某炉渣高边坡三维动力响应分析

刘文连 韦立德 陆得志 李江龙 杨天

摘要：为研究治理后的某炉渣高边坡动力响应问题，基于完全非线性动力分析理论，利用Flac3D软件模拟边坡地震响应，获得了边坡在地震作用下的加速度放大系数、动位移及塑性屈服区分布的动力响应特性。结果表明：在动力荷载作用下，治理后的炉渣高边坡挡土墙顶部竖直方向和水平方向加速度放大系数分别约为 1.44和3.34，具有较大的安全储备;边坡水平方向最大位移不大，且塑性区范围比治理前小，即炉渣高边坡稳定性得到了很大改善，治理措施有效。

关键词：炉渣高边坡;Flac3D软件;动力响应;模拟;稳定性

中图分类号：TD7          文章编号：1001-1277（2021）06-0090-08

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20210618

引 言

据有关资料统计，中国每年排放的炉渣近7 000 万 t[1]。炉渣堆填体边坡不同于自然边坡，在自然条件下易发生物理化学性质的变化，其应力场及固结作用较为复杂，边坡稳定性不易控制。炉渣一般依山而堆，堆填体边坡普遍具有三维边坡特征。此外，炉渣堆填体中的松散炉渣一般属于土体，而炉渣边坡坡高往往很高，在土体边坡归类中属于高边坡。这些特征增加了炉渣边坡稳定性的复杂性和边坡稳定性评估的难度。如果炉渣边坡问题处理不好，将会造成非常严重的后果。因此，在复杂荷载，特别是地震荷载作用下保持炉渣高边坡的安全稳定至关重要[2]。目前，已有利用Flac3D软件进行边坡地震分析[3-6]、炉渣高边坡静力分析[7]的研究，但未见有利用Flac3D软件动力时程分析法进行炉渣高边坡地震分析的文献报道。

某炉渣高边坡具有复杂的三维特性，坡高超过100 m，远超高土坡坡高30 m标准[8];由于临江，坡内水位随季节变化很大，且完成治理前存在降雨引发坡面冲刷，这些都增加了该炉渣高边坡的复杂性和滑坡的高风险性[9]。为了更好地了解治理后边坡在地震荷载作用下的稳定性，利用Flac3D软件动力时程分析法对该炉渣高边坡进行分析，旨在为类似边坡工程设计和施工提供指导。

1 炉渣高边坡三维动力分析模型

1.1 工程概况

某炉渣场位于金沙江东岸，渣场前缘下临金沙江，渣场顶部形成宽大平台，如图1所示。该炉渣堆填体主要为高炉炼钢铁弃渣，渣场西北侧形成较陡的渣体人工边坡，坡度35°～40°，整个堆渣体长约500 m，最大厚度达100 m，面积约0.26 km2，总体积约2 000万m3。炉渣边坡具有复杂的三维特性，坡高超过100 m ，且因为临江致使坡内水位随季节变化很大，加之完成治理前存在降雨引发坡面冲刷，导致该炉渣边坡复杂性增加，滑坡风险性高。该炉渣高边坡采取的主要治理措施有削坡、打锚杆、装格构梁、坡面植草和在防护墙内侧注浆形成新注浆加固墙等。

1.2 计算模型

该炉渣场三维非线性分析模型沿江水水平流向

（x轴方向）长640 m，与之垂直的水平方向（y轴方向）宽266 m，z轴方向模型底面对应高程954 m，模型顶面对应高程约1 106 m。炉渣高边坡简化几何模型如图2所示。

根据前期地质勘察资料，将计算范围内岩土体简化为松散炉渣，包含植被、锚杆等的加固松散炉渣，热熔炉渣，挡墙混凝土，灌浆胶结炉渣，漂卵石强风化砾岩的等效材料，加固后不破坏的松散炉渣（弹性体），微型桩体加固炉渣的等效材料，中等风化砾岩正长岩的等效材料和河岸块石混凝土体的等效材料。为精确模拟模型中地震波的传播，网格尺寸必须小于输入地震波最大频率对应波长的1/8～1/10。按照要求设定地震波最大频率为5 Hz，计算各种材料在动力计算分析中满足精度的最大单元尺寸，结果如表1所示。

