爆破對上游式尾礦庫初期壩影響的模擬研究

余德運 呂淑然 秦 花

(1．武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北武漢430073;2．首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京100070;3．爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081)

上游式尾礦筑壩是在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式［1］，這是我國目前普遍采用的方法。據統計，我國有色金屬礦山的尾礦庫有85%是采用該方法筑壩［2-3］。作為尾礦堆積壩的排滲或支撐體的初期壩，其幾何尺寸一般根據設計規范來定。按照設計規范，要求其最小高度能保證有效庫容滿足堆存半年以上選廠排放的尾礦量。在初期壩的設計中，只要滿足設計規范中的最小高度就可以。初期壩的筑壩材料是可選擇的，目前大多采用塊石材料，形成塊石透水壩，也有企業直接選用黏土材料修筑初級壩。黏土材料含水量較高，在礦山開采爆破震動條件下，能夠導致初期壩黏土筑體液化，抗剪強度降低［4-5］，穩定性下降而造成潰壩災害;另外，爆破振動慣性力作用會使初級壩坡面整體下滑力增大，結果導致邊坡動力失穩［6-8］。因此，研究黏土初級壩對采場爆破震動的響應問題，具有重要的工程意義。而數值模擬方法可以系統地研究爆破作用下結構的動應力場分布規律及動靜應力場的疊加作用原理，已成為近年來研究爆破振動作用的有效方法。本研究采用ANSYS/LSDYNA軟件對爆破振動對承德市某礦業公司尾礦庫初級壩的影響進行模擬分析。

1 尾礦壩概況

承德市某礦業公司尾礦庫堆積壩高度為70.0 m，壩頂標高為780.0 m，其中，上層松散—稍密狀尾礦砂厚約11.5 m。尾礦庫全庫容為1 300萬m，堆積壩壩頂長約750.0 m，呈不規則折線形。初期壩壩頂標高710.0 m，壩基軸線處壩底標高692.0 m，壩高18.0 m，壩頂寬約6.0 m，壩頂全長約166.0 m，外壩坡坡比1∶2.5，內壩坡坡比1∶2.0，修筑材料為黏土。初期壩上下游坡腳處設置排滲棱體，壩基底部通過排滲盲溝將其連通，材料為角礫石;尾礦庫底基巖為強風化花崗巖片麻巖，尾礦庫典型剖面如圖1所示。

圖1 尾礦庫典型剖面Fig.1 The typical profile of tailings

尾礦砂、初級壩、排水層、基巖層各材料力學參數見表1。

表1 尾礦壩初級壩材料及尾礦砂力學參數Tab.1 The material type and mechanical parameters

礦山經多年開采現已進入封閉圈以下開采，開采規模為1 500萬t/a。礦山采礦方式為露天臺階式開采，中深孔爆破，爆破規模在10～20 t(裝藥量)，爆破方式為逐孔爆破技術，采場南幫距尾礦庫初級壩最近距離為130 m。

2 數值模擬

2.1 計算模型

為了減少計算負荷，但保持計算的準確性，模型長度為尾礦壩外坡面投影長的3倍長度，即尾礦庫延伸方向(X方向)長320.0 m，庫壩走向方向(Z方向)長30.0 m，初期壩底部基巖深度取15.0 m，如圖2所示。全部采用三維實體8節點六面體單元solid164，共劃分850 100個單元。其中，底部基巖體共劃403 000個單元，角礫石排在水層共劃分16 725個單元，下部中密—密實尾礦砂共劃分299 650個單元，上部松散—中密尾礦砂共劃分117 125個單元，初級黏土壩共劃分成13 600個單元。

邊界條件:基巖底部，即XOY平面施加固定約束;XOZ面平設為對稱面，施加Y向位移約束，平行于XOZ面的側面施加無反射邊界條件;YOZ及平行于YOZ平面的端面也施加無反射邊界條件。

