淺析棄渣體設(shè)計(jì)參數(shù)

李明陽，柴建峰

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

1 引言

抽水蓄能的發(fā)展已有100多年歷史，現(xiàn)今隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)、霧霾治理、綠色能源和智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)等的規(guī)劃，抽水蓄能在中國才得以大力發(fā)展。抽水蓄能電站上、下庫多在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下筑壩與成庫，輸水發(fā)電系統(tǒng)開挖規(guī)模較大，同時(shí)上下庫連接道路開挖等眾多因素導(dǎo)致工程棄渣量較大。加之抽水蓄能電站多臨近電力負(fù)荷中心，自然和人文環(huán)境復(fù)雜，則其棄渣場選址和設(shè)計(jì)，基建期的填筑和后期安全運(yùn)行，顯得十分重要。

棄渣體多由巖石碎塊、強(qiáng)全風(fēng)化層物質(zhì)組成，其間混有細(xì)顆粒物質(zhì)，具有較高的內(nèi)摩擦角，隨著壓實(shí)固結(jié)，自穩(wěn)能力逐漸提高。但如果前期堆放時(shí)，缺少碾壓，或者碾壓效果不好，在重力作用下變形沉降，往往在后緣形成拉裂縫，拉張裂縫成了地下水運(yùn)行和儲(chǔ)存的通道，將降低棄渣體穩(wěn)定性。棄渣體變形破壞，多為后緣先失穩(wěn)，推動(dòng)前緣渣土體，形成整體滑動(dòng)。物源來源復(fù)雜，使用時(shí)間長，經(jīng)歷不同的季節(jié)，致使渣體內(nèi)部地質(zhì)條件復(fù)雜，變形破壞呈現(xiàn)多樣化[1-7]。

2 強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析

2.1 模型簡介

強(qiáng)度參數(shù)顯著影響著渣體的失穩(wěn)破壞模式，相關(guān)研究較多。目前工程設(shè)計(jì)中常用強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)是內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，以下主要探討這兩個(gè)參數(shù)，通過固定一個(gè)強(qiáng)度參數(shù)，只改變另一個(gè)強(qiáng)度參數(shù)，分析強(qiáng)度參數(shù)的變化對邊坡安全系數(shù)的和滑面位置的影響。通過FLAC3D的強(qiáng)度折減法可獲得安全系數(shù)FS和滑面形態(tài)，其結(jié)果和經(jīng)典條分法具有較好的一致性。

模型幾何尺寸：坡體高度為20m，坡角45°，邊界條件為下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。

內(nèi)聚力依次為：0、5、10、20、40、60和 80 kPa，φ=30°；

內(nèi)摩擦角依次為 ：0°、5°、10°、20°、30°、40°和 50°，c=10kPa。

2.2 敏感性分析結(jié)果

（1）內(nèi)聚力對滑面形態(tài)的影響。

由圖1和圖2（a）可見，隨著內(nèi)聚力c的增大，安全系數(shù)隨之增加，由淺層滑動(dòng)向深層滑動(dòng)轉(zhuǎn)變，潛在滑動(dòng)體的體積也增大。

（2）內(nèi)摩擦角對滑面形態(tài)的影響。

由圖3和圖2（b）可見，隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，安全系數(shù)隨之增加，但由深層滑動(dòng)向淺層滑動(dòng)轉(zhuǎn)變，滑動(dòng)體的體積隨之減少。摩擦角越大，滑面越淺。

綜上所述，強(qiáng)度參數(shù)的取值直接影響滑面形態(tài)和安全系數(shù)，進(jìn)而影響工程處理措施的選擇，所以在工程實(shí)踐中，選擇和棄渣體固結(jié)變形相吻合的設(shè)計(jì)參數(shù)顯得尤為重要。

3 工程實(shí)例分析

隨機(jī)選取4個(gè)抽蓄工程渣場設(shè)計(jì)專題，其強(qiáng)度參數(shù)見表1和圖4，可見不同項(xiàng)目的強(qiáng)度參數(shù)差別較明顯，這一現(xiàn)象值得進(jìn)一步研究。此外，考慮到棄渣體多為土石混合體，經(jīng)歷一定的固結(jié)后，完全忽略內(nèi)聚力也得商榷。

圖1 內(nèi)聚力對滑面形態(tài)的影響（a）c=0，F(xiàn)S=0.66 ；（b）c=5kPa，F(xiàn)S=1.03（c）c=20kPa，F(xiàn)S=1.69 ；（d）c=60kPa，F(xiàn)S=3.06Fig．1 Sliding planes according to different c

圖2 強(qiáng)度參數(shù)和FS關(guān)系曲線（a）c—FS；（b）φ—FSFig．2 The relation between mechanical parameters and FS

選用乙、丁兩個(gè)項(xiàng)目的強(qiáng)度參數(shù)值，假定渣體堆積坡度均為30°，采用通用商業(yè)軟件-理正巖土中的瑞典條分法，不考慮地下水，圖5和圖6為程序搜索出的滑面，可見滑面形態(tài)差別較大，這將影響工程防護(hù)方案。雖然地域有差別，但棄渣體多為土石混合體，參數(shù)和滑面差異如此明顯，同樣值得進(jìn)一步研究。

表1 渣場強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表Tab.1 List of c and φ according to different projects

圖3 摩擦角對滑面形態(tài)的影響（a）φ=0°，F(xiàn)S=0.26 ；（b）φ=10°，F(xiàn)S=0.66（c）φ=20°，F(xiàn)S=0.97 ；（d）φ=40°，F(xiàn)S=1.64Fig．3 Sliding planes according to different φ

圖4 c和φ散點(diǎn)圖Fig．4 Scatter graphs of c and φ

圖5 乙項(xiàng)目滑面形態(tài)Fig．5 Sliding planes of project B

圖6 丁項(xiàng)目滑面形態(tài)Fig．6 Sliding planes of project D

4 結(jié)論和建議

（1）加強(qiáng)行業(yè)之間的交流和資料共享，如設(shè)計(jì)單位之間的技術(shù)交流。

（2）規(guī)模和影響較大的渣場，除了查閱相關(guān)手冊和工程類比之外，盡可能采用試驗(yàn)等手段，獲得渣體物理力學(xué)參數(shù)。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)宏觀判斷等，綜合判定和取舍。

（3）除了關(guān)注內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力，還應(yīng)關(guān)注棄渣體的變形參數(shù)?，F(xiàn)有規(guī)范和計(jì)算方法，均未考慮巖土體的變形參數(shù)，而棄渣體在重力作用下差異固結(jié)變形，往往在后緣形成拉張裂縫，成為地下水運(yùn)行和儲(chǔ)存的通道，進(jìn)而降低棄渣體的穩(wěn)定性。

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