劉文連 韋立德 陸得志 李江龍 楊天

摘要：為研究治理后的某爐渣高邊坡動力響應問題，基于完全非線性動力分析理論，利用Flac3D軟件模擬邊坡地震響應，獲得了邊坡在地震作用下的加速度放大系數(shù)、動位移及塑性屈服區(qū)分布的動力響應特性。結果表明：在動力荷載作用下，治理后的爐渣高邊坡?lián)跬翂敳控Q直方向和水平方向加速度放大系數(shù)分別約為 1.44和3.34，具有較大的安全儲備;邊坡水平方向最大位移不大，且塑性區(qū)范圍比治理前小，即爐渣高邊坡穩(wěn)定性得到了很大改善，治理措施有效。

關鍵詞：爐渣高邊坡;Flac3D軟件;動力響應;模擬;穩(wěn)定性

中圖分類號：TD7????????? 文章編號：1001-1277（2021）06-0090-08

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20210618

引 言

據(jù)有關資料統(tǒng)計，中國每年排放的爐渣近7 000 萬 t[1]。爐渣堆填體邊坡不同于自然邊坡，在自然條件下易發(fā)生物理化學性質的變化，其應力場及固結作用較為復雜，邊坡穩(wěn)定性不易控制。爐渣一般依山而堆，堆填體邊坡普遍具有三維邊坡特征。此外，爐渣堆填體中的松散爐渣一般屬于土體，而爐渣邊坡坡高往往很高，在土體邊坡歸類中屬于高邊坡。這些特征增加了爐渣邊坡穩(wěn)定性的復雜性和邊坡穩(wěn)定性評估的難度。如果爐渣邊坡問題處理不好，將會造成非常嚴重的后果。因此，在復雜荷載，特別是地震荷載作用下保持爐渣高邊坡的安全穩(wěn)定至關重要[2]。目前，已有利用Flac3D軟件進行邊坡地震分析[3-6]、爐渣高邊坡靜力分析[7]的研究，但未見有利用Flac3D軟件動力時程分析法進行爐渣高邊坡地震分析的文獻報道。

某爐渣高邊坡具有復雜的三維特性，坡高超過100 m，遠超高土坡坡高30 m標準[8];由于臨江，坡內水位隨季節(jié)變化很大，且完成治理前存在降雨引發(fā)坡面沖刷，這些都增加了該爐渣高邊坡的復雜性和滑坡的高風險性[9]。為了更好地了解治理后邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性，利用Flac3D軟件動力時程分析法對該爐渣高邊坡進行分析，旨在為類似邊坡工程設計和施工提供指導。

1 爐渣高邊坡三維動力分析模型

1.1 工程概況

某爐渣場位于金沙江東岸，渣場前緣下臨金沙江，渣場頂部形成寬大平臺，如圖1所示。該爐渣堆填體主要為高爐煉鋼鐵棄渣，渣場西北側形成較陡的渣體人工邊坡，坡度35°～40°，整個堆渣體長約500 m，最大厚度達100 m，面積約0.26 km2，總體積約2 000萬m3。爐渣邊坡具有復雜的三維特性，坡高超過100 m ，且因為臨江致使坡內水位隨季節(jié)變化很大，加之完成治理前存在降雨引發(fā)坡面沖刷，導致該爐渣邊坡復雜性增加，滑坡風險性高。該爐渣高邊坡采取的主要治理措施有削坡、打錨桿、裝格構梁、坡面植草和在防護墻內側注漿形成新注漿加固墻等。

1.2 計算模型

該爐渣場三維非線性分析模型沿江水水平流向

（x軸方向）長640 m，與之垂直的水平方向（y軸方向）寬266 m，z軸方向模型底面對應高程954 m，模型頂面對應高程約1 106 m。爐渣高邊坡簡化幾何模型如圖2所示。

根據(jù)前期地質勘察資料，將計算范圍內巖土體簡化為松散爐渣，包含植被、錨桿等的加固松散爐渣，熱熔爐渣，擋墻混凝土，灌漿膠結爐渣，漂卵石強風化礫巖的等效材料，加固后不破壞的松散爐渣（彈性體），微型樁體加固爐渣的等效材料，中等風化礫巖正長巖的等效材料和河岸塊石混凝土體的等效材料。為精確模擬模型中地震波的傳播，網格尺寸必須小于輸入地震波最大頻率對應波長的1/8～1/10。按照要求設定地震波最大頻率為5 Hz，計算各種材料在動力計算分析中滿足精度的最大單元尺寸，結果如表1所示。

