子坝加高工程灰坝坝面布置运灰道路的稳定性分析*

(1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100048)

子坝加高工程灰坝坝面布置运灰道路的稳定性分析*

冯永欣1蔡红2张哲源1

(1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100048)

华能左权煤电有限责任公司西沟贮灰场现有运灰道路沿北侧坝肩到达四级子坝坝顶，为满足堆灰要求，规划在原有四级子坝基础上新修五至八级坡度较大的子坝，将导致运灰道路无法延伸至后期坝顶，需要从加高子坝坝面上修建运灰道路，造成灰坝的局部安全性降低。以往研究中，尚未见到有针对车辆动荷载和地震荷载作用下贮灰场坝面修建运灰道路稳定性的分析。为切实保证新修各级子坝的稳定和保障坝面上运灰道路的畅通，开展动荷载作用下坝面修建运灰道路的稳定性分析就显得尤为重要。本文在现场调查和室内试验的基础上，通过有限元数值计算，对灰场子坝加高后坝面布置运灰道路进行安全论证，分析了车辆动载和地震荷载对灰坝稳定的影响，为类似工程积累了研究经验。

子坝加高；贮灰场；坝面；运灰道路；稳定性分析

1 前 言

载重车辆行驶会对运灰道路表面产生激励[1]，引起路面介质变形，这一物理变形将在路面结构内部形成弹性波，并在介质中传播形成地震波，在原理上与地震类似，但震级要比天然地震小的多。运灰车辆动荷载随车辆和道路的构造及车辆运动状态而变化，具有随机性和重复性，进而在灰坝中产生复杂的应力、变形和其他动力响应[2-5],会造成灰坝的局部安全性降低。以往研究中，尚未见到有针对车辆动荷载和地震荷载作用下贮灰场坝面修建运灰道路稳定性的分析。为切实保证新修各级子坝的稳定[6]和保障坝面上运灰道路的畅通，开展车辆动载和地震荷载作用下坝面修建运灰道路的稳定性分析就显得尤为重要。

本文以华能左权煤电有限责任公司西沟贮灰场坝面修筑运灰道路为背景，在现场调查和室内试验的基础上，通过有限元数值计算，对灰场子坝加高后坝面布置运灰道路进行安全论证，分析了动荷载对灰坝稳定的影响，为类似灰坝工程积累了研究经验。

2 工程概况

华能左权煤电有限责任公司西沟贮灰场采用干式除灰，初期坝为堆石坝，后期灰坡采用碾压粉煤灰分级填筑，现已完成一至四级子坝施工，表面采用干砌石护面。原施工图阶段灰场道路仅为规划，没有正式施工图设计，实际运灰道路沿北侧坝肩进入灰场(见图1)，达到四级子坝坝顶(见图2)。

图1 左坝肩运灰进场道路

图2 灰场进灰入口(坝顶尽头为灰场入口)

为满足电厂堆灰要求，规划在原有四级子坝(见图3)基础上新修五至八级坡度较大的子坝(见图4)，致使运灰道路无法延伸至后期坝顶，需要从加高子坝的坝面上修建运灰道路。

图3 四级子坝坝体断面

图4 加高到八级坝体断面

灰坝加高后道路改造稳定性计算中，管理单位提供运灰车重17.5t，单车日常最大拉灰约28t，合计45.5t，分析中按46t考虑。

3 模拟分析及应用

3.1 计算参数

通过在现场开展地质勘察与断面测量，对地层情况、断面形状、灰场含水率、干密度分布进行分析；在所取试样的基础上，开展室内基本物理性质试验和三轴压缩试验；在室内试验和工程类比的基础上确定了计算参数，见表1。

表1 材料抗剪强度指标

灰坝动力稳定计算分析要求在计算程序中输入地震动时程曲线(地震加速度时程曲线)，根据《火力发电厂灰渣筑坝设计规范》的有关规定，动力稳定计算选用规范波，按地震加速度峰值进行修正，具体如图5、图6所示。

图5 规范地震波地震加速度时程曲线(0.02g)

图6 规范地震波地震加速度时程曲线(0.07g)

3.2 计算工况

安全评价采用动力法进行，查《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，该灰场峰值加速度为0.05g。动力计算依据有关车辆地面振动响应的现场试验研究成果[7-8]，将46t运灰车辆动荷载的峰值加速度设置为0.02g，即加高至八级子坝条件，单独考虑46t运灰车辆动荷载工况中峰值加速度为0.02g；考虑VI度地震加46t运灰车辆动荷载组合工况中峰值加速度为0.07g，具体计算工况见表2。

表2 坝面布置运灰道路稳定计算工况

3.3 计算原理

坝体动力分析以静力分析结果为基础，计算在动荷载条件下灰坝的应力、位移分布及液化范围，分析动荷载条件下的坝体响应，确定46t运灰车辆动荷载及VI度地震力加46t运灰车辆动荷载作用下坝体的动应力状态及变形。

动力计算分析采用的是国际通用的QUAKE/W软件，该软件可以对地震冲击波、爆炸产生的动态载荷或冲击载荷等作用下的土工结构动力问题进行计算分析。

QUAKE/W采用的是二维平面应变中的小位移和小应变理论，其系统动力响应的控制方程为

式中 [M]、[C]、[K]——体系的质量、阻尼、刚度阵；

{F}——结点动力荷载向量。

单元阻尼采用Rayleigh假定：

[c]e=ζω1[m]e+ζ/ω1[k]e

式中 [c]e、[m]e、[k]e——单元阻尼阵、质量阵和刚度阵；

ζ——单元阻尼比；

ω1——坝体基频。

系统动力控制方程的求解，采用Wilson-θ法，材料的非线性按等效线性化法处理。在坝体的动力计算中，灰坝的地震响应与灰坝高度紧密相关，选取最大的坝顶标高可以计算出灰坝在运行中的最大变形响应，选取1255.00m高程最大断面。计算中为监测各部位的动荷载响应，设置5个数值模拟监测点，如图7中所示从上往下依次为P1～P5点。

