渣場(chǎng)坡面網(wǎng)格梁生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)研究

任澤棟，王 璐

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100120；2.北京市城市管理綜合行政執(zhí)法局執(zhí)法保障中心，北京 100045)

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，蓄能電站作為電網(wǎng)的“充電寶”在助力電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩碳目標(biāo)中迎來(lái)新的建設(shè)機(jī)遇。在蓄能電站工程建設(shè)過(guò)程中，往往由于地表及地下的大量開(kāi)挖導(dǎo)致產(chǎn)生諸多棄渣，少則幾百萬(wàn)方多則上千萬(wàn)方，這些棄渣通常在工程區(qū)就近選擇沖溝堆存成棄渣場(chǎng)[1-8]。如此大面積的土石堆存體，為了防止大面積水土流失，渣場(chǎng)常在表面設(shè)置一些生態(tài)防護(hù)措施，其中網(wǎng)格梁+植草護(hù)坡就是其中最常用的一種工作措施。由于棄渣場(chǎng)渣體堆存都是根據(jù)主體工程施工時(shí)序隨挖隨棄，堆存體大都是未經(jīng)過(guò)碾壓的“松方”堆存，渣場(chǎng)成規(guī)模后沉降及位移量普遍較大，進(jìn)而導(dǎo)致坡面網(wǎng)格梁生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、斷頭、底部空鼓的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。這些變化輕則導(dǎo)致渣場(chǎng)水土流失嚴(yán)重，重則導(dǎo)致坡面失穩(wěn)形成大面積滑坡，因此坡面生態(tài)防護(hù)在渣場(chǎng)建設(shè)中顯得至關(guān)重要[9-11]。

然而，在渣場(chǎng)網(wǎng)格梁防護(hù)措施實(shí)施過(guò)程中，工程上對(duì)網(wǎng)格梁施工時(shí)序方面，網(wǎng)格梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)該隨著渣場(chǎng)邊堆存邊砌筑，還是渣場(chǎng)堆存完成后再一次性砌筑網(wǎng)格梁這兩種方案存在不同認(rèn)識(shí)。因此，本文結(jié)合某工程實(shí)例就兩種不同施工時(shí)序，就渣場(chǎng)坡面網(wǎng)格梁生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，以期為后續(xù)工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 工程概況及計(jì)算模型

1.1 工程概況

在建某蓄能電站1#渣場(chǎng)平面布置如圖1所示。該渣場(chǎng)棄渣容量13.54萬(wàn)m3，渣場(chǎng)頂部標(biāo)高165m，下游坡面坡比1∶2，在標(biāo)高150m和130m位置分別設(shè)置一馬道，馬道寬5m。坡面擬采用大框架現(xiàn)澆混凝土網(wǎng)格梁+植草護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行生態(tài)防護(hù)，網(wǎng)格梁框格尺寸10m×10m，網(wǎng)格梁斷面尺寸0.5m×0.8m(寬×高)。渣場(chǎng)建成后擬在上部平面區(qū)域放置鋼管及鋼筋等施工材料，等效荷載約100kPa。

1.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

根據(jù)渣場(chǎng)布置方案，渣場(chǎng)平面最大寬度約76m，渣場(chǎng)頂部至底部最大高差約43m。因此，為了精確模擬渣場(chǎng)坡面網(wǎng)格梁的受力特點(diǎn)，選取計(jì)算模型平面尺寸為255m×255m，計(jì)算深度取該范圍內(nèi)最低點(diǎn)以下110m。地層按照地質(zhì)勘察成果劃分為層，從上至下依次為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化，巖性為花崗巖。采用有限元軟件建立該范圍內(nèi)渣場(chǎng)的三維計(jì)算模型如圖2所示，該模型中現(xiàn)狀地形、渣場(chǎng)以及網(wǎng)格梁均采用3D實(shí)體四面體。結(jié)合工程實(shí)際，網(wǎng)格梁采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，重度25kN/m3，彈性模量3.0E7kPa，泊松比0.167。地基采用線彈性模型，渣場(chǎng)填筑料采用摩爾庫(kù)倫模型。

圖2 三維有限元計(jì)算模型圖

1.3 邊界條件及計(jì)算時(shí)序

為了計(jì)算準(zhǔn)確，需要結(jié)合建筑物的實(shí)際受力情況，對(duì)模型設(shè)置約束及荷載。約束設(shè)置時(shí)，以豎直方向?yàn)閦軸，在模型的四周xz、yz對(duì)稱面設(shè)置垂直于對(duì)稱面的滾軸約束，在模型底部xy對(duì)稱面設(shè)置z向的固定約束。荷載設(shè)置時(shí)，結(jié)合實(shí)際受力情況，考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載，同時(shí)在渣場(chǎng)頂面均施加100kPa的壓力荷載，邊界條件設(shè)置如圖2所示。

