某爐渣高邊坡三維動(dòng)力響應(yīng)分析

劉文連 韋立德 陸得志 李江龍 楊天

摘要：為研究治理后的某爐渣高邊坡動(dòng)力響應(yīng)問題，基于完全非線性動(dòng)力分析理論，利用Flac3D軟件模擬邊坡地震響應(yīng)，獲得了邊坡在地震作用下的加速度放大系數(shù)、動(dòng)位移及塑性屈服區(qū)分布的動(dòng)力響應(yīng)特性。結(jié)果表明：在動(dòng)力荷載作用下，治理后的爐渣高邊坡?lián)跬翂敳控Q直方向和水平方向加速度放大系數(shù)分別約為 1.44和3.34，具有較大的安全儲(chǔ)備;邊坡水平方向最大位移不大，且塑性區(qū)范圍比治理前小，即爐渣高邊坡穩(wěn)定性得到了很大改善，治理措施有效。

關(guān)鍵詞：爐渣高邊坡;Flac3D軟件;動(dòng)力響應(yīng);模擬;穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TD7????????? 文章編號(hào)：1001-1277（2021）06-0090-08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210618

引 言

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年排放的爐渣近7 000 萬 t[1]。爐渣堆填體邊坡不同于自然邊坡，在自然條件下易發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的變化，其應(yīng)力場(chǎng)及固結(jié)作用較為復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性不易控制。爐渣一般依山而堆，堆填體邊坡普遍具有三維邊坡特征。此外，爐渣堆填體中的松散爐渣一般屬于土體，而爐渣邊坡坡高往往很高，在土體邊坡歸類中屬于高邊坡。這些特征增加了爐渣邊坡穩(wěn)定性的復(fù)雜性和邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的難度。如果爐渣邊坡問題處理不好，將會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。因此，在復(fù)雜荷載，特別是地震荷載作用下保持爐渣高邊坡的安全穩(wěn)定至關(guān)重要[2]。目前，已有利用Flac3D軟件進(jìn)行邊坡地震分析[3-6]、爐渣高邊坡靜力分析[7]的研究，但未見有利用Flac3D軟件動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行爐渣高邊坡地震分析的文獻(xiàn)報(bào)道。

某爐渣高邊坡具有復(fù)雜的三維特性，坡高超過100 m，遠(yuǎn)超高土坡坡高30 m標(biāo)準(zhǔn)[8];由于臨江，坡內(nèi)水位隨季節(jié)變化很大，且完成治理前存在降雨引發(fā)坡面沖刷，這些都增加了該爐渣高邊坡的復(fù)雜性和滑坡的高風(fēng)險(xiǎn)性[9]。為了更好地了解治理后邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性，利用Flac3D軟件動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)該爐渣高邊坡進(jìn)行分析，旨在為類似邊坡工程設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

1 爐渣高邊坡三維動(dòng)力分析模型

1.1 工程概況

某爐渣場(chǎng)位于金沙江東岸，渣場(chǎng)前緣下臨金沙江，渣場(chǎng)頂部形成寬大平臺(tái)，如圖1所示。該爐渣堆填體主要為高爐煉鋼鐵棄渣，渣場(chǎng)西北側(cè)形成較陡的渣體人工邊坡，坡度35°～40°，整個(gè)堆渣體長(zhǎng)約500 m，最大厚度達(dá)100 m，面積約0.26 km2，總體積約2 000萬m3。爐渣邊坡具有復(fù)雜的三維特性，坡高超過100 m ，且因?yàn)榕R江致使坡內(nèi)水位隨季節(jié)變化很大，加之完成治理前存在降雨引發(fā)坡面沖刷，導(dǎo)致該爐渣邊坡復(fù)雜性增加，滑坡風(fēng)險(xiǎn)性高。該爐渣高邊坡采取的主要治理措施有削坡、打錨桿、裝格構(gòu)梁、坡面植草和在防護(hù)墻內(nèi)側(cè)注漿形成新注漿加固墻等。