图7 动力计算模型及数值模拟监测点

动力计算过程分为两个步骤：ⓐ灰坝初始应力分布计算，计算灰坝在动荷载作用前的初始静应力分布；ⓑ输入场地动荷载，计算各工况的变形分布。

3.4 计算结果

坝面布置运灰道路动力计算工况及计算结果见表3，坝面布置运灰道路动力计算监测点最大水平加速度见表4。

表3 坝面布置运灰道路动力计算工况及计算结果

表4 坝面布置运灰道路动力计算监测点最大水平加速度

3.4.1 车辆动荷载

图8为地震结束后剪应力分布图，可以看出最大剪应力主要分布在初期坝和堆灰内。图9和图10为地震过程中的垂向、水平向最大位移，垂向最大位移呈波形分布，最大位移发生在堆灰顶部，水平向最大位移也位于堆灰顶部。

图8 工况1动荷载结束时剪应力分布(单位：kPa)

图9 工况1垂向最大位移分布(单位：m)

图10 工况1水平向最大位移分布(单位：m)

3.4.2 VI度地震+车辆动荷载

图11为地震+车辆动荷载结束后剪应力分布图，可以看出最大剪应力主要分布在初期坝和堆灰内。图12 和图13为地震过程中垂向和水平向最大位移，垂向最大位移呈波形分布，最大位移发生在堆灰顶部，水平最大位移也位于堆灰顶部。

地震+车辆动荷载及车辆动荷载情况下P1～P5监测点的水平向加速度响应的计算结果见表4，对比可以看出子坝监测点的动力响应远大于初期坝。

图11 工况2动荷载结束时剪应力分布(单位：kPa)

图12 工况2动荷载结束时垂向最大位移分布(单位：m)

图13 工况2动荷载结束时水平向最大位移分布(单位：m)

3.5 坝体动力稳定分析

坝面布置运灰道路稳定计算工况及计算结果见表5。

表5 坝面布置运灰道路稳定计算工况及计算结果

图14～图17为灰坝当前坝高最大断面和加高到八级子坝的最危险滑面位置，相应的安全系数见表5。结果表明两种动荷载工况下，灰坝最小安全系数均满足规范要求。

图14 工况1八级子坝最危险滑面(初期坝)

图15 工况1八级子坝最危险滑面(整体)

图16 工况2八级子坝最危险滑面(初期坝)

图17 工况2八级子坝最危险滑面(整体)

3.6 坝面布置运灰道路工程应用

基于文中数值模拟的结果，该灰场自2017年6月1日起进行了子坝加高后坝面布置运灰道路的施工(图18)，5级子坝的坝面运灰道路也于2017年7月31日起顺利投入运行(图19)。

图18 坝面布置运灰道路施工现场

图19 坝面布置运灰道路正式运行

4 结 论

考虑加高至八级子坝，分别计算自重46t运灰车辆动荷载和VI度地震加46t运灰车辆动荷载组合工况下灰坝的稳定性，结果表明：

a. 两种工况下，灰坝最小安全系数均满足规范要求。

b. 两种动荷载作用下，工况1灰坝最大剪应力为100.20kPa，最大垂向位移为0.76cm，最大水平位移为5.88cm，位移最大值均位于坝顶堆灰表层。工况2灰坝最大剪应力为102.00kPa，最大垂向位移为2.55cm，最大水平位移为15.62cm，位移最大值均位于坝顶堆灰表层。剪力和位移值均较小，分布符合一般规律，灰坝处于稳定安全状态。

c. 水平位移响应，随加高高度呈现明显的规律性，由顶及底水平位移响应的频率依次增加、振幅依次降低、振幅变化幅度依次加剧。fffffb

[1] 杨果岳. 车辆随机荷载与柔性路面相互作用的研究[D]. 长沙： 中南大学， 2007.

[2] 魏星， 王刚. 多轮组车辆荷载下公路地基的附加动应力[J]. 岩土工程学报， 2015, 37(10): 1924-1930.

[3] 杨果岳， 王晅， 张家生. 速度与载重对车-路系统影响的试验研究[J]. 振动与冲击， 2008, 27(6): 167-196.

[4] 谭祥韶. 车辆动荷载影响深度的现场试验研究[J]. 湖南交通科技， 2010, 36(4): 35-38.

[5] 宋杨， 魏连雨， 冯雷. 基于车辆动荷载条件下的半刚性路面路基工作区深度研究[J]. 中外公路， 2015, 35(6): 47-52.

[6] 李景娟， 谢罗峰， 段祥宝. 灰坝加高条件下渗流与应力稳定分析[J]. 中国农村水利水电， 2016(6): 177-181.

[7] 樊云龙. 交通荷载下路基相应的分析和研究[D]. 长沙： 中南大学， 2008.

[8] 张光明. 高速铁路路基段地面振动响应研究[D]. 成都： 西南交通大学， 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年国家重点研发计划项目，编号：SQ2017YFSF 060085；中国水科院基本科研业务费项目GE0145B512016。

TU13

B

1005-4774(2017)011-0001-06