加高扩容贮灰场地震响应特性及其稳定性评价

佘芳涛,李 超,周庆怡,王松鹤

(1.西安理工大学 岩土工程研究所,陕西 西安 710048;2.陕西省黄土力学与工程重点实验室,陕西 西安 710048)

0 引言

我国是一个煤炭消耗大国,燃烧煤矿过程中,产生废渣粉煤灰,由于粉煤灰复杂的化学成分,会导致扬尘污染大气,排入河道会导致堵塞,但同时其也具有资源回收的特性,应选择合适的处理方式,以期做到最大化的资源回收并且尽可能少的污染环境[1]。目前,掺合拌料等方式的资源再利用和修筑贮灰场进行贮存是回收处理粉煤灰的主要方法。然而,粉煤灰在贮灰场中堆至一定高度后,还可能面临溃坝的危险[2],更严重的是在地震动荷载作用下,会给当地生活生产带来难以承受的灾患。

在粉煤灰动力方面已有大量专家学者进行研究。沈正等[3]利用动三轴试验研究了粉煤灰的固化特性,发现动回弹模量主要影响因素是动应力;李明等[4]也通过动力三轴试验,采用应力对比法,研究了粉煤灰相对密度与液化面积的关系,发现的前者提高,后者相应减少;王峻等[5]采用动三轴试验研究了改性黄土的最佳粉煤灰含量区间为15%～20%;陈能远等[6]使用动扭剪三轴仪上研究不同掺量的粉煤灰对黄土的动强度及孔压的影响;李振等[7]通过动扭剪试验研究饱和粉煤灰的干密度、固结应力对动力特性的影响;张昭等[8]利用动扭剪试验研究了粉煤灰地层中实际地震动力特性;胡颂嘉[9]研究发现液化区并不是坝体动力失稳的前提条件,坝体在地震惯性力作用下也会产生动力失稳破坏;严祖文等[10]采用有效应力动力的分析方法对坝基土体进行了是否考虑渗流的地震液化的非线性动力有限元分析;李时亮等[11]研究地震动峰值加速度和初始静应力对粉煤灰路堤的抗液化性能;魏海斌等[12]研究发现3次冻融循环后粉煤灰土的动力特性优于粉质粘土;董雷[13]研究发现30%是改善液化和提高粉煤灰强度的最优掺土量。目前,学者对粉煤灰及其改性土的动力特性室内试验研究较为系统,并在渗流与地震荷载作用下现状贮灰场的动力特征数值模拟进行初步分析,但未采用多种试验手段分析加高扩容前、后贮灰场动力特征及其稳定性评价。因此,通过现场标准贯入、室内静动力特性以及数值模拟试验,依托实际工程,研究加高扩容前、后贮灰场动力特征及其稳定性评价,为不同烈度地区贮灰场加高扩容地震安全评价提供理论依据。

1 贮灰场概况与现场测试

1.1 贮灰场基本概况

贮灰场采用分期筑坝方案。初期挡灰坝采用透水坝,填筑材料为戈壁土,子坝采用水力冲填碾压灰渣加高。现状三级坝贮灰场主要有初级坝、一级子坝、二级子坝、三级子坝以及库区内灰场(以下简称“库内”)等五个部分构成,如图1(a)所示,现状贮灰场坝高为27 m,拟筑坝加高至33 m。初期坝、一级子坝、二级子坝及三级子坝坝高分别约为14、3、5及5 m,上下游边坡坡比为1∶3.0,初期坝顶宽4 m,子坝顶宽5 m。拟筑四级坝贮灰场是在三级坝贮灰场基础上子坝加高与库内扩容,四级子坝高为6 m,顶宽5 m,上下游边坡坡比为1∶3.0,如图1(b)所示。

图1 现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场Fig. 1 Current three-stage dam and the proposed four-stage dam ash storage field