利用Flac3D软件建立了2个模型：完成治理后的炉渣高边坡模型（如图3所示）和未完成治理的炉渣高边坡模型（对比模型，如图4所示）。完成治理后的炉渣高边坡模型中，材料1是松散炉渣，材料2是包含植被、锚杆等的加固松散炉渣，材料3是热熔炉渣，材料4是挡墙混凝土，材料5是灌浆胶结炉渣，材料6是漂卵石强风化砾岩的等效材料，材料7是加固后不破坏的松散炉渣（弹性体），材料8是微型桩体加固炉渣的等效材料，材料9是中等风化砾岩正长岩的等效材料，材料10是河岸块石混凝土体的等效材料，材料11是为了模拟接触面而设置的弹性模量降低的热熔炉渣。未完成治理（包括坡面植草、打锚杆、灌浆和在挡土墙下打微型桩等治理措施）的炉渣高边坡有限差分法模型，其剖分块体、节点情况与完成治理后的炉渣高边坡有限差分法模型完全一样，仅材料分布有差别。

1.3 地震波

炉渣场初始应力场考虑渣体自重和渗流场共同作用。采用從模型底面输入水平方向地震波的方法模拟地震进行动力计算。

数值模拟中采用的水平方向地震波是实测地震波。该场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g。采用的实测地震波是日本神户港地震时的实测地震波波形，调整最大加速度为0.15g，总时长20 s，过滤掉频率高于5 Hz的成分并进行基线调整。输入的地震波如图5所示。

1.4 材料本构模型及参数

采用摩尔-库仑模型描述工程材料特性，部分不考虑塑性破坏的材料采用线弹性模型描述。计算采用的各个岩土体的物理力学指标如表2所示。大部分强度参数直接采用勘察报告建议的强度参数[9];包含植被、锚杆等的加固松散炉渣、微型桩体加固炉渣的等效材料强度参数均按照岩土界经验取值;考虑受植被、锚杆等的加固松散炉渣下部稍密实等因素的作用，包含植被、锚杆等的加固松散炉渣以下的松散炉渣强度由勘察建议值10 kPa提高到30 kPa;灌浆胶结炉渣强度参数取值主要参考勘察报告的统计资料和试验成果;江岸坡脚的块石、混凝土等加固作用按照经验提高强度来模拟。弹性模量和密度参数取值主要依据勘察报告的统计资料，但为了动力计算过程的顺利实施和提高模拟结果的准确性，弹性模量参数做了适当调整。

未完成治理的有限差分法模型，仅将完成治理后的炉渣高边坡有限差分法模型中的灌浆胶结炉渣、微型桩体加固炉渣的等效材料和包含植被、锚杆等的加固松散炉渣变为松散炉渣，其强度全部采用勘察报告建议值（内聚力10 kPa和抗拉强度0），其他参数完全一样。

按照Flac3D软件动力计算方法，动力计算和静力计算采用相同的材料变形参数。地震扰动会使得土体强度降低，土体强度降低通常导致内聚力降低程度比较大，而内摩擦角变化不大，但由于缺乏室内动强度试验结果，最终动强度参数和静强度参数相同。计算中阻尼选用局部阻尼，其中临界阻尼比（D）取经验值5 %，局部阻尼αL=πD=0.157。

模型计算过程如文献[10]所示。

1.5 渗流场

正常运行工况渗流场对应的水压力分布如图6所示。

1.6 初始应力场

初始應力场为岩土体自重和渗流场引起的初始地应力场，最大主应力最大值约为4.64 MPa，最小主应力最大值约为1.67 MPa。最大主应力分布如图7所示，最小主应力分布如图8所示。

2 动力响应模拟结果分析

2.1 加速度

模型共设置了5个监测点，包括挡土墙表面2个点A和D，松散炉渣坡表面2个点B和E，热熔炉渣坡表面C点，如图9所示。A点加速度时程曲线如图10所示。

由图10可知：只施加x轴方向水平加速度，但地表3个方向都有了加速度;与所加地震荷载方向一致的y轴方向加速度最大值4.907 m/s2，放大系数约为3.34;z轴方向加速度最大值2.116 m/s2，放大系数约为1.44;x轴方向加速度最大值为2.055 m/s2，放大系数约为1.40;挡土墙顶点加速度放大系数接近3，其放大系数与SL 203—97 《水工建筑物抗震设计规范》规定的在设防烈度为7度时坝体顶部加速度放大系数3接近。与输入加速度相比，达到峰值的时间相对延后。按照加速度模拟计算结果，判定A点稳定。

2.2 永久变形

松散炉渣坡表面B点位移时程曲线如图11所示，位移云图及位移矢量（地震动力计算结束时间20 s）如图12所示。

由图11和图12可知：松散炉渣坡表面B点x轴方向、y轴方向和z轴方向最大位移分别是-15.2 mm、-99.2 mm和-44.9 mm，表明边坡稳定。由于地震引起边坡临空面发生向坡外位移，位移最大值约为128 mm，位置在松散炉渣坡面。坡体附近永久位移不大，边坡稳定。

