科研设计
DOI! 10. 16616/j.cnki.11-4446/TV. 2017.011.001
子坝加高工程灰坝坝面布置运灰道路的
稳定性分析！
冯永欣#
秦红2
张哲源#
(1.中囯能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原030001;
2.中囯水利水电科学研究院，北京100048)
【摘要】华能左权煤电有限责任公司西沟贮灰场现有运灰道路沿北侧坝肩到达四级子坝坝顶，为满足堆灰要
求，规划在原有四级子坝基础上新修五至八级坡度较大的子坝，将导致运灰道路无法延伸至后期坝顶，需要从加高 子坝坝面上修建运灰道路，造成灰坝的局部安全性降低。以往研究中，尚未见到有针对车辆动荷载和地震荷载作 用下贮灰场坝面修建运灰道路稳定性的分析。为切实保证新修各级子坝的稳定和保障坝面上运灰道路的畅通，开 展动荷载作用下坝面修建运灰道路的稳定性分析就显得尤为重要。本文在现场调查和室内试验的基础上，通过有 限元数值计算，对灰场子坝加高后坝面布置运灰道路进行安全论证，分析了车辆动载和地震荷载对灰坝稳定的影 响，为类似工程积累了研究经验。【关键词】子坝加高；贮灰场；坝面;运灰道路;稳定性分析
中图分类号：TU13 文献标志码：& 文章编号：1005-4774(2017)011-0001-06
Analysis on the st^bilit^ of ash conveying road layout on ash dam
surface of sub-dam heightening projects
(1. 2.
China Energy Engineering Group Shanxi Electric Power Engineering Co.，Ltd.，Taiyuan 030001, China #China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048 , China)FENG Yongxin1, CAI Hong2, ZHANG Zheyuan1
Abstract! Existing ash conveying roads
of Huaneng Zuoquan Coal and Electricity Co.，Ltd. Xigou Ash Storage Yard reach
grade ! sub-dam crest along the north dam shoulder. It is planned that grade \" to grade # sub-dams with largergradients are newly constructed on the basis of original grade ! sub-dams in order to meet the ash piling requirements.Therefore，the ash conveying roads cannot reach the subsequent dam crest. It is necessary to construct ash conveying roadson the surface of heightened sub-dams，thereby leading to reduction of local safety of ash dams. In previous studieis no analysis on the stability of constructing ash conveying roads aiming at the ash storage yard dam surface under the role of vehicle dynamic load and earthquake load. It is very important to analyze the stability of constructing ash conveying roads on the dam surface under the role of dynamic loads in order to actually guarantee the stability of newly-constructat all levels and smoothness of ash conveying roads on ash dam surface. In the paper，ash