龙口贮灰场增设景观设施对灰坝的影响分析

梁树军 李 健 肖建章

(1.北京京能电力股份有限公司石景山热电厂，北京 100041；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

1 前 言

随着煤电工业的发展，燃煤发电厂贮灰场对生态环境和生产生活造成的影响不断增加，粉煤灰堆放引发的环境问题受到了越来越多的关注[1-3]，也是城市绿化关注的焦点。受制于投运时间长、建设期间环保要求低等因素[4]，部分贮灰场景观不佳，难以满足绿化要求，严重影响着城市形象[5-7]。在当前环保要求日益严格的情况下，对贮灰场增设景观设施来满足绿化要求就显得尤为重要[8-12]。以往研究中，尚未见到有针对灰场增设景观设施对贮灰场影响的系统分析报道。为切实保证灰场安全，急需开展增设景观条件下灰场的稳定性分析。

本文以龙口贮灰场增设广场、道路、亭台、管理站和植树、植草等设施为背景，在现场调查和室内试验的基础上，通过有限元数值计算，对增设景观条件下龙口贮灰场稳定性进行安全论证，分析了防洪、渗流稳定、边坡稳定和抗震稳定对灰坝稳定的影响，可为类似工程积累研究经验。

2 工程概况

龙口贮灰场灰坝为采用当地材料修筑的土石混合的透水坝，坝长654.80m，原设计最大坝高为61.0m，最大坝底宽270.0m，其坝顶宽度7.0m，设计坝顶高程200.0m，坝体上游侧的反滤保护层顶面高程为191.40m。坝体上下游坡度在180m和160m高程马道处变坡，上游坡自上而下坡度分别为1 ∶2.15、1 ∶2.3、1 ∶2.5，下游坡自上而下坡度分别为1 ∶2.15、1 ∶2.75、1 ∶2.4，具体见图1和图2。

图1 龙口贮灰场灰坝下游坡面

图2 贮灰场灰坝坝顶

为配合北京市的绿化要求，在龙口灰场进行景观建设，主要包括灰场内广场、道路、亭台、管理站和植树、植草等。为确保灰坝安全，需要对增设景观条件下灰场的防洪、渗流稳定、边坡稳定和抗震稳定等方面开展系统分析。

3 防洪安全分析

汛期库内水位的控制高度通过调洪演算得到，可满足本灰场100年一遇设计洪水和500年一遇校核洪水的防洪要求，在库内灰面至坝顶高程198.66m之间建设景观设施和大量种植，会占用防洪库容，有可能造成库内洪水位的提高，需控制汛期水面高程。

坝前灰面高程191.0m，灰面向库内逐渐降低，库内水面高程188.20m左右(见图3)，坝前覆土平台高程平均192.9m，宽度不等，多在90～130m之间。建设覆土平台是为了提高灰坝防渗的高度，是灰坝防渗的延伸。原灰坝内防渗体高程仅191.4m，若库内水位超过该高程，漫过防渗体后会从坝体透水区域大量渗漏。经核算，最高洪水水位加上安全超高应不超过192.9m高程，调控可以采取控制汛前库内水位的方法。

图3 库内水面分布

从地形图上估算，库内能够参与现状高程防洪的面积约29万m2，库内建设广场、停车场、道路和种植等占用的库容仅少部分占用现阶段防洪库容。计算中，广场道路占防洪面积的8%，植树或灌木占防洪面积的20%，植被等占空间体积的20%。经复核，得到景观设施及植被约占防洪库容约6.6万m3，景观设施及植被使现状洪水位升高约23cm。此外，根据调洪演算，设计洪水水深2.84m，校核洪水水深3.96m，考虑安全超高，确定库内汛前控制水位不应高于188.20m。

4 渗流安全分析

选取坝体最大设计断面作为计算断面，见图4。

图4 典型计算断面

计算工况为：ⓐ现库内水位188.20m，坝前干滩长度120m时；ⓑ现库内水位188.20m时，遇设计洪水形成稳定渗流；ⓒ现库内水位188.20m时，遇校核洪水形成稳定渗流。计算采用的粉煤灰、灰坝坝体土料和坝基材料渗透系数见表1，二维有限元稳定渗流计算结果见表2。

表1 土层渗透系数

表2 灰坝渗流计算成果

计算得到的浸润线位置和渗流等势线见图5～图7，表明当灰面达到现贮灰高程时，坝体内浸润线位置不高，未从灰坝下游坡逸出，坝体渗流控制措施效果较好，能满足当前灰坝安全运行要求。

图5 库水位188.2m、120m干滩稳定渗流浸润线

图6 库水位188.2m、遇设计洪水时稳定渗流浸润线

图7 库水位188.2m、遇校核洪水时稳定渗流浸润线

贮灰场运行至限制贮灰高程，坝前无干滩遇洪水后，坝体内浸润线位置较有干滩情况略高，但未从坝体下游坡逸出，计算得到灰坝坝轴线位置单宽渗流量在1.39×10-5～2.67×10-5m3/(s·m)之间。

5 抗滑稳定分析

边坡稳定分析所用程序为岩土工程计算分析软件包系列中的SLOPE/W软件。采用最优化法主动搜索最小安全系数和相应临界滑裂面，可使用多种边坡稳定分析方法进行模拟分析。

计算采用《火力发电厂灰渣筑坝设计技术规定》(DL/T 5045—2006)和《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)推荐的毕肖普法，边坡稳定允许的最小安全系数参照火电厂灰渣筑坝设计规范要求确定，计算参数见表3。

表3 边坡稳定计算参数

不考虑地震条件下灰坝边坡稳定安全系数的计算结果见表4，相应下游坡临界滑裂面见图8～图9。

表4 建设景观设施后边坡稳定分析计算结果

图8 景观建设后水面高程188.20m、120m干滩稳定渗流下游坡临界滑裂面位置分布

图9 景观建设后水面高程188.20m、遇设计洪水稳定渗流下游坡临界滑裂面位置分布

计算结果表明，景观建设后灰坝正常运行工况下，下游边坡最小稳定安全系数为1.515，在遇校核洪水非常运行工况下，下游边坡最小稳定安全系数为1.489，均满足规范要求，灰坝整体稳定性满足规范的要求。

6 抗震稳定分析

考虑地震条件时，灰坝计算工况组合和边坡稳定安全系数结果见表5，相应的下游坡临界滑裂面见图10和图11。

表5 边坡稳定分析计算结果

图10 景观建设后水位高程188.2m、120m干滩遇8度地震下游坡临界滑裂面位置分布

图11 景观建设后库内水位遇设计洪水后191.04m、120m干滩遇8度地震下游坡临界滑裂面位置分布

计算结果表明，景观建设后龙口贮灰场灰坝在遇8度地震的工况下，下游边坡最小稳定安全系数均满足规范要求，因此灰坝整体抗震安全稳定是有保证的。

7 结 论

a.灰场景观不同于一般的自然景观，它在充分利用工业设施的基础上，通过景观设计和建设，来达到美化环境的要求。从保护工业设施，保障下游人民生命财产安全以及未来游人安全的角度出发，除了景观设计要符合灰场安全的管理要求外，还应考虑灰场重要设施设置保护区域、安全距离和游人禁入区等，景观设计时应从全方位、多视角综合考虑。

b.景观建设后对贮灰场坝体防洪、抗滑及抗震计算的分析表明，景观建设不影响灰场的安全，灰坝整体安全稳定是有保证的。

c.建议在类似工程中，不论灰场运行安全，还是景观设施和人员安全，都要依靠完善的管理制度和严格的日常管理，做到三分建设，七分管理。