圖2 尾礦庫計算模型及單元劃分Fig.2 FEM model of tailings

2.2 材料類型選擇

ANSYS/LS－DYNA中可選材料模型200多種。根據眾多學者的研究經驗，尾礦庫底部強風化花崗巖片麻巖可選用各向同性彈塑性巖石材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC［9］;尾礦砂層可選用粒狀材料模型MAT_DRUCKER_PRAGER，該模型的特點比較適合于砂土類粒狀材料［10-11］;黏土初期壩可選用土體材料模型MAT_FHWA_SOIL，其可以模擬諸多材料特性，如爆炸沖擊加載下的應變率效應、應變硬(軟)化、考慮孔隙效應的彈性本構、修正Mohr－Coulomb屈服面以及孔隙水壓力效應等，是較為合適的計算土體爆炸響應的模型，其在土體爆炸分析方面的優越性已在文獻［12-13］中得到了充分驗證。

2.3 采場爆破震動載荷施加

根據大量爆破地震速度觀測數據來看，爆破地震動的垂直向速度常常不是最大，而徑向速度往往比較大。在爆心距較小時，徑向與垂直向加速度同一量級，在遠離爆心時，地震震動以徑向加速度為主。且由于建(構)筑物在豎向遠比水平向具有較強的抗震能力，所以把水平向最大速度值或最大加速度值作為地震烈度的物理標準比較適宜。由于現場爆坡震動測試數據為質點加速度，因此爆破震動載荷輸入選用加速度載荷。由于初級壩距離爆源中心較遠(130.0 m以外)，可將地震波傳播波震面理想成平面。圖3為初期壩坡腳20.0 m處實測到的徑向加速度時程曲線，將其作為輸入載荷。

圖3 輸入(實測)加速度時程曲線Fig.3 The inputted(measured)acceleration time-history curve

從圖3中可以看出，在0.50 s以前，加速度呈振動狀態，其峰值為0.66 m/s2，0.50 s以后加速度振幅降至很小，接近零，即加速度有效加載時間為0.50 s。

2.4 模擬結果分析

真正對初期壩安全性起控制作用的是變形問題而非強度問題，以變形控制作為設計控制標準的概念逐漸被廣泛接受。因此，本研究主要就采場爆破震動對初期黏土壩的水平向和豎直向的位移進行研究。圖4為初期壩上按等高差(高差為2.0 m)均勻選取的節點。

圖4 初期黏土壩外坡面節點位置布置Fig.4 Sketch of node positions on the surface of the primal clay dam

2.5 水平位移響應分析

圖5 為初期黏土壩在采場爆破震動條件下的水平向位移分布云圖，圖6為初期黏土壩外坡面節點的水平向位移－時間曲線。

圖5 初期黏土壩水平方向位移分布Fig.5 The distribution of horizontal displacements nephogram

圖6 初期黏土壩外坡面節點水平向位移－時間曲線Fig.6 The horizontal displacements-time curve

從圖5中可以看出，在0.50 s以前(爆破震動加速度時程有效加載階段)，初期黏土壩水平位移分布是不斷變化的，水平位移最大區域由外坡(右側)坡腳向坡頂運動，在0.50 s之后水平位移分布趨于穩定，內坡(左側)坡頂附近位移最大，坡腳附近位移最小，不論是內坡還是外坡，從坡腳到坡頂，隨著高度的增高，水平位移逐漸增大。

從圖6中可以看出，在0.50 s以前(爆破震動加速度時程有效加載階段)，對于坡面下部節點A、B、C、D，隨著高度的增高，位移逐漸增大;對于坡面上部節點E、F、G、H，則隨著高度的增高，位移逐淅減小。而0.50 s以后(爆破震動作用后)，從坡腳至坡頂，隨著高度的增高，水平位移逐漸增大，坡頂節點(H點)水平位移最大，并且隨著高度的增大，水平位移增長速度越快。另外，從圖6中還可以看出，坡面上節點的位移都為負值，這說明初期黏土壩外坡面上的點在爆破震動作用下會向坡面外側(X負方向)移動。

2.6 豎向位移響應分析

圖7為初期黏土壩在采場爆破震動條件下的豎向位移分布云圖，圖8為初期黏土壩外坡面節點的豎向位移－時間曲線。

圖7 初期黏土壩豎直方向位移分布Fig.7 The distribution of vertical displacements nephogram

圖8 初期黏土壩外坡面節點豎向位移－時間曲線Fig.8 The vertical displacements-time curve

從圖7中可以看出，在0.5 s以前(爆破震動加速度時程有效加載階段)與0.50 s以后(加載后階段)，黏土初級壩豎直向位移分布變化不大，總體上從坡腳到坡頂，隨著高度的增加，豎向位移逐漸增大，豎向位移最大區域是內坡坡頂附近。