1.2 贮灰场粉煤灰物理性质

在初级坝、二级子坝和三级子坝,在库内、取粉煤灰及坝体材料土样进行室内试验,测试基本物性指标,见表1。初级坝材料以砂粒与砾粒为主,含水率较低,孔隙小,密度较大。各级子坝与库内的粉煤灰以砂

表1 粉煤灰及坝体材料基本物性指标平均值Table 1 Average values of basic physical properties of fly ash and dam materials

粒与粉粒为主。各级子坝粉煤灰的含水率较高和孔隙较大,密度较小。库内的粉煤灰含水率接近饱和孔隙大,密度小。由于各级子坝是采用水力冲填后碾压施工后排水固结形成的坝体,子坝相比较库内的粉煤灰含水率偏低、孔隙偏小和密度偏小。现状三级坝贮灰场的干滩面长度大约100 m左右,浸润线远离子坝。因此,子坝坝体粉煤灰含水率未达到饱和含水率,库内粉煤灰含水率接近饱和。

1.3 现场标贯试验

现场测试在二级子坝和三级子坝的坝顶取T1、T2两个断面进行标准贯入试验,依据 GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察》规范[14],确定设计地震基本加速度值为0.2 g时粉煤灰液化标贯临界击数。二级和三级子坝坝高均为5 m,测试深度小于5 m范围为子坝内粉煤灰,大于5 m为标贯深度穿过坝体进入子坝下库内粉煤灰,从表2子坝现场标贯试验可知：在T1断面二级和三级子坝坝体内粉煤灰不发生液化,子坝正下方库内粉煤灰将会有可能发生液化。

表2 子坝现场标贯试验Table 2 Sub-dam standard penetration test

2 贮灰场的动力响应特征

2.1 动力有限元计算原理

Hardin-Drnevich模型中动剪切模量与剪应变之间存在双曲线关系,如下,

(1)

Gmax=k(σ′m)n

(2)

土的阻尼比符合如下规律：

(3)

土的动孔压增长符合如下规律：

(4)

依据SEED等[15]方法对动剪切应力比进行修正,如下：

(5)

式中：ka为初始水平剪应力和初始垂直正应力之比的函数,ks为初始垂直正应力的函数。经过对剪切应力比进行修正后,可以按照动孔压与初始静小主应力之比大于1,表示土体发生液化,否则不液化。

(6)

式中：Sr为沿整个滑面总的抗剪力,Sm为沿整个滑面总的下滑力。

2.2 数值模拟与分析方法

依据现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场剖面图,建立二维数值模型,如图2所示。模型包括：排水棱体、排水廊道、坝基、初期坝、各级子坝和库内。设置干滩面长度为100 m。通过粉煤灰动三轴试验得到计算参数[16],见表3。

图2 动力有限元模型Fig. 2 Dynamic finite element model

表3 动力计算模型参数Table 3 Dynamic calculation model parameters

汶川地震持续时间为180 s,数值计算选取天水监测站实测的汶川地震加速度时程曲线的加速度最大值区域内30 s用作计算,如图3所示,地震持续时间为30 s,最大加速度时刻为12.84 s。计算时再将地震波进行0.1、0.2和0.3 g进行修正。设计基岩地震加速度为0.1、0.2和0.3 g(分别对应地震烈度为Ⅶ度和Ⅷ度)。计算中假定地震惯性力沿水平垂直于坝轴线方向作用于基岩,地震波从基岩向坝体传播。

图3 基岩输入地震动加速度时程曲线Fig. 3 Time-history curve of input ground motion acceleration of bedrock

贮灰场动力计算数值模拟主要有以下几个步骤：

第一步,建立贮灰场二维有限元模型,输入计算模型参数,施加计算边界条件,计算贮灰场及坝体在静力作用下的应力场与渗流场,作为动力反应分析的初始静应力场与静孔压场。

第二步,引入初始静应力场与静孔压场,输入材料等效粘弹性模型参数及相应曲线,施加动力计算边界条件,输入计算收敛条件,基岩水平向输入地震动加速度时程曲线,进行贮灰场动力响应计算。

