(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，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)四級子壩壩頂，為滿足堆灰要求，規(guī)劃在原有四級子壩基礎(chǔ)上新修五至八級坡度較大的子壩，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，尚未見到有針對車輛動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)保證新修各級子壩的穩(wěn)定和保障壩面上運(yùn)灰道路的暢通，開展動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)試驗的基礎(chǔ)上，通過有限元數(shù)值計算，對灰場子壩加高后壩面布置運(yùn)灰道路進(jìn)行安全論證，分析了車輛動載和地震荷載對灰壩穩(wěn)定的影響，為類似工程積累了研究經(jīng)驗。

子壩加高；貯灰場；壩面；運(yùn)灰道路；穩(wěn)定性分析

1 前 言

載重車輛行駛會對運(yùn)灰道路表面產(chǎn)生激勵[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，但震級要比天然地震小的多。運(yùn)灰車輛動荷載隨車輛和道路的構(gòu)造及車輛運(yùn)動狀態(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、變形和其他動力響應(yīng)[2-5],會造成灰壩的局部安全性降低。以往研究中，尚未見到有針對車輛動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)試驗的基礎(chǔ)上，通過有限元數(shù)值計算，對灰場子壩加高后壩面布置運(yùn)灰道路進(jìn)行安全論證，分析了動荷載對灰壩穩(wěn)定的影響，為類似灰壩工程積累了研究經(jīng)驗。

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填筑，現(xiàn)已完成一至四級子壩施工，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，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)劃在原有四級子壩(見圖3)基礎(chǔ)上新修五至八級坡度較大的子壩(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 四級子壩壩體斷面

圖4 加高到八級壩體斷面

灰壩加高后道路改造穩(wěn)定性計算中，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45.5t，分析中按46t考慮。

3 模擬分析及應(yīng)用

3.1 計算參數(shù)

通過在現(xiàn)場開展地質(zhì)勘察與斷面測量，對地層情況、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)試驗和三軸壓縮試驗；在室內(nèi)試驗和工程類比的基礎(chǔ)上確定了計算參數(shù)，見表1。

表1 材料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

灰壩動力穩(wěn)定計算分析要求在計算程序中輸入地震動時程曲線(地震加速度時程曲線)，根據(jù)《火力發(fā)電廠灰渣筑壩設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，動力穩(wěn)定計算選用規(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程曲線(0.02g)

圖6 規(guī)范地震波地震加速度時程曲線(0.07g)

3.2 計算工況

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

表2 壩面布置運(yùn)灰道路穩(wěn)定計算工況

3.3 計算原理

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

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

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。在壩體的動力計算中，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。計算中為監(jiān)測各部位的動荷載響應(yīng)，設(shè)置5個數(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 動力計算模型及數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)

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

3.4 計算結(jié)果

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

表3 壩面布置運(yùn)灰道路動力計算工況及計算結(jié)果

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

3.4.1 車輛動荷載

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動荷載結(jié)束時剪應(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+車輛動荷載

圖11為地震+車輛動荷載結(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+車輛動荷載及車輛動荷載情況下P1～P5監(jiān)測點(diǎn)的水平向加速度響應(yīng)的計算結(jié)果見表4，對比可以看出子壩監(jiān)測點(diǎn)的動力響應(yīng)遠(yuǎn)大于初期壩。

圖11 工況2動荷載結(jié)束時剪應(yīng)力分布(單位：kPa)

圖12 工況2動荷載結(jié)束時垂向最大位移分布(單位：m)

圖13 工況2動荷載結(jié)束時水平向最大位移分布(單位：m)

3.5 壩體動力穩(wěn)定分析

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

表5 壩面布置運(yùn)灰道路穩(wěn)定計算工況及計算結(jié)果

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

圖14 工況1八級子壩最危險滑面(初期壩)

圖15 工況1八級子壩最危險滑面(整體)

圖16 工況2八級子壩最危險滑面(初期壩)

圖17 工況2八級子壩最危險滑面(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

考慮加高至八級子壩，分別計算自重46t運(yùn)灰車輛動荷載和VI度地震加46t運(yùn)灰車輛動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

[1] 楊果岳. 車輛隨機(jī)荷載與柔性路面相互作用的研究[D]. 長沙： 中南大學(xué)， 2007.

[2] 魏星， 王剛. 多輪組車輛荷載下公路地基的附加動應(yīng)力[J]. 巖土工程學(xué)報， 2015, 37(10): 1924-1930.

[3] 楊果岳， 王晅， 張家生. 速度與載重對車-路系統(tǒng)影響的試驗研究[J]. 振動與沖擊， 2008, 27(6): 167-196.

[4] 譚祥韶. 車輛動荷載影響深度的現(xiàn)場試驗研究[J]. 湖南交通科技， 2010, 36(4): 35-38.

[5] 宋楊， 魏連雨， 馮雷. 基于車輛動荷載條件下的半剛性路面路基工作區(qū)深度研究[J]. 中外公路， 2015, 35(6): 47-52.

[6] 李景娟， 謝羅峰， 段祥寶. 灰壩加高條件下滲流與應(yīng)力穩(wěn)定分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電， 2016(6): 177-181.

[7] 樊云龍. 交通荷載下路基相應(yīng)的分析和研究[D]. 長沙： 中南大學(xué)， 2008.

[8] 張光明. 高速鐵路路基段地面振動響應(yīng)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2014.

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)計劃項目，編號：SQ2017YFSF 060085；中國水科院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目GE0145B512016。

TU13

B

1005-4774(2017)011-0001-06