計(jì)算時(shí)序方面考慮到網(wǎng)格梁的兩種不同施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)，擬定了兩個(gè)方案。其中，方案一為先填筑渣場(chǎng)后施工網(wǎng)格梁方案，即按照高程150m以下堆渣→高程165～150m堆渣→高程150m以下網(wǎng)格梁防護(hù)→高程165～150m網(wǎng)格梁防護(hù)→坡頂堆積建材的步驟模擬分析；方案二為渣場(chǎng)邊填筑邊做網(wǎng)格梁防護(hù)方案，即按照高程150m以下堆渣→高程150m以下網(wǎng)格梁防護(hù)→高程165～150m堆渣→高程165～150m網(wǎng)格梁防護(hù)→坡頂堆積建材的步驟模擬分析，兩種方案的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 有限元模擬施工時(shí)序圖

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 位移對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以得到兩種不同的渣場(chǎng)施工時(shí)序下網(wǎng)格梁各階段總體位移云圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)比分析兩種方案的總位移分布情況可知，兩種方案網(wǎng)格梁相應(yīng)階段的位移分布規(guī)律基本一致，總位移最大值主要分布在網(wǎng)格梁中上部靠近坡頂，網(wǎng)格梁與兩岸接觸部位以及底部位移較小，這與底部渣場(chǎng)的位移變形情況基本一致。渣場(chǎng)兩岸及底部位置由于與基巖接觸，對(duì)上部位移有一定的約束作用，而中部位置受渣場(chǎng)沉降及滑移影響，總體位移較大。其中，方案一在渣場(chǎng)施工完成時(shí)位移最大值為15.50cm，位移值大于10cm的范圍占比約27.3%，在渣場(chǎng)頂部承載后位移最大值為19.27cm，位移值大于10cm的范圍占比約34.1%；方案二在渣場(chǎng)施工完成時(shí)位移最大值為15.42cm，位移值大于10cm的范圍占比約27.2%，在渣場(chǎng)頂部承載后位移最大值為19.19cm，位移值大于10cm的范圍占比約45.9%。由此可知，兩種網(wǎng)格梁施工方案中總位移情況分布基本一致且最值接近相等，但是邊填筑邊施工網(wǎng)格梁的方案二中位移大于10cm的范圍明顯偏大，網(wǎng)格梁損壞的可能性更大。

圖4 各階段坡面網(wǎng)格梁總位移云圖(>0.10m)

2.2 應(yīng)力對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以得到兩種不同的渣場(chǎng)施工時(shí)序下網(wǎng)格梁各階段大主應(yīng)力云圖如圖5所示。通過(guò)對(duì)比分析兩種方案的大主應(yīng)力分布情況可知，兩種方案網(wǎng)格梁相應(yīng)階段的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，大主應(yīng)力最大值主要分布在網(wǎng)格梁中兩側(cè)與山體接觸位置以及頂層網(wǎng)格梁與馬道接觸部位，網(wǎng)格梁中間區(qū)域應(yīng)力值較小。其中，方案一在渣場(chǎng)施工完成時(shí)大主應(yīng)力最大值為457kPa，應(yīng)力值大于100kPa的范圍占比約27.9%，在渣場(chǎng)頂部承載后應(yīng)力最大值為3215kPa，應(yīng)力值大于100kPa的范圍占比約76.4%；方案二在渣場(chǎng)施工完成時(shí)大主應(yīng)力最大值為1270kPa，應(yīng)力值大于100kPa的范圍占比約56.1%，在渣場(chǎng)頂部承載后應(yīng)力最大值為3210kPa，應(yīng)力值大于100kPa的范圍占比約91.2%。由此可知，兩種網(wǎng)格梁施工方案中大主應(yīng)力情況分布基本一致，但方案二由于150m馬道以上堆載導(dǎo)致先期施工的網(wǎng)格梁應(yīng)力明顯增大，并且兩種方案比較，方案二邊堆渣邊施工網(wǎng)格梁方案應(yīng)力值大于100kPa的區(qū)域范圍明顯偏大，其相應(yīng)的網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該更容易開(kāi)裂。

圖5 各階段坡面網(wǎng)格梁大主應(yīng)力云圖(>100kPa)

3 結(jié)論

渣場(chǎng)作為蓄能電站工程中不可或缺的建筑物之一，其坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)受力及位移情況對(duì)渣場(chǎng)的安全及穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。本文借助有限元軟件結(jié)合工程實(shí)例對(duì)兩種常見(jiàn)的施工時(shí)序進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：

(1)兩種施工方案總位移以及大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，總體位移均在10cm級(jí)別，位移較大的部位主要發(fā)生在網(wǎng)格中部位置，但網(wǎng)格梁和堆渣同步施工的方案中位移10cm以上的范圍明顯較大。

(2)大主應(yīng)力最大值主要分布在網(wǎng)格梁與岸坡接觸部位以及第一級(jí)馬道底部位置，但網(wǎng)格梁和堆渣同步施工的方案中大主應(yīng)力大于100kPa的范圍明顯較大。

(3)總體比較而言，兩種方案帶來(lái)的網(wǎng)格梁破壞的風(fēng)險(xiǎn)基本相當(dāng)，這一計(jì)算成果可為后續(xù)工程建設(shè)提供參考。