conveying road layout on ash dam surface after ash storage yard sub-dam heightening undergoes safety demonstration on the basis of field investiindoor test through finite element numerical calculation. The influence of vehicle dynamic load and earthquake load dam stability is analyzed，thereby accumulating study experience for similar projects.Keywords: sub-dam heightening; ash storage yard; dam surface; ash conveying road; stability analysis
!基金项目：2017年国家重点研发计划项目，编号:SQ2017YFSF 060085;中国水科院基本科研业务费项目GE0145B512016
水利建设与管理
i 刖言
载重车辆行驶会对运灰道路表面产生激励[1]，引 起路面介质变形，这一物理变形将在路面结构内部形 成弹性波，并在介质中传播形成地震波，在原理上与地 震类似，但震级要比天然地震小的多。运灰车辆动荷 载随车辆和道路的构造及车辆运动状态而变化，具有 随机性和重复性，进而在灰坝中产生复杂的应力、变形 和其他动力响应[2P]，会造成灰坝的局部安全性降低。 以往研究中，尚未见到有针对车辆动荷载和地震荷载 作用下贮灰场坝面修建运灰道路稳定性的分析。为切 实保证新修各级子坝的稳定[6]和保障坝面上运灰道路 的畅通，开展车辆动载和地震荷载作用下坝面修建运 灰道路的稳定性分析就显得尤为重要。
本文以华能左权煤电有限责任公司西沟贮灰场坝 面修筑运灰道路为背景，在现场调查和室内试验的基 础上，通过有限元数值计算，对灰场子坝加高后坝面布 置运灰道路进行安全论证，分析了动荷载对灰坝稳定 的影响，为类似灰坝工程积累了研究经验。
2工程概况
华能左权煤电有限责任公司西沟贮灰场采用干式
除灰，初期坝为堆石坝，后期灰坡采用碾压粉煤灰分级 填筑，现已完成一至四级子坝施工，表面采用干砌石护 面。原施工图阶段灰场道路仅为规划，没有正式施工 图设计，实际运灰道路沿北侧坝肩进入灰场（见图1)， 达到四级子坝坝顶（见图2)。
图
1
左坝肩运灰进场道路
• 2 •
图,
灰场进灰入口（坝顶尽头为灰场入口）
为满足电厂堆灰要求，规划在原有四级子坝 (见图3 &基础上新修五至八级坡度较大的子坝（见图 4 )，致使运灰道路无法延伸至后期坝顶，需要从加高子 坝的坝面上修建运灰道路。
图3
四级子坝坝体断面
图4
加高到八级坝体断面
灰坝加高后道路改造稳定性计算中，管理单位提 供运灰车重17. 5t，单车日常最大拉灰约28t，合计 45.5t，分析中按46t考虑。
3模拟分析及应用
31计算参数
通过在现场开展地质勘察与断面测量，对地层情 况、断面形状、灰场含水率、干密度分布进行分析;在所 取试样的基础上，开展室内基本物理性质试验和三轴 压缩试验;在室内试验和工程类比的基础上确定了计 算参数，见表1。
冯永欣等/子坝加高工程灰坝坝面布置运灰道路的稳走牲分析私 0000
表
1
材料抗剪强度指标
材料名称!(。）c/kPa
备注
22.0018总应力法（CU)初期坝
28.0010有效应力法（CD)23.00
16总应力法（CU)粉煤灰
27.50
9
有效应力法（CD)
灰坝动力稳定计算分析要求在计算程序中输入地 震动时程曲线％地震加速度时程曲线），根据《火力发 电厂灰渣筑坝设计规范》的有关规定，动力稳定计算选 用规范波，按地震加速度峰值进行修正，具体如图5、 图6所示。
图5规范地震波地震加速度时程曲线(0.02!)
图
-规范地震波地震加速度时程曲线(0.07!)
3.2计算工况
安全评价采用动力法进行，查《中国地震动参数区 划图》（GB 18306—2015 )，该灰场峰值加速度为 0.05*。动力计算依据有关车辆地面振动响应的现场 试验研究成果[7_8]，将46t运灰车辆动荷载的峰值加速 度设置为0. 02*，即加高至八级子坝条件，单独考虑46t 运灰车辆动荷载工况中峰值加速度为0. 02*#考虑VI 度地震加46t运灰车辆动荷载组合工况中峰值加速度 为0. 07*，具体计算工况见表2。
表
2
