渣場坡面網格梁生態防護結構受力特點研究

任澤棟，王 璐

(1.水電水利規劃設計總院有限公司，北京 100120；2.北京市城市管理綜合行政執法局執法保障中心，北京 100045)

0 引言

在“碳達峰、碳中和”的背景下，蓄能電站作為電網的“充電寶”在助力電網實現兩碳目標中迎來新的建設機遇。在蓄能電站工程建設過程中，往往由于地表及地下的大量開挖導致產生諸多棄渣，少則幾百萬方多則上千萬方，這些棄渣通常在工程區就近選擇沖溝堆存成棄渣場[1-8]。如此大面積的土石堆存體，為了防止大面積水土流失，渣場常在表面設置一些生態防護措施，其中網格梁+植草護坡就是其中最常用的一種工作措施。由于棄渣場渣體堆存都是根據主體工程施工時序隨挖隨棄，堆存體大都是未經過碾壓的“松方”堆存，渣場成規模后沉降及位移量普遍較大，進而導致坡面網格梁生態防護結構開裂、斷頭、底部空鼓的問題時有發生。這些變化輕則導致渣場水土流失嚴重，重則導致坡面失穩形成大面積滑坡，因此坡面生態防護在渣場建設中顯得至關重要[9-11]。

然而，在渣場網格梁防護措施實施過程中，工程上對網格梁施工時序方面，網格梁混凝土結構應該隨著渣場邊堆存邊砌筑，還是渣場堆存完成后再一次性砌筑網格梁這兩種方案存在不同認識。因此，本文結合某工程實例就兩種不同施工時序，就渣場坡面網格梁生態防護結構的受力特點進行了對比分析，以期為后續工程建設提供指導。

1 工程概況及計算模型

1.1 工程概況

在建某蓄能電站1#渣場平面布置如圖1所示。該渣場棄渣容量13.54萬m3，渣場頂部標高165m，下游坡面坡比1∶2，在標高150m和130m位置分別設置一馬道，馬道寬5m。坡面擬采用大框架現澆混凝土網格梁+植草護坡結構進行生態防護，網格梁框格尺寸10m×10m，網格梁斷面尺寸0.5m×0.8m(寬×高)。渣場建成后擬在上部平面區域放置鋼管及鋼筋等施工材料，等效荷載約100kPa。

1.2 計算模型及材料參數

根據渣場布置方案，渣場平面最大寬度約76m，渣場頂部至底部最大高差約43m。因此，為了精確模擬渣場坡面網格梁的受力特點，選取計算模型平面尺寸為255m×255m，計算深度取該范圍內最低點以下110m。地層按照地質勘察成果劃分為層，從上至下依次為全風化、強風化和弱風化，巖性為花崗巖。采用有限元軟件建立該范圍內渣場的三維計算模型如圖2所示，該模型中現狀地形、渣場以及網格梁均采用3D實體四面體。結合工程實際，網格梁采用C25混凝土結構，結構采用線彈性本構模型，重度25kN/m3，彈性模量3.0E7kPa，泊松比0.167。地基采用線彈性模型，渣場填筑料采用摩爾庫倫模型。

圖2 三維有限元計算模型圖

1.3 邊界條件及計算時序

為了計算準確，需要結合建筑物的實際受力情況，對模型設置約束及荷載。約束設置時，以豎直方向為z軸，在模型的四周xz、yz對稱面設置垂直于對稱面的滾軸約束，在模型底部xy對稱面設置z向的固定約束。荷載設置時，結合實際受力情況，考慮結構的自重荷載，同時在渣場頂面均施加100kPa的壓力荷載，邊界條件設置如圖2所示。

