灰坝稳定性分析与加高扩容设计方法研究

一、引言

在电力工业持续发展的进程中，燃煤电厂等工业设施产生的灰渣量与日俱增，灰坝作为储存灰渣的关键构筑物，其重要性不言而喻。早期建设的灰坝受当时技术条件与设计标准的限制，库容相对有限，难以满足当下日益增长的灰渣存储需求，加高扩容成为必然选择。

然而，灰坝加高扩容并非简单的工程叠加，而是一项极具挑战性的系统工程。加高扩容会显著改变灰坝原有的力学平衡状态，引发一系列复杂问题。渗流特性可能发生变化，导致浸润线改变，影响坝体稳定性；静力与动力稳定性也会因荷载增加、结构改变而降低，增加滑坡、地震液化等风险。

因此，对灰坝进行全面深入的稳定性分析，准确评估其在不同工况下的安全性能，并探索科学合理的加高扩容设计方法，成为保障灰坝安全运行、实现资源高效利用的关键所在。这不仅关系到工业设施的正常运转，更对周边环境安全与生态保护有着深远影响。

二、灰坝稳定性分析方法

2.1 渗流分析

渗流是影响灰坝稳定性的关键因素之一。灰渣材料具有独特的孔隙结构，其渗透系数随颗粒级配、压实度等因素变化显著。在渗流分析中，需首先通过现场试验与室内试验相结合的方式，准确测定灰渣的渗透特性参数，包括饱和渗透系数、非饱和渗透函数等。基于达西定律与连续性方程，建立二维或三维渗流场数值模型，考虑降雨入渗、库水位升降等边界条件，模拟灰坝在不同工况下的渗流场分布特征。重点关注浸润线位置、渗流出口比降等关键指标，评估渗流对坝体稳定性的影响。当浸润线过高时，会降低坝体的有效应力，增加滑动力矩；而渗流出口比降过大则可能引发管涌、流土等渗透破坏形式。通过渗流分析，可识别潜在的渗透安全隐患，为采取排水减压、反滤保护等工程措施提供依据。

2.2 静力稳定分析

静力稳定分析旨在评估灰坝在自重、库水压力等静力荷载作用下的抗滑稳定性。常用的分析方法包括瑞典圆弧法、毕肖普法等极限平衡法，以及基于有限元法的强度折减法。极限平衡法通过假定滑动面形状，将坝体划分为若干土条，根据力的平衡条件计算安全系数，具有计算简便、结果直观的优点，但需预先假定滑动面位置，可能存在一定的主观性。强度折减法通过逐步折减土体的抗剪强度参数，直至计算不收敛，此时对应的折减系数即为安全系数，能够自动搜索最危险滑动面，更符合实际工程情况。在静力稳定分析中，需考虑不同水位工况、地震作用前的初始静力状态等多种情况，综合评估灰坝的静力稳定性。对于加高扩容后的灰坝，还需特别关注新老坝体结合部位的力学性能，确保其满足抗剪、抗拉等强度要求。

2.3 动力稳定分析

在地震等动力荷载作用下，灰坝的稳定性分析需采用动力稳定分析方法。动力稳定分析主要基于动力有限元法，考虑地震波的输入、坝体材料的动力特性以及坝—基相互作用等因素。首先，通过室内动三轴试验等手段，测定灰渣材料的动剪切模量、阻尼比等动力参数，建立动力本构模型。然后，将地震加速度时程作为动力输入，模拟地震过程中坝体的动力响应，包括加速度、动应力、动位移等时程曲线。基于动力响应结果，采用拟静力法或动力分析法计算地震作用下的安全系数。拟静力法将地震作用简化为等效静力，计算简便但精度有限；动力分析法直接考虑地震的动力效应，结果更为准确但计算复杂。动力稳定分析可评估灰坝在地震作用下的抗滑稳定性、抗震液化可能性等，为采取抗震加固措施提供科学依据。

