壩坡穩定性數值模擬分析與研究

孫健美，趙懷軒

(1. 駐馬店市水利工程局，河南 駐馬店463000; 2. 河南省育興建設工程管理有限公司，鄭州450000)

隨著社會經濟的快速發展，工程建設與地質工作的關系越來越密切，如各種大型水庫的興建，越來越陡立的邊坡工程，尤其是隨著礦產資源開發業的迅猛發展，人們在獲得有價值的礦產品的同時也產生了大量的廢渣，因而出現越來越多的礦壩。這些壩體運營的好壞，不僅影響到一個企業的經濟效益，而且嚴重威脅企業和人民的生命財產安全，對周圍環境等造成嚴重污染，后果往往觸目驚心。壩坡防護工程是集巖土工程、環境工程、地質工程和結構工程于一體的綜合性難題，它既涉及典型的強度與穩定問題，又包含變形和地下水滲流問題，同時還涉及到抗震、固結、爆破、環保等問題。隨著計算機技術的發展，數值模擬技術越來越成熟，在壩坡信息分析的基礎上，對其建立數值模型進行模擬研究分析，加以現場監測的各項指標，通過統計和對比分析，從而對壩坡防護工程進行整體穩定性評價，具有重要的現實意義和實用價值。

1 工程概況

某尾礦壩設計總壩高90 m，總庫容3 600 萬m3，屬中型庫。根據壩高及庫容綜合判定為三級水工建筑物。主要由初期壩、尾礦堆積壩及排水系統組成。初期壩為濾水堆石壩( 透水壩) ，高度29 m，堆積壩高度66 m，壩長980 m，最終堆積標高352 m，正在考慮堆積到標高370 m 的可能性。尾礦庫匯水面積2．01 km2，壩內設7個周邊多孔溢水塔，滿足堆筑標高352 m 以下的排水、排洪要求。當前總壩高為78 m，為分析和研究繼續加高至標高345 m 及370 m 的可能性，先后有多家公司對壩體進行了3 次勘察，并針對壩體的穩定性開展了科技攻關和技術研究。

2 巖土工程條件

本尾礦壩采用上游法筑壩，母壩為透水壩，主要由碎石、塊石組成，母巖成分為閃長巖、蝕變閃長巖、蝕變閃長玢巖、矽卡巖及少量紅板巖。紅板巖風化程度較強烈，多已風化崩解，手捏即碎，其風化物充填于碎石之間，閃長巖多為中風化，少量強風化，＞2 cm 的顆粒含量約50% ～70%，顆粒直徑一般3 ～30 cm，最大可達80 cm 以上，以棱角～次棱角狀為主，呈松散～稍密狀，鉆孔孔壁易坍塌掉塊，顆粒級配不良，分選性較差，顆粒排列基本無規律，充填少量黏性土和粉細砂。各期子壩主要由來自采礦廠的碎石和尾礦砂、尾礦土組成。

1) 尾粉細砂紅褐～黃褐色，稍密，飽和。顆粒分選性較差，呈次棱角～亞圓狀，主要礦物成分為長石、石英、角閃石和云母等，局部具微層理，可見黏性土夾層，偶見碎石，具中等壓縮性。主要分布于碎石層底部，厚度不均，層底標高不穩定。

2) 尾粉土褐～黃褐色，中密，很濕。土質不甚均勻，具微層理，局部夾薄層黏性土或粉細砂。搖振反應中等，無光澤反應，干強度低，韌性低，具中等壓縮性。主要分布于尾粉細砂層底部，厚度不均，層底標高不穩定。

3) 尾粉質黏土褐～紅褐色，可塑，局部軟塑。土質不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粉土或粉細砂。無搖振反應，土芯切面稍光滑，干強度中等，韌性中等，具高壓縮性。主要分布于尾粉土層底部，厚度不均，層底標高不穩定。

4)尾黏土褐～紅褐色，可塑，局部軟塑。土質不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粉土或粉細砂。無搖振反應，土芯切面光滑，干強度高，韌性高，具中等偏高壓縮性。主要分布于尾粉質黏土層底部，混合花崗巖上部，厚度不均，層底標高不穩定。

壩體地下水主要為潛水和上層滯水，根據壩體地下水長期觀測系統觀測資料，壩體地下水位標高由母壩的283．70 m到子壩的323． 80 m，壩體相對高度約78 m，水位高差40．10 m，但是水力梯度并不大，同時壩體水位隨著壩體的加高有逐年上升的趨勢。壩體內的水體補給主要是放礦補給和大氣降水補給，壩體地下水的排泄主要有地面蒸發和滲流。

