佘芳濤,李 超,周慶怡,王松鶴

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所,陜西 西安 710048;2.陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

0 引言

我國是一個(gè)煤炭消耗大國,燃燒煤礦過程中,產(chǎn)生廢渣粉煤灰,由于粉煤灰復(fù)雜的化學(xué)成分,會(huì)導(dǎo)致?lián)P塵污染大氣,排入河道會(huì)導(dǎo)致堵塞,但同時(shí)其也具有資源回收的特性,應(yīng)選擇合適的處理方式,以期做到最大化的資源回收并且盡可能少的污染環(huán)境[1]。目前,摻合拌料等方式的資源再利用和修筑貯灰場進(jìn)行貯存是回收處理粉煤灰的主要方法。然而,粉煤灰在貯灰場中堆至一定高度后,還可能面臨潰壩的危險(xiǎn)[2],更嚴(yán)重的是在地震動(dòng)荷載作用下,會(huì)給當(dāng)?shù)厣钌a(chǎn)帶來難以承受的災(zāi)患。

在粉煤灰動(dòng)力方面已有大量專家學(xué)者進(jìn)行研究。沈正等[3]利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了粉煤灰的固化特性,發(fā)現(xiàn)動(dòng)回彈模量主要影響因素是動(dòng)應(yīng)力;李明等[4]也通過動(dòng)力三軸試驗(yàn),采用應(yīng)力對(duì)比法,研究了粉煤灰相對(duì)密度與液化面積的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)的前者提高,后者相應(yīng)減少;王峻等[5]采用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了改性黃土的最佳粉煤灰含量區(qū)間為15%～20%;陳能遠(yuǎn)等[6]使用動(dòng)扭剪三軸儀上研究不同摻量的粉煤灰對(duì)黃土的動(dòng)強(qiáng)度及孔壓的影響;李振等[7]通過動(dòng)扭剪試驗(yàn)研究飽和粉煤灰的干密度、固結(jié)應(yīng)力對(duì)動(dòng)力特性的影響;張昭等[8]利用動(dòng)扭剪試驗(yàn)研究了粉煤灰地層中實(shí)際地震動(dòng)力特性;胡頌嘉[9]研究發(fā)現(xiàn)液化區(qū)并不是壩體動(dòng)力失穩(wěn)的前提條件,壩體在地震慣性力作用下也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力失穩(wěn)破壞;嚴(yán)祖文等[10]采用有效應(yīng)力動(dòng)力的分析方法對(duì)壩基土體進(jìn)行了是否考慮滲流的地震液化的非線性動(dòng)力有限元分析;李時(shí)亮等[11]研究地震動(dòng)峰值加速度和初始靜應(yīng)力對(duì)粉煤灰路堤的抗液化性能;魏海斌等[12]研究發(fā)現(xiàn)3次凍融循環(huán)后粉煤灰土的動(dòng)力特性優(yōu)于粉質(zhì)粘土;董雷[13]研究發(fā)現(xiàn)30%是改善液化和提高粉煤灰強(qiáng)度的最優(yōu)摻土量。目前,學(xué)者對(duì)粉煤灰及其改性土的動(dòng)力特性室內(nèi)試驗(yàn)研究較為系統(tǒng),并在滲流與地震荷載作用下現(xiàn)狀貯灰場的動(dòng)力特征數(shù)值模擬進(jìn)行初步分析,但未采用多種試驗(yàn)手段分析加高擴(kuò)容前、后貯灰場動(dòng)力特征及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。因此,通過現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入、室內(nèi)靜動(dòng)力特性以及數(shù)值模擬試驗(yàn),依托實(shí)際工程,研究加高擴(kuò)容前、后貯灰場動(dòng)力特征及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià),為不同烈度地區(qū)貯灰場加高擴(kuò)容地震安全評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 貯灰場概況與現(xiàn)場測試

