電廠貯灰壩穩(wěn)定有限元分析

吳德興 張光碧 鄧中元 曹 婷 陳紅其

（1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院 四川 成都 610065；2.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院 四川 成都 610021）

1 引言

貯灰壩是火電廠的重要組成部分。目前，我國電廠粉煤灰的儲(chǔ)放主要是通過筑壩堆積存放，壩坡抗滑穩(wěn)定性分析是擋水土石壩重要問題之一，擋灰壩也屬于土石壩中的一種，由于灰?guī)熘谢宜奶厥庑裕A灰壩的失事便預(yù)示著環(huán)境的嚴(yán)重污染，以及在以后很長一段時(shí)間對(duì)其大范圍內(nèi)居民的生活、農(nóng)作及生命所帶來的惡劣影響，其壩坡抗滑穩(wěn)定性顯得尤為重要。為了保證壩體的穩(wěn)定，在灰壩的建設(shè)過程中，對(duì)壩坡抗滑穩(wěn)定的研究是一項(xiàng)重要的內(nèi)容[1]～[3]。

有限元強(qiáng)度折減法不需要假定滑動(dòng)面的位置和條分土體，避免了將土體當(dāng)做“剛體”的缺點(diǎn)，同時(shí)考慮了土體的彈塑性特性，更符合實(shí)際情況，且能適應(yīng)復(fù)雜的邊界條件，因此得到了廣泛的運(yùn)用。Zienkiewicz[4]最早提出將其應(yīng)用于土坡穩(wěn)定性分析，當(dāng)時(shí)由于受到科學(xué)技術(shù)條件的限制和對(duì)有限元中邊坡破壞機(jī)理的不清楚認(rèn)識(shí)，有限元強(qiáng)度折減法未得到廣泛的應(yīng)用，近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元強(qiáng)度折減法也得到了迅速而廣泛的運(yùn)用。

2 工程概況

四川江油電廠四灰場一級(jí)子壩加高工程，初期壩壩頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為585.0m，初期壩型為碾壓砂、礫巖石渣壩，壩頂寬6.0m，壩頂長度237.72m，最大壩高36m，下游壩坡面按1∶2.5、1∶2.75和1∶2.0分級(jí)放坡，初期壩限制堆灰標(biāo)高581.5m。第一級(jí)子壩筑填材料采用灰場庫區(qū)的石碴料，壩頂標(biāo)高為590.0m，壩頂寬4.0m，上游邊坡為1∶2.0，下游邊坡為1∶2.5，限制堆灰高程586.8m。

表1 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)值

表2 各種工況下的安全系數(shù)

圖1 各種工況下安全系數(shù)與特征點(diǎn)位移關(guān)系曲線

3 壩坡穩(wěn)定性分析基本理論

3.1 滲流力的加載

目前，在有限元分析中，考慮滲流場對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響，多數(shù)使用的方法是通過手動(dòng)方法將滲流場添加到彈塑性分析中，并將滲流場以面力的形式，施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置，當(dāng)做計(jì)算的初始應(yīng)力條件[5]。滲流場作用力可分為滲透力與浮力。對(duì)浸潤線以下的浮力采用水土合算法處理，浸潤面以下土體使用浮重度，以上土體使用天然重度。滲透力與水流方向一致，與水力梯度之間的關(guān)系如下：

由式（1）、（2）可得：

因此，由流速矢量與滲透系數(shù)即可將滲透力求出，作為初始應(yīng)力施加到穩(wěn)定性分析中。

3.2 強(qiáng)度折減法基本理論

強(qiáng)度折減法就是在理想彈塑性有限元計(jì)算中，保持其他因素不變的情況下，通過不斷折減巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ，然后將折減后的強(qiáng)度指標(biāo)重新輸入并進(jìn)行有限元數(shù)值分析，反復(fù)計(jì)算直到邊坡處于臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體初始強(qiáng)度指標(biāo)之比即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs，通過公式（4）進(jìn)行計(jì)算[6]～[7]：

式中，c、φ——土體實(shí)際的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；

c'、φ'——土體折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；

F——強(qiáng)度折減系數(shù)。

4 貯灰壩壩坡穩(wěn)定數(shù)值模擬分析

4.1 穩(wěn)定計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)

對(duì)于一級(jí)子壩加高的貯灰壩，在其設(shè)計(jì)過程中考慮到各類因素的存在，其壩前的干灘長度在不同時(shí)期可能處于不同的長度，本文考慮常見的干灘長度范圍0～200m，以50m為一段，計(jì)算在限制堆灰高程下，不同干灘長下的壩體的抗滑穩(wěn)定性。本文擬從以下幾個(gè)方面進(jìn)行初期壩及一級(jí)子壩子壩加高貯灰壩的穩(wěn)定分析：工況一、二分別為初期壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定性0m干灘長度及150m干灘長度；工況三～工況七分別為一級(jí)子壩加高整體下游壩坡抗滑穩(wěn)定性0m干灘長度、50m干灘長度、1000m干灘長度、150m干灘長度及200m干灘長度。