2.3 塑性屈服

完成治理后的炉渣高边坡最大地震加速度出现在约8 s时，其塑性屈服区分布如图13所示。剪切塑性区体积约为77 535 m3，拉裂塑性区体积约为26 010 m3，塑性变形区主要集中在最高马道高程以上未做加固的松散炉渣区域，最严重区域有连接成破坏体向外抛出的风险，初步判断边坡局部不稳定。

未完成治理的炉渣高边坡最大地震加速度也出现在约8 s时，其塑性屈服区分布如图14所示。剪切塑性区体积约为332 850 m3，拉裂塑性区体积约为82 469 m3，松散炉渣塑性变形严重区域普遍有连接成破坏体发生滑坡的风险，且部分墙体发生剪切破坏，可判断边坡不稳定。与正常运行工况完成治理后的炉渣高边坡模型计算结果对比，未完成治理的堆填体剪切塑性变形体积大，边坡有小规模滑坡风险。完成治理后的堆填体边坡塑性变形区域分布得到改善，消除了小规模滑坡风险，可见治理方案比较好。

3 结 论

1）地震过程最大水平位移向坡内方向，不是危险方向;最大位移值不大，边坡稳定。由于地震引起边坡临空面发生向坡外位移，位移最大值约为128 mm，位置在松散炉渣坡面。坡体附近永久位移值不大，边坡稳定。

2）完成治理后的炉渣高边坡最大地震加速度发生在8 s左右，塑性变形区主要集中在最高马道高程以上未做加固的松散炉渣区域，最严重区域有连接成破坏体向外抛出的风险，初步判断边坡局部不稳定。未完成治理的炉渣高边坡最大地震加速度也发生在8 s左右，松散炉渣塑性变形严重区域普遍有连接成破坏体发生滑坡的风险，且部分墙体发生剪切破坏，可判断边坡不稳定。

3）与未完成治理的炉渣高边坡模型计算结果对比表明，完成治理后的炉渣高边坡塑性变形区域分布得到改善，消除了大规模滑坡风险，即治理措施有效，取得了良好效果。本研究为利用Flac3D软件进行炉渣高边坡三维动力响应分析提供范例。

[参考文献]

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[3] 蒋昱州，徐卫亚，王如宾，等.小湾拱坝动力时程分析及安全评价[J].水力发电，2009，35（5）：56-59.

[4] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2013.

[5] 王环玲，徐卫亚.高烈度区水电工程岩石高边坡三维地震动力响应分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24（增刊 2）：5 890-5 895.

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[7] 王修峰，刘文连，陈磊.FLAC3D在高大炉渣边坡稳定性分析中的应用[J].中国水运，2018，18（8）：252-254.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[9] 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司.攀钢钒西渣场沿江护渣挡墙稳定性岩土工程勘察报告[R].昆明：中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，2017.

[10] 韦立德，秦勇光，何向荣，等.某尾矿坝三维动力响应分析[J].黄金，2020，41（1）：69-77.

Analysis of 3D dynamic response of a furnace slag high slope

Liu Wenlian1，Wei Lide2，Lu Dezhi1，Li Jianglong1，Yang Tian3

（1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co.，Ltd.;

2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese

Academy of Sciences;

3.Institute of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Abstract：To study dynamic response of a furnace slag high slope after treatment，the seismic response of the slope was calculated with the finite difference software Flac3D based on the fully nonlinear dynamic analysis theory，and the acceleration amplification coefficient，dynamic displacement and the plastic yielding zone were obtained.The results showed that the action of dynamic load led to the top of retaining wall of a furnace slag high slope with accelera-tion amplification coefficients at about 1.44 and 3.34 respectively for the vertical direction and horizontal direction and with more safe reserves;the maximum magnitude of the horizontal displacement for the slope is not great and the plastic zones’ area is smaller after treatment，i.e.the stability of the furnace slag high slope is greatly improved and the treatment measures are effective.

Keywords：furnace slag high slope;Flac3D software;dynamic response;simulation;stability

收稿日期：2020-12-10; 修回日期：2021-04-12

基金項目：国家自然科学基金项目（51074152）

作者简介：刘文连（1964—），男，福建永定人，教授级高级工程师，硕士，从事岩土工程、工程勘察等方面设计和科研工作;昆明市东风东路东风巷1号，中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，650051;E-mail：LWENL@sina.com

通信作者，E-mail：weilide@tom.com，13995592605