1.2 計(jì)算模型

該爐渣場(chǎng)三維非線性分析模型沿江水水平流向

（x軸方向）長(zhǎng)640 m，與之垂直的水平方向（y軸方向）寬266 m，z軸方向模型底面對(duì)應(yīng)高程954 m，模型頂面對(duì)應(yīng)高程約1 106 m。爐渣高邊坡簡(jiǎn)化幾何模型如圖2所示。

根據(jù)前期地質(zhì)勘察資料，將計(jì)算范圍內(nèi)巖土體簡(jiǎn)化為松散爐渣，包含植被、錨桿等的加固松散爐渣，熱熔爐渣，擋墻混凝土，灌漿膠結(jié)爐渣，漂卵石強(qiáng)風(fēng)化礫巖的等效材料，加固后不破壞的松散爐渣（彈性體），微型樁體加固爐渣的等效材料，中等風(fēng)化礫巖正長(zhǎng)巖的等效材料和河岸塊石混凝土體的等效材料。為精確模擬模型中地震波的傳播，網(wǎng)格尺寸必須小于輸入地震波最大頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/8～1/10。按照要求設(shè)定地震波最大頻率為5 Hz，計(jì)算各種材料在動(dòng)力計(jì)算分析中滿足精度的最大單元尺寸，結(jié)果如表1所示。

利用Flac3D軟件建立了2個(gè)模型：完成治理后的爐渣高邊坡模型（如圖3所示）和未完成治理的爐渣高邊坡模型（對(duì)比模型，如圖4所示）。完成治理后的爐渣高邊坡模型中，材料1是松散爐渣，材料2是包含植被、錨桿等的加固松散爐渣，材料3是熱熔爐渣，材料4是擋墻混凝土，材料5是灌漿膠結(jié)爐渣，材料6是漂卵石強(qiáng)風(fēng)化礫巖的等效材料，材料7是加固后不破壞的松散爐渣（彈性體），材料8是微型樁體加固爐渣的等效材料，材料9是中等風(fēng)化礫巖正長(zhǎng)巖的等效材料，材料10是河岸塊石混凝土體的等效材料，材料11是為了模擬接觸面而設(shè)置的彈性模量降低的熱熔爐渣。未完成治理（包括坡面植草、打錨桿、灌漿和在擋土墻下打微型樁等治理措施）的爐渣高邊坡有限差分法模型，其剖分塊體、節(jié)點(diǎn)情況與完成治理后的爐渣高邊坡有限差分法模型完全一樣，僅材料分布有差別。

1.3 地震波

爐渣場(chǎng)初始應(yīng)力場(chǎng)考慮渣體自重和滲流場(chǎng)共同作用。采用從模型底面輸入水平方向地震波的方法模擬地震進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。

數(shù)值模擬中采用的水平方向地震波是實(shí)測(cè)地震波。該場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。采用的實(shí)測(cè)地震波是日本神戶港地震時(shí)的實(shí)測(cè)地震波波形，調(diào)整最大加速度為0.15g，總時(shí)長(zhǎng)20 s，過濾掉頻率高于5 Hz的成分并進(jìn)行基線調(diào)整。輸入的地震波如圖5所示。

1.4 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

采用摩爾-庫侖模型描述工程材料特性，部分不考慮塑性破壞的材料采用線彈性模型描述。計(jì)算采用的各個(gè)巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。大部分強(qiáng)度參數(shù)直接采用勘察報(bào)告建議的強(qiáng)度參數(shù)[9];包含植被、錨桿等的加固松散爐渣、微型樁體加固爐渣的等效材料強(qiáng)度參數(shù)均按照巖土界經(jīng)驗(yàn)取值;考慮受植被、錨桿等的加固松散爐渣下部稍密實(shí)等因素的作用，包含植被、錨桿等的加固松散爐渣以下的松散爐渣強(qiáng)度由勘察建議值10 kPa提高到30 kPa;灌漿膠結(jié)爐渣強(qiáng)度參數(shù)取值主要參考勘察報(bào)告的統(tǒng)計(jì)資料和試驗(yàn)成果;江岸坡腳的塊石、混凝土等加固作用按照經(jīng)驗(yàn)提高強(qiáng)度來模擬。彈性模量和密度參數(shù)取值主要依據(jù)勘察報(bào)告的統(tǒng)計(jì)資料，但為了動(dòng)力計(jì)算過程的順利實(shí)施和提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，彈性模量參數(shù)做了適當(dāng)調(diào)整。