1.1 貯灰場基本概況

貯灰場采用分期筑壩方案。初期擋灰壩采用透水壩,填筑材料為戈壁土,子壩采用水力沖填碾壓灰渣加高?，F(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場主要有初級(jí)壩、一級(jí)子壩、二級(jí)子壩、三級(jí)子壩以及庫區(qū)內(nèi)灰場(以下簡稱“庫內(nèi)”)等五個(gè)部分構(gòu)成,如圖1(a)所示,現(xiàn)狀貯灰場壩高為27 m,擬筑壩加高至33 m。初期壩、一級(jí)子壩、二級(jí)子壩及三級(jí)子壩壩高分別約為14、3、5及5 m,上下游邊坡坡比為1∶3.0,初期壩頂寬4 m,子壩頂寬5 m。擬筑四級(jí)壩貯灰場是在三級(jí)壩貯灰場基礎(chǔ)上子壩加高與庫內(nèi)擴(kuò)容,四級(jí)子壩高為6 m,頂寬5 m,上下游邊坡坡比為1∶3.0,如圖1(b)所示。

圖1 現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場Fig. 1 Current three-stage dam and the proposed four-stage dam ash storage field

1.2 貯灰場粉煤灰物理性質(zhì)

在初級(jí)壩、二級(jí)子壩和三級(jí)子壩,在庫內(nèi)、取粉煤灰及壩體材料土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),測試基本物性指標(biāo),見表1。初級(jí)壩材料以砂粒與礫粒為主,含水率較低,孔隙小,密度較大。各級(jí)子壩與庫內(nèi)的粉煤灰以砂

表1 粉煤灰及壩體材料基本物性指標(biāo)平均值Table 1 Average values of basic physical properties of fly ash and dam materials

粒與粉粒為主。各級(jí)子壩粉煤灰的含水率較高和孔隙較大,密度較小。庫內(nèi)的粉煤灰含水率接近飽和孔隙大,密度小。由于各級(jí)子壩是采用水力沖填后碾壓施工后排水固結(jié)形成的壩體,子壩相比較庫內(nèi)的粉煤灰含水率偏低、孔隙偏小和密度偏小?，F(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場的干灘面長度大約100 m左右,浸潤線遠(yuǎn)離子壩。因此,子壩壩體粉煤灰含水率未達(dá)到飽和含水率,庫內(nèi)粉煤灰含水率接近飽和。

1.3 現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn)

現(xiàn)場測試在二級(jí)子壩和三級(jí)子壩的壩頂取T1、T2兩個(gè)斷面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),依據(jù) GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察》規(guī)范[14],確定設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.2 g時(shí)粉煤灰液化標(biāo)貫臨界擊數(shù)。二級(jí)和三級(jí)子壩壩高均為5 m,測試深度小于5 m范圍為子壩內(nèi)粉煤灰,大于5 m為標(biāo)貫深度穿過壩體進(jìn)入子壩下庫內(nèi)粉煤灰,從表2子壩現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn)可知：在T1斷面二級(jí)和三級(jí)子壩壩體內(nèi)粉煤灰不發(fā)生液化,子壩正下方庫內(nèi)粉煤灰將會(huì)有可能發(fā)生液化。

表2 子壩現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn)Table 2 Sub-dam standard penetration test

2 貯灰場的動(dòng)力響應(yīng)特征

2.1 動(dòng)力有限元計(jì)算原理

Hardin-Drnevich模型中動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變之間存在雙曲線關(guān)系,如下,

(1)

Gmax=k(σ′m)n

(2)

土的阻尼比符合如下規(guī)律：

(3)

土的動(dòng)孔壓增長符合如下規(guī)律：

(4)

依據(jù)SEED等[15]方法對(duì)動(dòng)剪切應(yīng)力比進(jìn)行修正,如下：

(5)

式中：ka為初始水平剪應(yīng)力和初始垂直正應(yīng)力之比的函數(shù),ks為初始垂直正應(yīng)力的函數(shù)。經(jīng)過對(duì)剪切應(yīng)力比進(jìn)行修正后,可以按照動(dòng)孔壓與初始靜小主應(yīng)力之比大于1,表示土體發(fā)生液化,否則不液化。