計(jì)算參數(shù)見表1。

4.2 各工況下的穩(wěn)定分析

4.2.1 計(jì)算邊界條件及初始條件

模型邊界條件為限制左右兩邊x方向的自由度，只能沿y方向自由移動(dòng)，并限制底部兩個(gè)方向的自由度。將對(duì)應(yīng)滲流情況下的滲透力作為作用在單元節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力，并依此作為穩(wěn)定計(jì)算的初始條件。

4.2.1 穩(wěn)定分析

本文選取初期壩下游壩坡壩頂位置為特征點(diǎn)，由特征點(diǎn)位移隨折減系數(shù)的關(guān)系曲線來確定其安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果具體見圖1及表2。

對(duì)比圖1及表2可知，初期壩0m和150m干灘長度下安全系數(shù)分別為1.662和1.857，一級(jí)子壩加高后貯灰壩0～200m干灘長度安全系數(shù)范圍為1.642～1.880，均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)最小值1.20，表明初期壩和一級(jí)子壩加高均具有良好的穩(wěn)定性。并且隨著干灘長度的增加，安全系數(shù)逐漸增大。

4.3 其他因素的穩(wěn)定分析

4.3.1 庫灰各向異性對(duì)穩(wěn)定的影響

電廠輸灰過程中會(huì)產(chǎn)生灰渣分選及分層沉積現(xiàn)象，粉煤灰會(huì)形成各向異性，即各個(gè)方向材料的滲透性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生差異，在滲流分析中，滲透各向異性會(huì)因干灘長度的不同對(duì)壩體浸潤線及非飽和區(qū)域造成不同程度的影響，本文選取在設(shè)計(jì)水位、150m干灘長度時(shí)，水平與垂直滲透系數(shù)比kx/ky=1、2、4、8的滲流場，對(duì)其進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定性分析，經(jīng)有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見圖2及圖3。

由圖2～3可知，安全系數(shù)與滲透系數(shù)倍比呈一下降型曲線，即隨著水平與垂直滲透系數(shù)倍比的增加，安全系數(shù)逐漸減小，從1.847減小到1.768，減幅為4.3%。表明庫灰滲透系數(shù)各向異性會(huì)使壩坡的抗滑穩(wěn)定減弱。

圖2 不同水平與垂直滲透系數(shù)比下安全系數(shù)與特征點(diǎn)位移關(guān)系曲線

圖3 不同滲透系數(shù)倍比下安全系數(shù)曲線

圖4 排水褥墊淤堵程度不同時(shí)安全系數(shù)與特征點(diǎn)位移關(guān)系曲線

圖5 排水褥墊淤堵程度與安全系數(shù)關(guān)系曲線

4.3.1 排水褥墊淤堵對(duì)穩(wěn)定的影響

排水褥墊是在貯灰壩中常用的一種充當(dāng)排水通道的結(jié)構(gòu)設(shè)施，顆粒的填充與沉積將導(dǎo)致排水通道淤堵，在滲流分析中，褥墊淤堵將導(dǎo)致浸潤線的明顯上升和非飽和區(qū)域的減小，本文選取褥墊滲透系數(shù)分別為k=0.01、0.005、0.002時(shí)的滲流場計(jì)算其穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見圖 4、圖 5。

由圖4～5可知，隨著褥墊滲透系數(shù)的增加，其與安全系數(shù)的曲線為一上升曲線，即隨著褥墊淤堵程度的增加，安全系數(shù)逐漸減小，由淤堵時(shí)滲透系數(shù)k=0.01時(shí)的1.642減小到滲透系數(shù)k=0.002時(shí)的1.561，差值為5.2%，減小的幅度較大，在工程中應(yīng)當(dāng)重視。

5 結(jié)語

通過四川江油電廠四灰場貯灰壩一級(jí)子壩加高工程，對(duì)初期壩和一級(jí)子壩加高后的貯灰壩進(jìn)行各種工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定性分析，并對(duì)干灘長度、庫灰滲透各向異性、褥墊排水淤堵變化等因素對(duì)貯灰壩抗滑穩(wěn)定性的影響規(guī)律加以分析研究，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值，為類似工程提供借鑒參考。

（1）本文所涉及的影響因素仍不夠全面，在本例中，子壩地基加固、子壩的排滲組合等對(duì)貯灰壩的滲流及穩(wěn)定也具有相當(dāng)?shù)挠绊懀@些方面有待進(jìn)一步的研究認(rèn)識(shí)。

（2）本工程位于西南常震區(qū)范圍內(nèi)，地震工況下貯灰壩的滲流穩(wěn)定與壩體穩(wěn)定是十分重要的，因此建議在設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮地震的動(dòng)反應(yīng)分析。陜西水利

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