c. 水平位移響應(yīng)，隨加高高度呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，由頂及底水平位移響應(yīng)的頻率依次增加、振幅依次降低、振幅變化幅度依次加劇。fffffb

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Analysisonthestabilityofashconveyingroadlayoutonashdamsurfaceofsub-damheighteningprojects

FENG Yongxin1, CAI Hong2, ZHANG Zheyuan1

(1.ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd.,Taiyuan030001,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100048,China)

Existing ash conveying roads of Huaneng Zuoquan Coal and Electricity Co., Ltd. Xigou Ash Storage Yard reach grade Ⅳ sub-dam crest along the north dam shoulder. It is planned that grade Ⅴ to grade Ⅷ sub-dams with larger gradients are newly constructed on the basis of original grade Ⅳ sub-dams in order to meet the ash piling requirements. Therefore, the ash conveying roads cannot reach the subsequent dam crest. It is necessary to construct ash conveying roads on the surface of heightened sub-dams, thereby leading to reduction of local safety of ash dams. In previous studies, there is no analysis on the stability of constructing ash conveying roads aiming at the ash storage yard dam surface under the role of vehicle dynamic load and earthquake load. It is very important to analyze the stability of constructing ash conveying roads on the dam surface under the role of dynamic loads in order to actually guarantee the stability of newly-constructed sub-dams at all levels and smoothness of ash conveying roads on ash dam surface. In the paper, ash conveying road layout on ash dam surface after ash storage yard sub-dam heightening undergoes safety demonstration on the basis of field investigation and indoor test through finite element numerical calculation. The influence of vehicle dynamic load and earthquake load on ash dam stability is analyzed, thereby accumulating study experience for similar projects.

sub-dam heightening; ash storage yard; dam surface; ash conveying road; stability analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.001

2017年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)：SQ2017YFSF 060085；中國水科院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目GE0145B512016。

TU13

B

1005-4774(2017)011-0001-06