(6)

式中：Sr為沿整個(gè)滑面總的抗剪力,Sm為沿整個(gè)滑面總的下滑力。

2.2 數(shù)值模擬與分析方法

依據(jù)現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場剖面圖,建立二維數(shù)值模型,如圖2所示。模型包括：排水棱體、排水廊道、壩基、初期壩、各級(jí)子壩和庫內(nèi)。設(shè)置干灘面長度為100 m。通過粉煤灰動(dòng)三軸試驗(yàn)得到計(jì)算參數(shù)[16],見表3。

圖2 動(dòng)力有限元模型Fig. 2 Dynamic finite element model

表3 動(dòng)力計(jì)算模型參數(shù)Table 3 Dynamic calculation model parameters

汶川地震持續(xù)時(shí)間為180 s,數(shù)值計(jì)算選取天水監(jiān)測站實(shí)測的汶川地震加速度時(shí)程曲線的加速度最大值區(qū)域內(nèi)30 s用作計(jì)算,如圖3所示,地震持續(xù)時(shí)間為30 s,最大加速度時(shí)刻為12.84 s。計(jì)算時(shí)再將地震波進(jìn)行0.1、0.2和0.3 g進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)基巖地震加速度為0.1、0.2和0.3 g(分別對(duì)應(yīng)地震烈度為Ⅶ度和Ⅷ度)。計(jì)算中假定地震慣性力沿水平垂直于壩軸線方向作用于基巖,地震波從基巖向壩體傳播。

圖3 基巖輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig. 3 Time-history curve of input ground motion acceleration of bedrock

貯灰場動(dòng)力計(jì)算數(shù)值模擬主要有以下幾個(gè)步驟：

第一步,建立貯灰場二維有限元模型,輸入計(jì)算模型參數(shù),施加計(jì)算邊界條件,計(jì)算貯灰場及壩體在靜力作用下的應(yīng)力場與滲流場,作為動(dòng)力反應(yīng)分析的初始靜應(yīng)力場與靜孔壓場。

第二步,引入初始靜應(yīng)力場與靜孔壓場,輸入材料等效粘彈性模型參數(shù)及相應(yīng)曲線,施加動(dòng)力計(jì)算邊界條件,輸入計(jì)算收斂條件,基巖水平向輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線,進(jìn)行貯灰場動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。

第四步,導(dǎo)入動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算得到的應(yīng)力場,進(jìn)行邊坡有限元?jiǎng)恿Ψ€(wěn)定性計(jì)算。

2.3 貯灰場加速度響應(yīng)分析

圖4與圖5分別是在0.1、0.2和0.3 g三種輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場地峰值加速度分布圖?？梢钥闯觯涸诓煌斎氲卣饎?dòng)峰值加速度作用下,現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場地峰值加速度分布與發(fā)展規(guī)律相似,各級(jí)子壩峰值加速度變化顯著,初級(jí)壩峰值加速度次之,庫內(nèi)峰值加速度最小。隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度增大,峰值加速度場最大值的位置沿坡面向下移動(dòng),即為由三級(jí)子壩(0.1 g),發(fā)展到二級(jí)子壩(0.2 g),最后到一級(jí)子壩(0.3 g)。這是由于隨著輸入峰值加速度的增加,動(dòng)應(yīng)力逐漸向臨空面集中導(dǎo)致的現(xiàn)象。

圖4 現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場峰值加速度分布云圖

圖6為輸入地震動(dòng)峰值加速度0.2 g時(shí)現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)加速度時(shí)程曲線。輸入地震動(dòng)峰值加速度對(duì)應(yīng)的時(shí)間為12.84 s,三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)加速度時(shí)程曲線最大值發(fā)生在13.08 s。三級(jí)壩庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)加速度的最大值為0.280 g,小于四級(jí)壩庫內(nèi)的0.298 g,加高擴(kuò)容后四級(jí)壩庫內(nèi)高程增加,庫內(nèi)響應(yīng)加速度響應(yīng)較三級(jí)壩更加顯著。

