渣场坡面网格梁生态防护结构受力特点研究

任泽栋，王 璐

(1.水电水利规划设计总院有限公司，北京 100120；2.北京市城市管理综合行政执法局执法保障中心，北京 100045)

0 引言

在“碳达峰、碳中和”的背景下，蓄能电站作为电网的“充电宝”在助力电网实现两碳目标中迎来新的建设机遇。在蓄能电站工程建设过程中，往往由于地表及地下的大量开挖导致产生诸多弃渣，少则几百万方多则上千万方，这些弃渣通常在工程区就近选择冲沟堆存成弃渣场[1-8]。如此大面积的土石堆存体，为了防止大面积水土流失，渣场常在表面设置一些生态防护措施，其中网格梁+植草护坡就是其中最常用的一种工作措施。由于弃渣场渣体堆存都是根据主体工程施工时序随挖随弃，堆存体大都是未经过碾压的“松方”堆存，渣场成规模后沉降及位移量普遍较大，进而导致坡面网格梁生态防护结构开裂、断头、底部空鼓的问题时有发生。这些变化轻则导致渣场水土流失严重，重则导致坡面失稳形成大面积滑坡，因此坡面生态防护在渣场建设中显得至关重要[9-11]。

然而，在渣场网格梁防护措施实施过程中，工程上对网格梁施工时序方面，网格梁混凝土结构应该随着渣场边堆存边砌筑，还是渣场堆存完成后再一次性砌筑网格梁这两种方案存在不同认识。因此，本文结合某工程实例就两种不同施工时序，就渣场坡面网格梁生态防护结构的受力特点进行了对比分析，以期为后续工程建设提供指导。

1 工程概况及计算模型

1.1 工程概况

在建某蓄能电站1#渣场平面布置如图1所示。该渣场弃渣容量13.54万m3，渣场顶部标高165m，下游坡面坡比1∶2，在标高150m和130m位置分别设置一马道，马道宽5m。坡面拟采用大框架现浇混凝土网格梁+植草护坡结构进行生态防护，网格梁框格尺寸10m×10m，网格梁断面尺寸0.5m×0.8m(宽×高)。渣场建成后拟在上部平面区域放置钢管及钢筋等施工材料，等效荷载约100kPa。

1.2 计算模型及材料参数

根据渣场布置方案，渣场平面最大宽度约76m，渣场顶部至底部最大高差约43m。因此，为了精确模拟渣场坡面网格梁的受力特点，选取计算模型平面尺寸为255m×255m，计算深度取该范围内最低点以下110m。地层按照地质勘察成果划分为层，从上至下依次为全风化、强风化和弱风化，岩性为花岗岩。采用有限元软件建立该范围内渣场的三维计算模型如图2所示，该模型中现状地形、渣场以及网格梁均采用3D实体四面体。结合工程实际，网格梁采用C25混凝土结构，结构采用线弹性本构模型，重度25kN/m3，弹性模量3.0E7kPa，泊松比0.167。地基采用线弹性模型，渣场填筑料采用摩尔库伦模型。

图2 三维有限元计算模型图

1.3 边界条件及计算时序

为了计算准确，需要结合建筑物的实际受力情况，对模型设置约束及荷载。约束设置时，以竖直方向为z轴，在模型的四周xz、yz对称面设置垂直于对称面的滚轴约束，在模型底部xy对称面设置z向的固定约束。荷载设置时，结合实际受力情况，考虑结构的自重荷载，同时在渣场顶面均施加100kPa的压力荷载，边界条件设置如图2所示。

计算时序方面考虑到网格梁的两种不同施工时间节点，拟定了两个方案。其中，方案一为先填筑渣场后施工网格梁方案，即按照高程150m以下堆渣→高程165～150m堆渣→高程150m以下网格梁防护→高程165～150m网格梁防护→坡顶堆积建材的步骤模拟分析；方案二为渣场边填筑边做网格梁防护方案，即按照高程150m以下堆渣→高程150m以下网格梁防护→高程165～150m堆渣→高程165～150m网格梁防护→坡顶堆积建材的步骤模拟分析，两种方案的计算过程简图如图3所示。

图3 有限元模拟施工时序图

2 计算结果对比分析

2.1 位移对比分析

通过数值计算，可以得到两种不同的渣场施工时序下网格梁各阶段总体位移云图如图4所示。通过对比分析两种方案的总位移分布情况可知，两种方案网格梁相应阶段的位移分布规律基本一致，总位移最大值主要分布在网格梁中上部靠近坡顶，网格梁与两岸接触部位以及底部位移较小，这与底部渣场的位移变形情况基本一致。渣场两岸及底部位置由于与基岩接触，对上部位移有一定的约束作用，而中部位置受渣场沉降及滑移影响，总体位移较大。其中，方案一在渣场施工完成时位移最大值为15.50cm，位移值大于10cm的范围占比约27.3%，在渣场顶部承载后位移最大值为19.27cm，位移值大于10cm的范围占比约34.1%；方案二在渣场施工完成时位移最大值为15.42cm，位移值大于10cm的范围占比约27.2%，在渣场顶部承载后位移最大值为19.19cm，位移值大于10cm的范围占比约45.9%。由此可知，两种网格梁施工方案中总位移情况分布基本一致且最值接近相等，但是边填筑边施工网格梁的方案二中位移大于10cm的范围明显偏大，网格梁损坏的可能性更大。

图4 各阶段坡面网格梁总位移云图(>0.10m)

2.2 应力对比分析

通过数值计算，可以得到两种不同的渣场施工时序下网格梁各阶段大主应力云图如图5所示。通过对比分析两种方案的大主应力分布情况可知，两种方案网格梁相应阶段的应力分布规律基本一致，大主应力最大值主要分布在网格梁中两侧与山体接触位置以及顶层网格梁与马道接触部位，网格梁中间区域应力值较小。其中，方案一在渣场施工完成时大主应力最大值为457kPa，应力值大于100kPa的范围占比约27.9%，在渣场顶部承载后应力最大值为3215kPa，应力值大于100kPa的范围占比约76.4%；方案二在渣场施工完成时大主应力最大值为1270kPa，应力值大于100kPa的范围占比约56.1%，在渣场顶部承载后应力最大值为3210kPa，应力值大于100kPa的范围占比约91.2%。由此可知，两种网格梁施工方案中大主应力情况分布基本一致，但方案二由于150m马道以上堆载导致先期施工的网格梁应力明显增大，并且两种方案比较，方案二边堆渣边施工网格梁方案应力值大于100kPa的区域范围明显偏大，其相应的网格梁结构应该更容易开裂。

图5 各阶段坡面网格梁大主应力云图(>100kPa)

3 结论

渣场作为蓄能电站工程中不可或缺的建筑物之一，其坡面防护结构受力及位移情况对渣场的安全及稳定起着至关重要的作用。本文借助有限元软件结合工程实例对两种常见的施工时序进行模拟分析，结果表明：

(1)两种施工方案总位移以及大主应力分布规律基本一致，总体位移均在10cm级别，位移较大的部位主要发生在网格中部位置，但网格梁和堆渣同步施工的方案中位移10cm以上的范围明显较大。

(2)大主应力最大值主要分布在网格梁与岸坡接触部位以及第一级马道底部位置，但网格梁和堆渣同步施工的方案中大主应力大于100kPa的范围明显较大。

(3)总体比较而言，两种方案带来的网格梁破坏的风险基本相当，这一计算成果可为后续工程建设提供参考。