坝面布置运灰道路稳定计算工况工况断面
荷载峰值加速度1加高到八级子坝车辆动荷载
0.02*2
加高到八级子坝
VI度地震_车辆动荷载
0. 05* + 0. 02*
3.3计算原理
坝体动力分析以静力分析结果为基础，计算在动 荷载条件下灰坝的应力、位移分布及液化范围，分析动 荷载条件下的坝体响应，确定46t运灰车辆动荷载及
V度地震力加46t运灰车辆动荷载作用下坝体的动应 力状态及变形。
动力计算分析采用的是国际通用的QUAKE/W软
件，该软件可以对地震冲击波、爆炸产生的动态载荷或 冲击载荷等作用下的土工结构动力问题进行计算 分析。
QUAKE/W采用的是二维平面应变中的小位移和
小应变理论，其系统动力响应的控制方程为式中[B]、[\"]、[D]——
体系的质量、阻尼、刚度阵； |./、|'/、| . /——
体系的结点位移、速度、加 速度向量；
IF
—结点动力荷载向量。
单元阻尼采用Rayleigh假定：
[3]( E \"#i[G](+ \"#1[1](
式中[3](、[G](、[ir
—单元阻尼阵、质量阵和刚度阵；
• 3 •
水利建设与管理2017年•第期
\"——##
单元阻尼比；项体基频。
表
3
坝面布置运灰道路动力计算工况及计算结果
最大剪应 垂向最大位 水平最大位 力/kPa
移/cm
移/cm
系统动力控制方程的求解，采用WilsonP法，材料 的非线性按等效线性化法处理。在坝体的动力计算 中，灰坝的地震响应与灰坝高度紧密相关，选取最大的 坝顶标高可以计算出灰坝在运行中的最大变形响应， 选取1255. 00m高程最大断面。计算中为监测各部位 的动荷载响应，设置+个数值模拟监测点，如图7中所 示从上往下依次为Z〜P5点。
工况荷 载
12
车辆动荷载
10010102. 00
0.762.55
5.8815.62
VI度地震_车辆动
荷载
表
4
坝面布置运灰道路动力计算监测点
最大水平加速度
P1
工况荷载车辆动荷载
P1
0. 082g0. 259g
P2
0. 0g0. 281g
P3P4P5
P2
P3
P4
12
0. 068 g0. 0065 g0.0048g0.218g0. 023 g
0.016g
VI度地震_
车辆动荷载
图7
动力计算模型及数值模拟监测点
3.4.1车辆动荷载
动力计算过程分为两个步骤灰坝初始应力分 布计算，计算灰坝在动荷载作用前的初始静应力分布; ⑥输入场地动荷载，计算各工况的变形分布。3.4计算结果
坝面布置运灰道路动力计算工况及计算结果见表3， 坝面布置运灰道路动力计算监测点最大水平加速度见 表4。
图8为地震结束后剪应力分布图，可以看出最大 剪应力主要分布在初期坝和堆灰内。图9和图10为 地震过程中的垂向、水平向最大位移，垂向最大位移呈 波形分布，最大位移发生在堆灰顶部，水平向最大位移 也位于堆灰顶部。
图8工况1动荷载结束时剪应力分布（单位:kPa)
图9工况1垂向最大位移分布（单位:m)
• 4 •
冯永欣等/子坝加高工程灰坝坝面布置运灰道路的稳走牲分析私 0000
图
10工况1水平向最大位移分布（单位:)
m
3.4.2
VI度地震+车辆动荷载
水平最大位移也位于堆灰顶部。
地震+车辆动荷载及车辆动荷载情况下P1〜P5 监测点的水平向加速度响应的计算结果见表4,对比 可以看出子坝监测点的动力响应远大于初期坝。
图11为地震_车辆动荷载结束后剪应力分布图， 可以看出最大剪应力主要分布在初期坝和堆灰内。 图12和图13为地震过程中垂向和水平向最大位移， 垂向最大位移呈波形分布，最大位移发生在堆灰顶部，
图
11工况2动荷载结束时剪应力分布（单位:
kPa)
图
13工况2动荷载结束时水平向最大位移分布（单位! )
m
• 5 •
□水刺律设与管理年•第期
3. 5坝体动力稳定分析
坝面布置运灰道路稳定计算工况及计算结果见 表5$
表
5
坝面布置运灰道路稳定计算工况及计算结果安全系数工况
断面荷载
峰值加速度
初期坝
整体
1加高到 八级子坝车辆动荷载
0.02g1.441. 2
加高到6°地震_
0. 05g _
八级子坝
车辆动荷载
0.02g
1.29
1.59
图14〜图17为灰坝当前坝高最大断面和加高到 八级子坝的最危险滑面位置，相应的安全系数见表5$ 结果表明两种动荷载工况下，灰坝最小安全系数均满 足规范要求。
图
15工况1八级子坝最危险滑面（整体)
31坝面布置运灰道路工程应用
基于文中数值模拟的结果，该灰场自2017年6月
1日起进行了子坝加高后坝面布置运灰道路的施工• 6 •