圖6 輸入地震動(dòng)峰值加速度0.2 g時(shí)貯灰場庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線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 貯灰場位移響應(yīng)分析

圖7和圖8分別是在0.1、0.2和0.3 g三種輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場地峰值水平位移分布圖。可以看出：在不同輸入地震動(dòng)峰值加速度作用下,現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場地峰值水平位移分布與發(fā)展規(guī)律相似,隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度增大,峰值水平位移場的最大值逐漸由庫內(nèi)轉(zhuǎn)移至子壩壩頂,四級(jí)壩較三級(jí)壩庫內(nèi)峰值水平位移最大值這種移動(dòng)速度更快。隨著四級(jí)壩貯灰場加高擴(kuò)容,庫內(nèi)高程的增加,四級(jí)子壩的峰值水平位移較現(xiàn)狀三級(jí)子壩的更加顯著。

圖7 現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場地峰值水平位移分布圖

圖9為輸入地震動(dòng)峰值加速度0.2 g時(shí)貯灰場庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)水平位移時(shí)程曲線。三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)加速度時(shí)程曲線最大值發(fā)生在12.24 s。三級(jí)壩庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)加速度的最大值為0.049 5 m,小于四級(jí)壩庫內(nèi)的0.038 9 m,四級(jí)壩貯灰場加高擴(kuò)容后,其庫內(nèi)高程增加,水平位移響應(yīng)也較三級(jí)壩庫內(nèi)更加顯著。

圖9 輸入地震動(dòng)峰值加速度0.2 g時(shí)貯灰場庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)水平位移時(shí)程曲線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

圖10為不同輸入地震動(dòng)峰值加速度的貯灰場及壩體最大相對(duì)水平位移。隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度增大,初期壩、各級(jí)子壩以及庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)最大相對(duì)水平位移均增大,庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)最大相對(duì)水平位移增幅最大,增高擴(kuò)容四級(jí)壩相對(duì)現(xiàn)狀三級(jí)壩各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)最大相對(duì)水平位移增幅大。

圖10 貯灰場及壩體的最大相對(duì)水平位移Fig. 10 Maximum relative horizontal displacement of the ash storage field and the dam

2.5 貯灰場液化范圍分析

地震作用時(shí),貯灰場庫內(nèi)粉煤灰產(chǎn)生液化,若液化區(qū)域接近子壩,將會(huì)對(duì)貯灰場壩體穩(wěn)定性造成威脅。依據(jù)現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果,可以看出：現(xiàn)狀三級(jí)壩庫內(nèi)粉煤灰將可能會(huì)產(chǎn)生液化。圖11為在0.1、0.2和0.3 g三種輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場液化區(qū)域分布圖。現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場液化區(qū)域分布與發(fā)展規(guī)律相似,隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度的增加,庫內(nèi)液化區(qū)域有明顯增大。同一輸入峰值加速度條件下,四級(jí)壩相比現(xiàn)狀三級(jí)壩的庫內(nèi)液化區(qū)域要大,這是由于加高擴(kuò)容后四級(jí)壩庫內(nèi)高程增加,庫內(nèi)響應(yīng)加速度響應(yīng)較三級(jí)壩更加顯著。依據(jù)現(xiàn)狀三級(jí)壩干灘面為100 m,浸潤線遠(yuǎn)離壩體,液化區(qū)域距離壩體較遠(yuǎn),對(duì)貯灰場的穩(wěn)定性影響較小。因此,嚴(yán)格控制干灘面長度是貯灰場液化范圍控制有效措施。

圖11 貯灰場液化區(qū)域Fig. 11 Liquefaction area of ash storage field

3 貯灰場動(dòng)力穩(wěn)定性分析

圖12和圖13分別是在0.1、0.2和0.3 g三種輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩壩貯灰場最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的潛在滑動(dòng)面。貯灰場最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的潛在滑動(dòng)面均發(fā)生在13.08 s,滯后于地震動(dòng)輸入最大加速度的12.84 s?，F(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場潛在滑動(dòng)面位置均發(fā)生在子壩壩系,這是由于初期壩筑壩材料的密度、強(qiáng)度等指標(biāo)均相比子壩的要高,抗震性能好。