計算時序方面考慮到網格梁的兩種不同施工時間節點，擬定了兩個方案。其中，方案一為先填筑渣場后施工網格梁方案，即按照高程150m以下堆渣→高程165～150m堆渣→高程150m以下網格梁防護→高程165～150m網格梁防護→坡頂堆積建材的步驟模擬分析；方案二為渣場邊填筑邊做網格梁防護方案，即按照高程150m以下堆渣→高程150m以下網格梁防護→高程165～150m堆渣→高程165～150m網格梁防護→坡頂堆積建材的步驟模擬分析，兩種方案的計算過程簡圖如圖3所示。

圖3 有限元模擬施工時序圖

2 計算結果對比分析

2.1 位移對比分析

通過數值計算，可以得到兩種不同的渣場施工時序下網格梁各階段總體位移云圖如圖4所示。通過對比分析兩種方案的總位移分布情況可知，兩種方案網格梁相應階段的位移分布規律基本一致，總位移最大值主要分布在網格梁中上部靠近坡頂，網格梁與兩岸接觸部位以及底部位移較小，這與底部渣場的位移變形情況基本一致。渣場兩岸及底部位置由于與基巖接觸，對上部位移有一定的約束作用，而中部位置受渣場沉降及滑移影響，總體位移較大。其中，方案一在渣場施工完成時位移最大值為15.50cm，位移值大于10cm的范圍占比約27.3%，在渣場頂部承載后位移最大值為19.27cm，位移值大于10cm的范圍占比約34.1%；方案二在渣場施工完成時位移最大值為15.42cm，位移值大于10cm的范圍占比約27.2%，在渣場頂部承載后位移最大值為19.19cm，位移值大于10cm的范圍占比約45.9%。由此可知，兩種網格梁施工方案中總位移情況分布基本一致且最值接近相等，但是邊填筑邊施工網格梁的方案二中位移大于10cm的范圍明顯偏大，網格梁損壞的可能性更大。

圖4 各階段坡面網格梁總位移云圖(>0.10m)

2.2 應力對比分析

通過數值計算，可以得到兩種不同的渣場施工時序下網格梁各階段大主應力云圖如圖5所示。通過對比分析兩種方案的大主應力分布情況可知，兩種方案網格梁相應階段的應力分布規律基本一致，大主應力最大值主要分布在網格梁中兩側與山體接觸位置以及頂層網格梁與馬道接觸部位，網格梁中間區域應力值較小。其中，方案一在渣場施工完成時大主應力最大值為457kPa，應力值大于100kPa的范圍占比約27.9%，在渣場頂部承載后應力最大值為3215kPa，應力值大于100kPa的范圍占比約76.4%；方案二在渣場施工完成時大主應力最大值為1270kPa，應力值大于100kPa的范圍占比約56.1%，在渣場頂部承載后應力最大值為3210kPa，應力值大于100kPa的范圍占比約91.2%。由此可知，兩種網格梁施工方案中大主應力情況分布基本一致，但方案二由于150m馬道以上堆載導致先期施工的網格梁應力明顯增大，并且兩種方案比較，方案二邊堆渣邊施工網格梁方案應力值大于100kPa的區域范圍明顯偏大，其相應的網格梁結構應該更容易開裂。

圖5 各階段坡面網格梁大主應力云圖(>100kPa)

3 結論

渣場作為蓄能電站工程中不可或缺的建筑物之一，其坡面防護結構受力及位移情況對渣場的安全及穩定起著至關重要的作用。本文借助有限元軟件結合工程實例對兩種常見的施工時序進行模擬分析，結果表明：

(1)兩種施工方案總位移以及大主應力分布規律基本一致，總體位移均在10cm級別，位移較大的部位主要發生在網格中部位置，但網格梁和堆渣同步施工的方案中位移10cm以上的范圍明顯較大。

(2)大主應力最大值主要分布在網格梁與岸坡接觸部位以及第一級馬道底部位置，但網格梁和堆渣同步施工的方案中大主應力大于100kPa的范圍明顯較大。

(3)總體比較而言，兩種方案帶來的網格梁破壞的風險基本相當，這一計算成果可為后續工程建設提供參考。