尾礦壩穩定性數值模擬分析研究

■李亮亮 劉法雪 劉全峰

（山東正元建設工程有限責任公司 山東濟南 250001）

尾礦壩穩定性數值模擬分析研究

■李亮亮 劉法雪 劉全峰

（山東正元建設工程有限責任公司 山東濟南 250001）

尾礦壩壩體穩定性受沉積尾礦的物理力學性質、浸潤線位置、壩體堆積方法等諸多因素的影響，本文以山東某尾礦壩為例，采用數值模擬法分別對壩體在正常運行工況及洪水運行工況下的穩定性進行了模擬計算，并對其穩定性進行了分析評價，通過與監測數據的對比，進一步驗證了模擬結果的準確性。

尾礦壩數值模擬穩定性分析

1 前言

某尾礦壩位于山東省萊蕪市，采用上游法筑壩，設計總壩高94m，總庫容3590萬m3，屬大中型庫。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29m，堆積壩高度65m，壩長1000m，最終堆積標高350m。尾礦壩匯水面積1.93km2，壩內設7個周邊多孔溢水塔，滿足堆筑標高350m以下的排水、排洪要求。目前總壩高為78m，已經堆至第十六期子壩（標高334m）。

2 巖土工程條件

2.1 壩體材料組成

壩體碎石來源于采礦廠的廢石，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，大于2cm的顆粒含量約50～70%，顆粒直徑一般3～30cm，最大可達80cm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，充填少量粘性土和粉細砂。

沉積尾礦主要分為尾粉細砂、尾粉土、尾粉質粘土、尾粘土：

（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，可見粘性土夾層，偶見碎石。

（2）尾粉土：褐～黃褐色，中密，很濕。土質不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粘性土或粉細砂。搖振反應中等，無光澤反應，干強度低，韌性低。

（3）尾粉質粘土：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。

（4）尾粘土：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。

2.2 主要物理力學性質

2.2.1 壩體碎石

表1 壩體碎石現場天然坡腳測量結果統計表

2.2.2 沉積尾礦

表2 壩體沉積尾礦主要物理力學性質指標統計表

3 穩定性評價

3.1 計算原理和數值模型

計算采用美國Itasca咨詢集團公司開發的快速拉格朗日分析軟件（FLAC）來進行尾礦壩穩定性數值模擬分析。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260m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。

圖1 計算模型及網格剖分圖

采用FLAC軟件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SOLVE fos開始進行穩定系數計算，穩定系數fs用折減強度的方法，通過不斷降低摩擦角和粘聚力，直到產生邊坡破壞。摩擦角和粘聚力按照一個常量因子同時減小，FLAC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：

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260m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。

3.2 計算結果與分析

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為正常運行工況下1.26，洪水運行工況下1.24，各工況下壩體最危險滑動面的情況分別見圖2、圖3。具體情況分析如下：

圖3 洪水運行工況破壞模式圖（穩定系數1.24）

圖2 正常運行工況破壞模式圖（穩定系數1.26）

4 模擬結果驗證

對現場長期監測的土壓力、孔隙水壓力以及位移觀測數據進行分析統計，繪制2#、10#測斜管變形曲線如下：

從上圖可見，2#測斜管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#測斜管位置壩體處于11期子壩高度，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33m深度處，為尾粘土成分所處位置，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。

5 結論

尾礦壩壩體穩定性受壩體沉積尾礦的物理力學性質、壩體浸潤線的位置、壩體堆積方法、壩體坡度、壩體堆積速度、沉積尾礦的固結特征等因素的影響，由于尾粘土層抗剪強度較低，在壩底分布連續且局部較厚，控制了滑動面的深度，壩體最有可能滑動的滑面從第十六期子壩入口向下，穿尾粉細砂層、尾粉土（尾粉質粘土）后，沿尾粘土層向下游擴展，最后在一期子壩附近穿出，整體滑動面較深。

正常運行工況和洪水運行工況下壩體斜坡的穩定系數分別為1.26和1.24，是滿足規范規定的穩定性要求的，是安全運行的。但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。

圖5 10#測斜管變形情況

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P2[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-202-2

李亮亮（1982～），男，畢業于山東農業大學水利土木工程學院，工程碩士，工程師，國家注冊土木工程師（巖土）。