從圖8中可以看出，在約0.23 s以前，從坡腳至坡頂，嚴格遵循隨著高度的增高，豎直向位移逐漸增大，坡頂節點(H點)豎向位移最大，并且隨著高度的增大，豎向位移增長速度越快;在0.50 s以后，D點比C點高，但D點的豎向位移卻比C點小，這可能是坡內側尾礦庫壓力作用的結果。除C、D點外，其余各點都遵循高度越高豎向位移越大，且高度越高位移增大速度越快的規律。從圖8中還可以看出，坡面下部的節點(包括A、B、C)豎向位移基本上相同，而坡面上部節點(包括 D、E、F、G、H)豎向位移呈現出波動趨勢，且越靠近坡頂，波動越明顯。

2.7 不同振幅條件下坡面最大位移對比分析

為了分析初期黏土壩對爆破震動強度的變形響應，將現場實測加速度時程曲線幅值分別擴大到2倍、4倍、8倍、16倍，然后分別加載到上述模型中，比較不同振動幅值條件下的最大位移。圖9和圖10分別是不同放大倍數下的坡面節點的水平(X向)和豎直(Z向)最大位移。

圖9 不同振幅時坡面各點的水平最大位移Fig.9 The maximum vertical displacement of slope node under different amplitude■—1倍;◆—2倍;●—4倍;○—8倍;▲—16倍

圖10 不同振幅時坡面各點的豎直最大位移Fig.10 The maximum vertical displacement of slope node under different amplitude■—1倍;◆—2倍;●—4倍;○—8倍;▲—16倍

從圖9中可以看出，對于坡面上的節點，不管輸入加速度振幅如何變化，其水平最大位移的變化規律基本相同。對于朝坡面外側(X負向)的最大位移，坡腳附近位移最大，4倍振幅＜8倍振幅＜16倍振幅;對于朝坡面內側(X正向)的最大位移，坡頂附近位移最大，1倍振幅＞2倍振幅＞4倍振幅＞8倍振幅＞16倍振幅。這表明:朝坡面內側(X負向)的最大位移隨加速度幅值的增大而增大，朝坡面外側(X正向)的最大位移隨加速度幅值的增大而減小。

另外，當振幅擴大到2倍時，坡面節點的水平位移都是朝坡外側(X負向)的;而當振幅擴大到4倍時，坡腳附近節點A點開始朝坡內側(X負向)移動;當振幅擴大到8倍、16倍時，坡腳附近節點A點、B點的水平最大位移都是朝坡內側(X負向)的。這表明，輸入加速度振幅增大后，坡腳附近的點有向坡面內側(X正向)運動的趨勢，且隨著振幅的增大，向坡面內側(X正向)的位移和移動區域也增大。

從圖10中可以看出，相對于水平向位移，隨著輸入加速度幅值的增大，坡面節點豎向位移變化不明顯，當輸入加速度振幅擴大到16倍后，坡腳附近A點可能會向上鼓起。但是，不管輸入加速度幅值如何變化，總體上是隨著高度的增高，豎向位移逐漸增大，加速度幅值對豎向位移影響不大。

3 結論

(1)輸入實測加速度載荷，對承德市某礦業公司尾礦庫初期壩的模擬研究表明:初級壩頂附近位移最大，坡腳附近位移最小，不論是內坡還是外坡，不論是水平位移還是豎向位移，都遵循隨著高度的增高，位移逐漸增大的規律。

(2)通過放大加速度幅值，對初級壩對震動強度的響應模擬研究表明:對于水平向位移，隨著輸入加速度振幅的增大，坡腳附近的點有向坡面內側運動的趨勢，朝坡面內側的最大位移隨加速度幅值的增大而增大，而朝坡面外側的最大位移隨加速度幅值的增大而減小;對于豎向位移，不管輸入加速度幅值如何變化，總體上是隨著高度的增高，豎向位移逐漸增大，加速度幅值對豎向位移影響不大。

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