三、灰坝加高扩容的设计方法

3.1 加高方案

加高方案的设计需综合考虑灰坝的原有结构形式、地质条件、周边环境限制以及加高后的运行要求等因素。常见的加高方式包括上游加高、下游加高和双向加高。上游加高可减少库容损失，但需对上游坝坡进行防护处理，防止波浪冲刷；下游加高施工相对简便，但会增加坝体体积，对地基承载力要求较高；双向加高则结合了前两者的优点，但施工难度较大。在确定加高高度时，需进行详细的库容计算与经济分析，确保加高后的灰坝满足存储需求且经济合理。同时，加高方案还需考虑新老坝体的衔接问题，采用台阶式、斜坡式等衔接方式，确保新老坝体之间具有良好的力学连接与变形协调性。

3.2 坝基处理

加高扩容工程会显著增加坝体的荷载，对坝基的承载力与稳定性提出更高要求。坝基处理的主要目的是提高坝基的承载能力、减少沉降变形、防止渗透破坏。常见的坝基处理方法包括换填法、强夯法、振冲碎石桩法等。换填法适用于浅层软弱坝基，通过挖除软弱土层并换填砂石等透水性好的材料，提高坝基的强度与稳定性；强夯法通过重锤自由落体产生的冲击能，夯实坝基土体，增加其密实度与承载力；振冲碎石桩法利用振冲器成孔并填入碎石，形成复合地基，提高坝基的抗剪强度与抗液化能力。在坝基处理过程中，需进行现场试验与监测，根据处理效果及时调整处理参数，确保坝基处理质量满足设计要求。

3.3 溢洪道改造

溢洪道是灰坝的重要泄洪建筑物，其泄流能力直接影响灰坝的安全运行。在加高扩容工程中，需根据加高后的洪水位与泄洪要求，对溢洪道进行改造设计。改造内容包括拓宽溢洪道断面、调整堰型、优化消能设施等。拓宽溢洪道断面可增加泄流能力，降低洪水位；调整堰型可改善水流条件，提高泄流效率；优化消能设施可减少下游水流的冲刷破坏，保护坝脚安全。在溢洪道改造设计中，需进行水工模型试验验证，确保改造后的溢洪道满足泄洪要求且水流平稳、消能充分。

3.4 灌区改造

灰坝加高扩容后，原有的灌区系统可能无法满足新的灌溉需求，需进行相应的改造设计。灌区改造的主要内容包括灌溉渠道的扩建与疏浚、灌溉泵站的更新改造、灌溉制度的优化调整等。扩建与疏浚灌溉渠道可提高输水能力，确保灌溉用水及时、足量供应；更新改造灌溉泵站可提高提水能力与运行效率，降低能耗；优化调整灌溉制度可根据作物需水规律与水资源状况，合理分配灌溉水量，提高水资源利用效率。在灌区改造设计中，需充分考虑与灰坝加高扩容工程的协调性，确保改造后的灌区系统安全、可靠、经济运行。

四、结语

灰坝稳定性分析与加高扩容设计是一个系统工程，涉及渗流、静力、动力等多个方面的稳定性分析，以及加高方案、坝基处理、溢洪道改造、灌区改造等多个关键设计环节。在实际工程中，需根据灰坝的具体情况，综合运用多种分析方法与设计手段，确保灰坝在加高扩容后的稳定性与安全性。同时，随着科技的不断进步，新的分析理论与设计技术不断涌现，如基于大数据的灰坝健康监测与评估技术、智能化的加高扩容设计方法等，为灰坝工程的安全运行与可持续发展提供了有力支持。未来，应进一步加强灰坝稳定性分析与加高扩容设计方法的研究与应用，不断提高灰坝工程的设计水平与运行管理效率。

参考文献：

[1] 基于铁回收的拜耳法赤泥物性研究. 侯兴武. 河南理工大学,2015

[2]  疏水团聚—磁种法从赤泥中回收铁及机理研究 . 周艳飞 . 中南大学 ,2009

[3] 高硫高有机物铝土矿预处理及赤泥中铁回收技术研究. 刘艳艳. 北京化工大学 ,2014

作者简介：卢继旺，男，汉族，1983 年 6 月，山东济宁人，硕士研究生，目前职称：高工，研究方向：火力发电厂水工结构设计工作