第四步,导入动力响应计算得到的应力场,进行边坡有限元动力稳定性计算。

2.3 贮灰场加速度响应分析

图4与图5分别是在0.1、0.2和0.3 g三种输入地震动峰值加速度工况下现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场地峰值加速度分布图。可以看出：在不同输入地震动峰值加速度作用下,现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场地峰值加速度分布与发展规律相似,各级子坝峰值加速度变化显著,初级坝峰值加速度次之,库内峰值加速度最小。随着输入地震动峰值加速度增大,峰值加速度场最大值的位置沿坡面向下移动,即为由三级子坝(0.1 g),发展到二级子坝(0.2 g),最后到一级子坝(0.3 g)。这是由于随着输入峰值加速度的增加,动应力逐渐向临空面集中导致的现象。

图4 现状三级坝贮灰场峰值加速度分布云图

图6为输入地震动峰值加速度0.2 g时现状三级坝与拟筑四级坝库内监测点的相对加速度时程曲线。输入地震动峰值加速度对应的时间为12.84 s,三级坝与拟筑四级坝库内监测点相对加速度时程曲线最大值发生在13.08 s。三级坝库内监测点相对加速度的最大值为0.280 g,小于四级坝库内的0.298 g,加高扩容后四级坝库内高程增加,库内响应加速度响应较三级坝更加显著。

图6 输入地震动峰值加速度0.2 g时贮灰场库内监测点的加速度时程曲线Fig. 6 Acceleration time-history curve of the monitoring points in the ash storage field when the peak acceleration is 0.2 g input

ashstoragefieldofcurrentthree-stagedam ashstoragefieldofproposedfour-stagedam

2.4 贮灰场位移响应分析

图7和图8分别是在0.1、0.2和0.3 g三种输入地震动峰值加速度工况下现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场地峰值水平位移分布图。可以看出：在不同输入地震动峰值加速度作用下,现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场地峰值水平位移分布与发展规律相似,随着输入地震动峰值加速度增大,峰值水平位移场的最大值逐渐由库内转移至子坝坝顶,四级坝较三级坝库内峰值水平位移最大值这种移动速度更快。随着四级坝贮灰场加高扩容,库内高程的增加,四级子坝的峰值水平位移较现状三级子坝的更加显著。

图7 现状三级坝贮灰场地峰值水平位移分布图

图9为输入地震动峰值加速度0.2 g时贮灰场库内监测点的相对水平位移时程曲线。三级坝与拟筑四级坝库内监测点的相对加速度时程曲线最大值发生在12.24 s。三级坝库内监测点相对加速度的最大值为0.049 5 m,小于四级坝库内的0.038 9 m,四级坝贮灰场加高扩容后,其库内高程增加,水平位移响应也较三级坝库内更加显著。

图9 输入地震动峰值加速度0.2 g时贮灰场库内监测点的相对水平位移时程曲线Fig. 9 Relative horizontal displacement time-history curve of the monitoring points in the ash storage field when the peak acceleration of the ground motion is 0.2 g input

图10为不同输入地震动峰值加速度的贮灰场及坝体最大相对水平位移。随着输入地震动峰值加速度增大,初期坝、各级子坝以及库内监测点最大相对水平位移均增大,库内监测点最大相对水平位移增幅最大,增高扩容四级坝相对现状三级坝各个监测点最大相对水平位移增幅大。

图10 贮灰场及坝体的最大相对水平位移Fig. 10 Maximum relative horizontal displacement of the ash storage field and the dam

2.5 贮灰场液化范围分析

地震作用时,贮灰场库内粉煤灰产生液化,若液化区域接近子坝,将会对贮灰场坝体稳定性造成威胁。依据现场标贯试验结果,可以看出：现状三级坝库内粉煤灰将可能会产生液化。图11为在0.1、0.2和0.3 g三种输入地震动峰值加速度工况下现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场液化区域分布图。现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场液化区域分布与发展规律相似,随着输入地震动峰值加速度的增加,库内液化区域有明显增大。同一输入峰值加速度条件下,四级坝相比现状三级坝的库内液化区域要大,这是由于加高扩容后四级坝库内高程增加,库内响应加速度响应较三级坝更加显著。依据现状三级坝干滩面为100 m,浸润线远离坝体,液化区域距离坝体较远,对贮灰场的稳定性影响较小。因此,严格控制干滩面长度是贮灰场液化范围控制有效措施。