利用Flac3D軟件建立了2個模型：完成治理后的爐渣高邊坡模型（如圖3所示）和未完成治理的爐渣高邊坡模型（對比模型，如圖4所示）。完成治理后的爐渣高邊坡模型中，材料1是松散爐渣，材料2是包含植被、錨桿等的加固松散爐渣，材料3是熱熔爐渣，材料4是擋墻混凝土，材料5是灌漿膠結爐渣，材料6是漂卵石強風化礫巖的等效材料，材料7是加固后不破壞的松散爐渣（彈性體），材料8是微型樁體加固爐渣的等效材料，材料9是中等風化礫巖正長巖的等效材料，材料10是河岸塊石混凝土體的等效材料，材料11是為了模擬接觸面而設置的彈性模量降低的熱熔爐渣。未完成治理（包括坡面植草、打錨桿、灌漿和在擋土墻下打微型樁等治理措施）的爐渣高邊坡有限差分法模型，其剖分塊體、節(jié)點情況與完成治理后的爐渣高邊坡有限差分法模型完全一樣，僅材料分布有差別。

1.3 地震波

爐渣場初始應力場考慮渣體自重和滲流場共同作用。采用從模型底面輸入水平方向地震波的方法模擬地震進行動力計算。

數(shù)值模擬中采用的水平方向地震波是實測地震波。該場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g。采用的實測地震波是日本神戶港地震時的實測地震波波形，調整最大加速度為0.15g，總時長20 s，過濾掉頻率高于5 Hz的成分并進行基線調整。輸入的地震波如圖5所示。

1.4 材料本構模型及參數(shù)

采用摩爾-庫侖模型描述工程材料特性，部分不考慮塑性破壞的材料采用線彈性模型描述。計算采用的各個巖土體的物理力學指標如表2所示。大部分強度參數(shù)直接采用勘察報告建議的強度參數(shù)[9];包含植被、錨桿等的加固松散爐渣、微型樁體加固爐渣的等效材料強度參數(shù)均按照巖土界經驗取值;考慮受植被、錨桿等的加固松散爐渣下部稍密實等因素的作用，包含植被、錨桿等的加固松散爐渣以下的松散爐渣強度由勘察建議值10 kPa提高到30 kPa;灌漿膠結爐渣強度參數(shù)取值主要參考勘察報告的統(tǒng)計資料和試驗成果;江岸坡腳的塊石、混凝土等加固作用按照經驗提高強度來模擬。彈性模量和密度參數(shù)取值主要依據(jù)勘察報告的統(tǒng)計資料，但為了動力計算過程的順利實施和提高模擬結果的準確性，彈性模量參數(shù)做了適當調整。

未完成治理的有限差分法模型，僅將完成治理后的爐渣高邊坡有限差分法模型中的灌漿膠結爐渣、微型樁體加固爐渣的等效材料和包含植被、錨桿等的加固松散爐渣變?yōu)樗缮t渣，其強度全部采用勘察報告建議值（內聚力10 kPa和抗拉強度0），其他參數(shù)完全一樣。

按照Flac3D軟件動力計算方法，動力計算和靜力計算采用相同的材料變形參數(shù)。地震擾動會使得土體強度降低，土體強度降低通常導致內聚力降低程度比較大，而內摩擦角變化不大，但由于缺乏室內動強度試驗結果，最終動強度參數(shù)和靜強度參數(shù)相同。計算中阻尼選用局部阻尼，其中臨界阻尼比（D）取經驗值5 %，局部阻尼αL=πD=0.157。

模型計算過程如文獻[10]所示。

1.5 滲流場

正常運行工況滲流場對應的水壓力分布如圖6所示。

1.6 初始應力場

初始應力場為巖土體自重和滲流場引起的初始地應力場，最大主應力最大值約為4.64 MPa，最小主應力最大值約為1.67 MPa。最大主應力分布如圖7所示，最小主應力分布如圖8所示。

2 動力響應模擬結果分析

2.1 加速度

模型共設置了5個監(jiān)測點，包括擋土墻表面2個點A和D，松散爐渣坡表面2個點B和E，熱熔爐渣坡表面C點，如圖9所示。A點加速度時程曲線如圖10所示。

由圖10可知：只施加x軸方向水平加速度，但地表3個方向都有了加速度;與所加地震荷載方向一致的y軸方向加速度最大值4.907 m/s2，放大系數(shù)約為3.34;z軸方向加速度最大值2.116 m/s2，放大系數(shù)約為1.44;x軸方向加速度最大值為2.055 m/s2，放大系數(shù)約為1.40;擋土墻頂點加速度放大系數(shù)接近3，其放大系數(shù)與SL 203—97 《水工建筑物抗震設計規(guī)范》規(guī)定的在設防烈度為7度時壩體頂部加速度放大系數(shù)3接近。與輸入加速度相比，達到峰值的時間相對延后。按照加速度模擬計算結果，判定A點穩(wěn)定。