圖12 現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場潛在滑動(dòng)面 圖13 擬筑四級(jí)壩貯灰場潛在滑動(dòng)面Fig. 12 Potential sliding surface of the current Fig. 13 Potential sliding surface of the proposed

圖14為不同輸入地震動(dòng)峰值加速度的貯灰場最小安全系數(shù),可以看出：隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度的增大,貯灰場最小安全系數(shù)在減小,穩(wěn)定性在降低。擬筑四級(jí)壩貯灰場相比現(xiàn)狀三級(jí)壩高程增加,其最小安全系數(shù)減小,穩(wěn)定性降低。依據(jù)規(guī)范要求的允許最小安全系數(shù)為1.1,貯灰場壩體在0.1 g與0.2 g輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下擬筑四級(jí)壩與現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場均處于穩(wěn)定狀態(tài),貯灰場壩體在0.3 g輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下擬筑四級(jí)壩與現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該貯灰場抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g。在0.2 g輸入地震動(dòng)峰值加速度工況下,擬筑四級(jí)壩與現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場最小安全系數(shù)分別為1.287和1.235,因此,擬筑四級(jí)壩與現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場穩(wěn)定性均滿足要求。

圖14 不同輸入地震動(dòng)峰值加速度的貯灰場最小安全系數(shù)Fig. 14 Minimum safety factor of the ash storage field for different input ground motion peak accelerations

three-stagedamashstoragefieldfour-stagedamashstoragefield

4 結(jié)論

針對(duì)在地震荷載作用下貯灰場的加高擴(kuò)容引起破壞與失穩(wěn)問題,以實(shí)際工程為依托,通過現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等手段,研究加高擴(kuò)容貯灰場的動(dòng)力響應(yīng)特征及其穩(wěn)定性。主要得到以下結(jié)論：

1) 在不同輸入地震動(dòng)峰值加速度作用下,現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場地影響峰值加速度、峰值水平位移分布與發(fā)展規(guī)律相似。各級(jí)子壩峰值加速度變化顯著,初級(jí)壩峰值加速度次之,庫內(nèi)峰值加速度最小。隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度增大,場地峰值加速度場最大值的位置沿坡面向下移動(dòng),峰值水平位移場的最大值逐漸由庫內(nèi)轉(zhuǎn)移至子壩壩頂。加高擴(kuò)容后四級(jí)壩的峰值加速度和峰值水平位移相比現(xiàn)狀三級(jí)壩響應(yīng)更加顯著。

2) 依據(jù)現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn),在設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.2 g條件下,二級(jí)和三級(jí)子壩壩體內(nèi)粉煤灰不發(fā)生液化,子壩正下方庫內(nèi)粉煤灰將有發(fā)生液化的可能性。隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度的增加,庫內(nèi)液化區(qū)域有明顯增大,四級(jí)壩相比現(xiàn)狀三級(jí)壩的庫內(nèi)液化區(qū)域要大。嚴(yán)格控制干灘面長度是貯灰場液化范圍控制有效措施。

3) 由于初期壩筑壩材料的密度和強(qiáng)度等指標(biāo)均相比子壩的要高,在地震荷載作用下現(xiàn)狀三級(jí)壩與擬筑四級(jí)壩貯灰場潛在滑動(dòng)面位置均發(fā)生在子壩壩系。隨著擬筑四級(jí)壩貯灰場高程增加,其最小安全系數(shù)減小,穩(wěn)定性減弱。依據(jù)該貯灰場的Ⅷ度抗震設(shè)防烈度要求,擬筑四級(jí)壩與現(xiàn)狀三級(jí)壩貯灰場穩(wěn)定性均滿足抗震規(guī)范要求。