(图18)，5级子坝的坝面运灰道路也于2017年7月31 日起顺利投入运行（图19)。
图
18
坝面布置运灰道路施工现场
图
19
坝面布置运灰道路正式运行
4
结论
考虑加高至八级子坝，分别计算自重46t运灰车
辆动荷载和VI度地震加46t运灰车辆动荷载组合工 况下灰坝的稳定性，结果表明：
0两种工况下，灰坝最小安全系数均满足规范 要求。
9两种动荷载作用下，工况1灰坝最大剪应力为
100. 20kPa，最大垂向位移为0. 76c
m，最大水平位移为 5. 88c
m，位移最大值均位于坝顶堆灰表层。工况2灰
坝最大剪应力为102. 00kPa，最大垂向位移为2. 55cm， 最大水平位移为15. 62cm，位移最大值均位于坝顶堆 灰表层。剪力和位移值均较小，分布符合一般规律，灰
坝处于稳定安全状态。
;水平位移响应，随加高高度呈现明显的规律 性，由顶及底水平位移响应的频率依$下转第26页）
水利建设与管理
3.3数据分析
依据国家强制性标准《埋地预应力钢筒混凝土管 道的阴极保护》％ GB/T 28725 —2012)的相关规定要 求，判定分析所测得的试验数据准确，符合规范要求。 土壤电阻率是土壤的属性指标，极化电位是阴极保护 效果的判断指标，从图3 %三种土壤土壤电阻率与极化 电位关系图）数据中可以得出，土壤电阻率与阳极发生 电流、极化电位成负相关关系，即土壤电阻率与阴极保 护效果呈负相关。由以上图表的数据中可以得出，在 同一土壤介质中两种安装方法产生的极化电位、阳极 发生电流指标差别不大，极化效果差异不明显，但在不 同土壤介质中产生的极化效果差异较大。
8007006005004003002001000
现场拼装法图3
预拼装法
[3][2]
□阳极发生电流
□极化电位
参考文献[1]
顾建辉，刘传聚.大中口径输水管道的牺牲阳极防蚀保护 技术[J].上海科技建设，2006(2): 17-19.
叶国文.长距离输水管道的防腐研究[J].华南理工大学 学报，2009(7): 7-33.
季庆辉， 司培育，陈磊，等.鄂北水资源配置工程PCCP 管道阴极保护方案选择与设计[J].水电与新能源，2015 (9): 9-13.[4 ][5]
邱益军，徐维强.阴极保护在供水干管工程中的运用与实 践[J].陕西水利，2014(1): 8-13.
郑金通.牺牲阳极的阴极保护技术在金钟引水PCCP管道 中的应用[J].中国农村水利水电，2014(8): 12-14.
4结语
从试验结果来看，锌合金和镁合金的阳极块都完
全达到了规范和相关技术标准的要求，PCCP管道阴 极保护效果良好。在同一土壤介质条件下，同一区域、 同一安装方法，尽量保持边界条件相同的两个测试单 元中，镁合金阳极的阴极保护效果较好。
镁阳极的极化时间较快;镁合金和锌合金的材料 保管、运输、安装焊接等方法相同，没有较大差别;在工 程造价上，镁合金的造价比锌合金的造价高2〇e以 上，所以在达到相同管道阴极保护效果的情况下，锌合 金阳极性价比较高。
PCCP管道上安装阴极保护材料块时，在考虑工程
效果、安全稳定性、经济性等条件下，锌合金阳极块比 镁阳极块的性价比高。#
两种不同安装方法极化电位关系
由图3 %两种不同安装方法极化电位关系）得出： 在砂土和壤土中两种安装方法产生的保护效果差异性 较小;粉质黏土的预拼装方法成功率较低，极化效果比 现场拼装法效果差，建议粉质黏土采用现场拼装法安 装
PCCP阴极保护系统。
[4][5][6]
谭祥韶.车辆动荷载影响深度的现场试验研究[J].湖南
(上接第6页）次增加、振幅依次降低、振幅变化幅度
依次加剧。#
参考文献[1][2][3]
杨果岳.车辆随机荷载与柔性路面相互作用的研究[\\]. 长沙：中南大学，2007.
交通科技，2010, 36(4): 35-38.
宋杨，魏连雨，冯雷.基于车辆动荷载条件下的半刚性路 李景娟，谢罗峰，段祥宝.灰顼加高条件下渗流与应力稳 樊云龙.交通荷载下路基相应的分析和研究[\\].长沙： 张光明.高速铁路路基段地面振动响应研究[D].成都： 面路基工作区深度研究[J].中夕卜公路，2015 , 35(6): 47-52.
定分析[J].中国农村水利水电，2016(6): 177-181.
中南大学，2008.
西南交通大学，2014.
魏星，.多轮组车辆荷载下公路地基的附加动应力 [7]杨果岳，王晅，张家生.速度与载重对车-路系统影响的试 [8]
[J].岩土工程学报，2015, 37(10): 1924-1930.
验研究[J].振动与冲击，2008, 27(6): 167-196.
• 26 •