3 數值模擬

3．1 原 理

本次計算采用FLAC 有限元程序的流固耦合模塊進行，在每個堆積階段，先根據堆積時間計算滲流場，得到壩體內的孔隙水壓力分布情況，然后根據孔隙水情況調整壩體物質密度和總應力。最后根據Flac 3D solve fos 開始進行穩定系數計算，穩定系數用折減強度的方法，通過不斷降低摩擦角和黏聚力，直到產生邊坡破壞。摩擦角和黏聚力按照一個常量因子同時減小，FLAC 有限元程序按照相同的途徑得到每一組強度參數，并進行計算，直到找到穩定系數為止。參數折減的具體辦法如下:

3．2 模型及參數選取

本次計算是在考慮了滲流基礎之上的穩定計算。因為尾礦壩是后期堆積而成的，周圍山體的初始應力對其穩定性影響不大，因此計算模型的左右邊界以尾礦壩上下限為界，底部向下取到260 m 高程。左右邊界在x 方向固定，下部邊界在x，y 方向同時固定。根據勘察的原位測試、室內土工試驗成果，參照以往勘察資料及同類尾礦壩勘察經驗，結合尾礦的沉積特點等，綜合確定的尾礦壩內各層土的穩定性計算參數。

3．3 結 果

根據計算模型及所給的巖土物理力學參數，得到各工況下尾礦壩的安全系數及各工況下壩體最危險滑動面的情況。

3．4 分 析

從壩高334 m 時計算結果看，壩體最有可能滑動的滑面從子壩入口向下，穿尾粉細砂層、尾粉土( 尾粉質黏土) 后，沿尾黏土層向下游擴展，整體滑動面較深。從計算結果看，壩體的穩定性在正常運行和最高洪水位運行時的穩定系數分別為1．26 和1．24，大于規范要求的標準。從計算結果來看，洪水位( 安全超高0．7 m) 和正常水位( 安全超高1.0 m) 運行穩定情況差別較小，其原因從滲流計算可知，由于本尾礦壩子壩堆積及放礦的特點，庫內水位的升高僅對浸潤線的頂部有較大影響，對中下部影響較小，從而使得尾礦壩在正常運行和洪水位運行的整體穩定性差別不大。

4 對比分析

4．1 儀器設置

為了對壩體進行實時檢測，在勘察鉆孔中埋設和安裝了試驗檢測儀器，并對測試孔設立標志進行保護。主要包括:浸潤線觀測裝置、孔隙水壓力計、土壓力計和測斜管。

4．2 數據采集

經儀器廠家調試后開始檢測，根據儀器說明書首先測試初始值，以后每隔30 ～60 d 測試1 次。

4．3 數據處理

對現場長期檢測的土壓力、孔隙水壓力以及位移觀測數據進行分析統計，根據數值模擬計算出來的壩體的應力及位移情況，對兩種不同方法得出的數據進行分析和比較，驗證數值模擬計算結果的正確性。

4．4 結果分析

2#鉆孔位置壩體沒有發生整體剪切滑移的跡象，受壩體加高和尾礦淤積影響，頂部有整體向外移動的趨勢;10#鉆孔位置測斜管的變形呈現上下小中間大的模式，反映了壩體具有一定程度整體旋轉滑移的趨勢，滑動面位置處于33 m 深度處，為尾黏土成分所處位置，與前面計算得到的滑動面位置大致相當，驗證了計算推測的結果。這進一步說明該尾礦壩的穩定性并不是很高，需要在后期不斷加強監測來確保安全。

5 結 語

根據尾礦壩的設計及實際運行歷史及現狀，定性認為該尾礦壩在當前壩高(334 m) 正常運行是安全的; 數值模擬計算得到現高尾礦壩在正常運行和洪水運行速度狀態下壩體斜坡的穩定系數分別為1．26 和1．24，滿足《尾礦庫安全技術規程》( AQ 2006—2005) 不小于1．20、1．10 的要求;數值模擬計算得到的最危險滑面從子壩入口向下，穿尾粉細砂層、尾粉土( 尾粉質黏土) 后，沿尾黏土層向下游擴展，最后在1 期子壩附近穿出，整體滑動面較深;當前壩高的情況下尾礦壩運行是安全的。但由于尾黏土層抗剪強度較低，在壩底分布連續且局部較厚，控制了滑動面的深度，在特殊運行狀態下的穩定系數接近于臨界狀態，尾礦壩整體穩定性不是太高，需加強監測。

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