子壩加高工程灰壩壩面布置運灰道路的穩定性分析*

(1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100048)

子壩加高工程灰壩壩面布置運灰道路的穩定性分析*

馮永欣1蔡紅2張哲源1

(1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100048)

華能左權煤電有限責任公司西溝貯灰場現有運灰道路沿北側壩肩到達四級子壩壩頂，為滿足堆灰要求，規劃在原有四級子壩基礎上新修五至八級坡度較大的子壩，將導致運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灰道路穩定性的分析。為切實保證新修各級子壩的穩定和保障壩面上運灰道路的暢通，開展動荷載作用下壩面修建運灰道路的穩定性分析就顯得尤為重要。本文在現場調查和室內試驗的基礎上，通過有限元數值計算，對灰場子壩加高后壩面布置運灰道路進行安全論證，分析了車輛動載和地震荷載對灰壩穩定的影響，為類似工程積累了研究經驗。

子壩加高；貯灰場；壩面；運灰道路；穩定性分析

1 前 言

載重車輛行駛會對運灰道路表面產生激勵[1]，引起路面介質變形，這一物理變形將在路面結構內部形成彈性波，并在介質中傳播形成地震波，在原理上與地震類似，但震級要比天然地震小的多。運灰車輛動荷載隨車輛和道路的構造及車輛運動狀態而變化，具有隨機性和重復性，進而在灰壩中產生復雜的應力、變形和其他動力響應[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灰道路穩定性的分析。為切實保證新修各級子壩的穩定[6]和保障壩面上運灰道路的暢通，開展車輛動載和地震荷載作用下壩面修建運灰道路的穩定性分析就顯得尤為重要。

本文以華能左權煤電有限責任公司西溝貯灰場壩面修筑運灰道路為背景，在現場調查和室內試驗的基礎上，通過有限元數值計算，對灰場子壩加高后壩面布置運灰道路進行安全論證，分析了動荷載對灰壩穩定的影響，為類似灰壩工程積累了研究經驗。

2 工程概況

華能左權煤電有限責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，現已完成一至四級子壩施工，表面采用干砌石護面。原施工圖階段灰場道路僅為規劃，沒有正式施工圖設計，實際運灰道路沿北側壩肩進入灰場(見圖1)，達到四級子壩壩頂(見圖2)。

圖1 左壩肩運灰進場道路

圖2 灰場進灰入口(壩頂盡頭為灰場入口)

為滿足電廠堆灰要求，規劃在原有四級子壩(見圖3)基礎上新修五至八級坡度較大的子壩(見圖4)，致使運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定性計算中，管理單位提供運灰車重17.5t，單車日常最大拉灰約28t，合計45.5t，分析中按46t考慮。

3 模擬分析及應用

3.1 計算參數

通過在現場開展地質勘察與斷面測量，對地層情況、斷面形狀、灰場含水率、干密度分布進行分析；在所取試樣的基礎上，開展室內基本物理性質試驗和三軸壓縮試驗；在室內試驗和工程類比的基礎上確定了計算參數，見表1。

表1 材料抗剪強度指標

灰壩動力穩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《火力發電廠灰渣筑壩設計規范》的有關規定，動力穩定計算選用規范波，按地震加速度峰值進行修正，具體如圖5、圖6所示。

圖5 規范地震波地震加速度時程曲線(0.02g)

圖6 規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行，查《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)，該灰場峰值加速度為0.05g。動力計算依據有關車輛地面振動響應的現場試驗研究成果[7-8]，將46t運灰車輛動荷載的峰值加速度設置為0.02g，即加高至八級子壩條件，單獨考慮46t運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 壩面布置運灰道路穩定計算工況

3.3 計算原理

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

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、爆炸產生的動態載荷或沖擊載荷等作用下的土工結構動力問題進行計算分析。

QUAKE/W采用的是二維平面應變中的小位移和小應變理論，其系統動力響應的控制方程為

式中 [M]、[C]、[K]——體系的質量、阻尼、剛度陣；

{F}——結點動力荷載向量。

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、質量陣和剛度陣；

ζ——單元阻尼比；

ω1——壩體基頻。

系統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，灰壩的地震響應與灰壩高度緊密相關，選取最大的壩頂標高可以計算出灰壩在運行中的最大變形響應，選取1255.00m高程最大斷面。計算中為監測各部位的動荷載響應，設置5個數值模擬監測點，如圖7中所示從上往下依次為P1～P5點。

圖7 動力計算模型及數值模擬監測點

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

3.4 計算結果

壩面布置運灰道路動力計算工況及計算結果見表3，壩面布置運灰道路動力計算監測點最大水平加速度見表4。

表3 壩面布置運灰道路動力計算工況及計算結果

表4 壩面布置運灰道路動力計算監測點最大水平加速度

3.4.1 車輛動荷載

圖8為地震結束后剪應力分布圖，可以看出最大剪應力主要分布在初期壩和堆灰內。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動荷載結束時剪應力分布(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+車輛動荷載結束后剪應力分布圖，可以看出最大剪應力主要分布在初期壩和堆灰內。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監測點的水平向加速度響應的計算結果見表4，對比可以看出子壩監測點的動力響應遠大于初期壩。

圖11 工況2動荷載結束時剪應力分布(單位：kPa)

圖12 工況2動荷載結束時垂向最大位移分布(單位：m)

圖13 工況2動荷載結束時水平向最大位移分布(單位：m)

3.5 壩體動力穩定分析

壩面布置運灰道路穩定計算工況及計算結果見表5。

表5 壩面布置運灰道路穩定計算工況及計算結果

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

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 壩面布置運灰道路工程應用

基于文中數值模擬的結果，該灰場自2017年6月1日起進行了子壩加高后壩面布置運灰道路的施工(圖18)，5級子壩的壩面運灰道路也于2017年7月31日起順利投入運行(圖19)。

圖18 壩面布置運灰道路施工現場

圖19 壩面布置運灰道路正式運行

4 結 論

考慮加高至八級子壩，分別計算自重46t運灰車輛動荷載和VI度地震加46t運灰車輛動荷載組合工況下灰壩的穩定性，結果表明：

a. 兩種工況下，灰壩最小安全系數均滿足規范要求。

b. 兩種動荷載作用下，工況1灰壩最大剪應力為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，分布符合一般規律，灰壩處于穩定安全狀態。

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

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

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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年國家重點研發計劃項目，編號：SQ2017YFSF 060085；中國水科院基本科研業務費項目GE0145B512016。

TU13

B

1005-4774(2017)011-0001-06