图11 贮灰场液化区域Fig. 11 Liquefaction area of ash storage field

3 贮灰场动力稳定性分析

图12和图13分别是在0.1、0.2和0.3 g三种输入地震动峰值加速度工况下现状三级坝与拟筑四级坝坝贮灰场最小安全系数对应的潜在滑动面。贮灰场最小安全系数对应的潜在滑动面均发生在13.08 s,滞后于地震动输入最大加速度的12.84 s。现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场潜在滑动面位置均发生在子坝坝系,这是由于初期坝筑坝材料的密度、强度等指标均相比子坝的要高,抗震性能好。

图12 现状三级坝贮灰场潜在滑动面 图13 拟筑四级坝贮灰场潜在滑动面Fig. 12 Potential sliding surface of the current Fig. 13 Potential sliding surface of the proposed

图14为不同输入地震动峰值加速度的贮灰场最小安全系数,可以看出：随着输入地震动峰值加速度的增大,贮灰场最小安全系数在减小,稳定性在降低。拟筑四级坝贮灰场相比现状三级坝高程增加,其最小安全系数减小,稳定性降低。依据规范要求的允许最小安全系数为1.1,贮灰场坝体在0.1 g与0.2 g输入地震动峰值加速度工况下拟筑四级坝与现状三级坝贮灰场均处于稳定状态,贮灰场坝体在0.3 g输入地震动峰值加速度工况下拟筑四级坝与现状三级坝贮灰场均处于不稳定状态。该贮灰场抗震设防烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.2 g。在0.2 g输入地震动峰值加速度工况下,拟筑四级坝与现状三级坝贮灰场最小安全系数分别为1.287和1.235,因此,拟筑四级坝与现状三级坝贮灰场稳定性均满足要求。

图14 不同输入地震动峰值加速度的贮灰场最小安全系数Fig. 14 Minimum safety factor of the ash storage field for different input ground motion peak accelerations

three-stagedamashstoragefieldfour-stagedamashstoragefield

4 结论

针对在地震荷载作用下贮灰场的加高扩容引起破坏与失稳问题,以实际工程为依托,通过现场试验、室内试验以及数值模拟等手段,研究加高扩容贮灰场的动力响应特征及其稳定性。主要得到以下结论：

1) 在不同输入地震动峰值加速度作用下,现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场地影响峰值加速度、峰值水平位移分布与发展规律相似。各级子坝峰值加速度变化显著,初级坝峰值加速度次之,库内峰值加速度最小。随着输入地震动峰值加速度增大,场地峰值加速度场最大值的位置沿坡面向下移动,峰值水平位移场的最大值逐渐由库内转移至子坝坝顶。加高扩容后四级坝的峰值加速度和峰值水平位移相比现状三级坝响应更加显著。

2) 依据现场标贯试验,在设计地震基本加速度值为0.2 g条件下,二级和三级子坝坝体内粉煤灰不发生液化,子坝正下方库内粉煤灰将有发生液化的可能性。随着输入地震动峰值加速度的增加,库内液化区域有明显增大,四级坝相比现状三级坝的库内液化区域要大。严格控制干滩面长度是贮灰场液化范围控制有效措施。

3) 由于初期坝筑坝材料的密度和强度等指标均相比子坝的要高,在地震荷载作用下现状三级坝与拟筑四级坝贮灰场潜在滑动面位置均发生在子坝坝系。随着拟筑四级坝贮灰场高程增加,其最小安全系数减小,稳定性减弱。依据该贮灰场的Ⅷ度抗震设防烈度要求,拟筑四级坝与现状三级坝贮灰场稳定性均满足抗震规范要求。