未完成治理的有限差分法模型，僅將完成治理后的爐渣高邊坡有限差分法模型中的灌漿膠結(jié)爐渣、微型樁體加固爐渣的等效材料和包含植被、錨桿等的加固松散爐渣變?yōu)樗缮t渣，其強(qiáng)度全部采用勘察報(bào)告建議值（內(nèi)聚力10 kPa和抗拉強(qiáng)度0），其他參數(shù)完全一樣。

按照Flac3D軟件動(dòng)力計(jì)算方法，動(dòng)力計(jì)算和靜力計(jì)算采用相同的材料變形參數(shù)。地震擾動(dòng)會(huì)使得土體強(qiáng)度降低，土體強(qiáng)度降低通常導(dǎo)致內(nèi)聚力降低程度比較大，而內(nèi)摩擦角變化不大，但由于缺乏室內(nèi)動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，最終動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)和靜強(qiáng)度參數(shù)相同。計(jì)算中阻尼選用局部阻尼，其中臨界阻尼比（D）取經(jīng)驗(yàn)值5 %，局部阻尼αL=πD=0.157。

模型計(jì)算過程如文獻(xiàn)[10]所示。

1.5 滲流場(chǎng)

正常運(yùn)行工況滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的水壓力分布如圖6所示。

1.6 初始應(yīng)力場(chǎng)

初始應(yīng)力場(chǎng)為巖土體自重和滲流場(chǎng)引起的初始地應(yīng)力場(chǎng)，最大主應(yīng)力最大值約為4.64 MPa，最小主應(yīng)力最大值約為1.67 MPa。最大主應(yīng)力分布如圖7所示，最小主應(yīng)力分布如圖8所示。

2 動(dòng)力響應(yīng)模擬結(jié)果分析

2.1 加速度

模型共設(shè)置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括擋土墻表面2個(gè)點(diǎn)A和D，松散爐渣坡表面2個(gè)點(diǎn)B和E，熱熔爐渣坡表面C點(diǎn)，如圖9所示。A點(diǎn)加速度時(shí)程曲線如圖10所示。

由圖10可知：只施加x軸方向水平加速度，但地表3個(gè)方向都有了加速度;與所加地震荷載方向一致的y軸方向加速度最大值4.907 m/s2，放大系數(shù)約為3.34;z軸方向加速度最大值2.116 m/s2，放大系數(shù)約為1.44;x軸方向加速度最大值為2.055 m/s2，放大系數(shù)約為1.40;擋土墻頂點(diǎn)加速度放大系數(shù)接近3，其放大系數(shù)與SL 203—97 《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的在設(shè)防烈度為7度時(shí)壩體頂部加速度放大系數(shù)3接近。與輸入加速度相比，達(dá)到峰值的時(shí)間相對(duì)延后。按照加速度模擬計(jì)算結(jié)果，判定A點(diǎn)穩(wěn)定。

2.2 永久變形

松散爐渣坡表面B點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖11所示，位移云圖及位移矢量（地震動(dòng)力計(jì)算結(jié)束時(shí)間20 s）如圖12所示。

由圖11和圖12可知：松散爐渣坡表面B點(diǎn)x軸方向、y軸方向和z軸方向最大位移分別是-15.2 mm、-99.2 mm和-44.9 mm，表明邊坡穩(wěn)定。由于地震引起邊坡臨空面發(fā)生向坡外位移，位移最大值約為128 mm，位置在松散爐渣坡面。坡體附近永久位移不大，邊坡穩(wěn)定。