2.2 永久變形

松散爐渣坡表面B點位移時程曲線如圖11所示，位移云圖及位移矢量（地震動力計算結束時間20 s）如圖12所示。

由圖11和圖12可知：松散爐渣坡表面B點x軸方向、y軸方向和z軸方向最大位移分別是-15.2 mm、-99.2 mm和-44.9 mm，表明邊坡穩(wěn)定。由于地震引起邊坡臨空面發(fā)生向坡外位移，位移最大值約為128 mm，位置在松散爐渣坡面。坡體附近永久位移不大，邊坡穩(wěn)定。

2.3 塑性屈服

完成治理后的爐渣高邊坡最大地震加速度出現(xiàn)在約8 s時，其塑性屈服區(qū)分布如圖13所示。剪切塑性區(qū)體積約為77 535 m3，拉裂塑性區(qū)體積約為26 010 m3，塑性變形區(qū)主要集中在最高馬道高程以上未做加固的松散爐渣區(qū)域，最嚴重區(qū)域有連接成破壞體向外拋出的風險，初步判斷邊坡局部不穩(wěn)定。

未完成治理的爐渣高邊坡最大地震加速度也出現(xiàn)在約8 s時，其塑性屈服區(qū)分布如圖14所示。剪切塑性區(qū)體積約為332 850 m3，拉裂塑性區(qū)體積約為82 469 m3，松散爐渣塑性變形嚴重區(qū)域普遍有連接成破壞體發(fā)生滑坡的風險，且部分墻體發(fā)生剪切破壞，可判斷邊坡不穩(wěn)定。與正常運行工況完成治理后的爐渣高邊坡模型計算結果對比，未完成治理的堆填體剪切塑性變形體積大，邊坡有小規(guī)?；嘛L險。完成治理后的堆填體邊坡塑性變形區(qū)域分布得到改善，消除了小規(guī)?；嘛L險，可見治理方案比較好。

3 結 論

1）地震過程最大水平位移向坡內方向，不是危險方向;最大位移值不大，邊坡穩(wěn)定。由于地震引起邊坡臨空面發(fā)生向坡外位移，位移最大值約為128 mm，位置在松散爐渣坡面。坡體附近永久位移值不大，邊坡穩(wěn)定。

2）完成治理后的爐渣高邊坡最大地震加速度發(fā)生在8 s左右，塑性變形區(qū)主要集中在最高馬道高程以上未做加固的松散爐渣區(qū)域，最嚴重區(qū)域有連接成破壞體向外拋出的風險，初步判斷邊坡局部不穩(wěn)定。未完成治理的爐渣高邊坡最大地震加速度也發(fā)生在8 s左右，松散爐渣塑性變形嚴重區(qū)域普遍有連接成破壞體發(fā)生滑坡的風險，且部分墻體發(fā)生剪切破壞，可判斷邊坡不穩(wěn)定。

3）與未完成治理的爐渣高邊坡模型計算結果對比表明，完成治理后的爐渣高邊坡塑性變形區(qū)域分布得到改善，消除了大規(guī)?；嘛L險，即治理措施有效，取得了良好效果。本研究為利用Flac3D軟件進行爐渣高邊坡三維動力響應分析提供范例。

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Analysis of 3D dynamic response of a furnace slag high slope

Liu Wenlian1，Wei Lide2，Lu Dezhi1，Li Jianglong1，Yang Tian3

（1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co.，Ltd.;

2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese

Academy of Sciences;

3.Institute of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Abstract：To study dynamic response of a furnace slag high slope after treatment，the seismic response of the slope was calculated with the finite difference software Flac3D based on the fully nonlinear dynamic analysis theory，and the acceleration amplification coefficient，dynamic displacement and the plastic yielding zone were obtained.The results showed that the action of dynamic load led to the top of retaining wall of a furnace slag high slope with accelera-tion amplification coefficients at about 1.44 and 3.34 respectively for the vertical direction and horizontal direction and with more safe reserves;the maximum magnitude of the horizontal displacement for the slope is not great and the plastic zones’ area is smaller after treatment，i.e.the stability of the furnace slag high slope is greatly improved and the treatment measures are effective.

Keywords：furnace slag high slope;Flac3D software;dynamic response;simulation;stability

收稿日期：2020-12-10; 修回日期：2021-04-12

基金項目：國家自然科學基金項目（51074152）

作者簡介：劉文連（1964—），男，福建永定人，教授級高級工程師，碩士，從事巖土工程、工程勘察等方面設計和科研工作;昆明市東風東路東風巷1號，中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司，650051;E-mail：LWENL@sina.com

通信作者，E-mail：weilide@tom.com，13995592605