強降雨條件下貯灰壩穩定性模擬研究

王明斌 吳勇 梁洪

Simulation Study on Stability of Ash Storage Dam under Heavy Rainfall Conditions

摘要： 貯灰壩是火電廠的重要構筑物，主要以筑壩的方式貯放粉煤灰渣。粉煤灰渣具有較好的滲透性，因此在貯灰壩建設和運行中水是貯灰壩最大的安全隱患。文章主要模擬強降雨條件下貯灰壩的穩定性，研究了降雨持時對貯灰壩穩定性的影響。

Abstract： The ash storage dam is an important structure of the thermal power plant and it mainly stores fly ash slag in the form of dams. Fly ash slag has good permeability， so water is the biggest potential safety hazard of ash storage dam in the construction and operation. The article mainly simulates the stability of ash storage dams under heavy rainfall conditions， and studies the effect of rainfall duration on the stability of ash storage dam.

關鍵詞： 貯灰壩；降雨持時；數值模擬

Key words： ash storage dam；rainfall duration；numerical simulation

中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0099-02

0 引言

降雨是貯灰壩失穩的重要誘因，這類災害常會造成重大的人員傷亡與財產損失，因此如何減少潰壩災害對社會的危害，一直是世界各國政府所關心的重要議題。在大氣降雨時，雨水入滲使土體飽和度增加、吸力銳減，并引起抗剪強度大幅度下降，所以當強降雨持續超過某種限度時，雨水入滲達到一定深度，則可導致灰壩失穩而發生潰壩災害。因此，研究降雨對貯灰壩穩定性的影響以及準確預報事故發生的可能性，是當前亟待解決的一個復雜工程問題，具有重要的學術意義與實用價值。筆者在前人研究的基礎上，首先在研究區進行實地勘察及室內試驗研究，得到貯灰壩的物理力學指標；然后，借助 MIDAS/GTS大型巖土有限元分析軟件，對強降雨條件的貯灰壩進行了穩定性模擬，研究了降雨持時對貯灰壩穩定性的影響。

1 研究區概況

娃娃溝灰場屬于山谷型貯灰壩，初期壩為堆石棱體壩位置位于娃娃溝中部的狹窄段，距溝尾約1100m。棱體頂標高暫擬定為510.0m，壩軸線長約80m，最大高度約19m。棱體上、下游邊坡均為1：1.8，上游坡面設500g/m2土工布過濾層，上、下游邊坡均設干砌塊石護坡。初期堆石棱體清基后置于基巖上。初期壩之后已進行了一、二、三、四級子壩的加高，各級子壩壩高均為10m。上游坡比均為1：3，下游坡比均為 1：4。目前貯灰場已堆灰至550m，壩體長為 120m，全庫容為 750 萬m3。貯灰場剖面圖如圖1所示。

場區所在地區屬亞熱帶濕潤季風氣候區。夏季雨量充沛，時空分布不均，冬季雨量較少，常出現冬春干旱，夏秋洪澇現象。多年平均氣溫17.6℃，最高氣溫40.0℃，最低氣溫-1.9℃。多年平均總降水量1171.0mm，最大日降水量為 407mm。雨季一般始于4月下旬，到10月上旬結束，4～10 月份的降水量約占全年降水量的 83.8%，其特點是雨量集中且多暴雨。

2 計算模型及計算參數的選取

參照實際情況，選取貯灰場剖面作為貯灰壩幾何計算模型，整個灰壩由粉煤灰碾壓組成，且各向同性；計算剖面左右兩端邊界的初始地下水位面分別為0.5m 和0.2m，將其作為滲流的初始水位條件。灰壩降雨模型見圖2。

巖土體強度參數采用原狀土樣試驗結果的平均值，計算參數值的選取見表1。

根據統計的降雨資料，本次假定降雨強度為408mm/d的極端天氣下降雨持時分別為6h、12h、18h、24h的4種降雨情況進行數值模擬。

3 降雨作用下的模擬計算結果及分析

分析結果如以圖3～圖7所示，無降雨情況下的孔隙水壓力分布見圖3，降雨6h、12h、18h、24h后的孔隙水壓力分布圖見圖4～圖7。綜上，降雨6小時后初期壩表面開始形成飽和區，降雨12小時后一級子壩表面開始形成飽和區，降雨18小時后二級子壩表面開始形成飽和區，降雨24小時后整個貯灰壩表面開始形成飽和區，并且初期壩接近30%處于飽和狀態。

4 結論與建議

本文應用MIDAS/GTS有限元軟件探討了降雨入滲過程中貯灰壩孔隙水壓力的變化情況，并進行了模擬計算和分析，得出以下結論：隨著降雨時間的增長，貯灰壩逐漸形成飽和區，對貯灰壩的安全運行帶來隱患。為了貯灰壩的安全運行，建議增加防洪排洪措施，應在汛期加強巡視，對降雨期間貯灰壩形成的飽和區及時進行疏導。

參考文獻：

[1]魏寧，茜平一，傅旭東.降雨和蒸發對土質邊坡穩定性的影響[J].巖土力學，2006（05）.

[2]汪益敏，陳頁開，韓大建，莫海鴻.降雨入滲對邊坡穩定影響的實例分析[J].巖石力學與工程學報，2004（06）.

[3]彭華，陳勝宏.飽和—非飽和巖土非穩定滲流有限元分析研究[J].水動力學研究與進展（A輯），2002（02）.