2.3 塑性屈服

完成治理后的爐渣高邊坡最大地震加速度出現(xiàn)在約8 s時(shí)，其塑性屈服區(qū)分布如圖13所示。剪切塑性區(qū)體積約為77 535 m3，拉裂塑性區(qū)體積約為26 010 m3，塑性變形區(qū)主要集中在最高馬道高程以上未做加固的松散爐渣區(qū)域，最嚴(yán)重區(qū)域有連接成破壞體向外拋出的風(fēng)險(xiǎn)，初步判斷邊坡局部不穩(wěn)定。

未完成治理的爐渣高邊坡最大地震加速度也出現(xiàn)在約8 s時(shí)，其塑性屈服區(qū)分布如圖14所示。剪切塑性區(qū)體積約為332 850 m3，拉裂塑性區(qū)體積約為82 469 m3，松散爐渣塑性變形嚴(yán)重區(qū)域普遍有連接成破壞體發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，且部分墻體發(fā)生剪切破壞，可判斷邊坡不穩(wěn)定。與正常運(yùn)行工況完成治理后的爐渣高邊坡模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，未完成治理的堆填體剪切塑性變形體積大，邊坡有小規(guī)模滑坡風(fēng)險(xiǎn)。完成治理后的堆填體邊坡塑性變形區(qū)域分布得到改善，消除了小規(guī)?；嘛L(fēng)險(xiǎn)，可見治理方案比較好。

3 結(jié) 論

1）地震過程最大水平位移向坡內(nèi)方向，不是危險(xiǎn)方向;最大位移值不大，邊坡穩(wěn)定。由于地震引起邊坡臨空面發(fā)生向坡外位移，位移最大值約為128 mm，位置在松散爐渣坡面。坡體附近永久位移值不大，邊坡穩(wěn)定。

2）完成治理后的爐渣高邊坡最大地震加速度發(fā)生在8 s左右，塑性變形區(qū)主要集中在最高馬道高程以上未做加固的松散爐渣區(qū)域，最嚴(yán)重區(qū)域有連接成破壞體向外拋出的風(fēng)險(xiǎn)，初步判斷邊坡局部不穩(wěn)定。未完成治理的爐渣高邊坡最大地震加速度也發(fā)生在8 s左右，松散爐渣塑性變形嚴(yán)重區(qū)域普遍有連接成破壞體發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，且部分墻體發(fā)生剪切破壞，可判斷邊坡不穩(wěn)定。

3）與未完成治理的爐渣高邊坡模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，完成治理后的爐渣高邊坡塑性變形區(qū)域分布得到改善，消除了大規(guī)?；嘛L(fēng)險(xiǎn)，即治理措施有效，取得了良好效果。本研究為利用Flac3D軟件進(jìn)行爐渣高邊坡三維動(dòng)力響應(yīng)分析提供范例。

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Analysis of 3D dynamic response of a furnace slag high slope

Liu Wenlian1，Wei Lide2，Lu Dezhi1，Li Jianglong1，Yang Tian3

（1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co.，Ltd.;

2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese

Academy of Sciences;

3.Institute of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Abstract：To study dynamic response of a furnace slag high slope after treatment，the seismic response of the slope was calculated with the finite difference software Flac3D based on the fully nonlinear dynamic analysis theory，and the acceleration amplification coefficient，dynamic displacement and the plastic yielding zone were obtained.The results showed that the action of dynamic load led to the top of retaining wall of a furnace slag high slope with accelera-tion amplification coefficients at about 1.44 and 3.34 respectively for the vertical direction and horizontal direction and with more safe reserves;the maximum magnitude of the horizontal displacement for the slope is not great and the plastic zones’ area is smaller after treatment，i.e.the stability of the furnace slag high slope is greatly improved and the treatment measures are effective.

Keywords：furnace slag high slope;Flac3D software;dynamic response;simulation;stability

收稿日期：2020-12-10; 修回日期：2021-04-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51074152）

作者簡(jiǎn)介：劉文連（1964—），男，福建永定人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，從事巖土工程、工程勘察等方面設(shè)計(jì)和科研工作;昆明市東風(fēng)東路東風(fēng)巷1號(hào)，中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，650051;E-mail：LWENL@sina.com

通信作者，E-mail：weilide@tom.com，13995592605