基于PHASE2軟件的尾礦庫穩定分析研究

張小紅 侯文靜

（1.扶風縣水產工作站 陜西 扶風 722200；2.扶風縣河道管理站 陜西 扶風 722200）

1 引言

尾礦是指非金屬礦山以及金屬礦山開采出的礦石，經過破碎篩選后，產生的像是泥沙一樣的廢棄礦渣。但是這些廢棄的礦渣并非完全無用，它常含有其他組分的礦物質，可以被再次利用。為了充分利用這些礦渣，就出現了尾礦庫，用以攔截貯存非金屬和金屬礦山選礦廠進行礦石選別后排出的尾礦或廢渣。尾礦庫一般通過攔截山谷谷口或者通過圍地構筑而成，它是一個具有高危險性的建筑物。尾礦庫內堆放廢棄礦渣，具有很高勢能，受到礦渣擠壓以及受降雨等的影響，尾礦庫極易發生泥石流危險，發生滑坡潰壩事故。

近年來全國各地多處發生尾礦庫的失事事故。例如，1962年9月26日火谷都尾礦庫發生垮壩事故，1985年8月牛角垅尾礦庫發生潰壩，1986年4月30日金山尾礦庫發生潰壩等。這些事故警示人們必須加強尾礦庫的穩定研究，確保尾礦庫的安全穩定運行。本文利用PHASE2軟件，對某尾礦庫進行穩定性分析研究，為該尾礦庫的安全管理提供一些理論方面的依據，確保其正常運行，預防發生潰壩事故。

2 PHASE2軟件及穩定分析基本理論

2.1 PHASE2軟件介紹

PHASE2是一款功能強大的巖土工程彈塑性有限元分析軟件，它被廣泛應用于各類工程項目分析中，包括地表或地下開挖的支護設計、邊坡穩定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領域。PHASE2的一個重要的功能是基于有限元法的強度折減邊坡安全系數計算。使用Mohr-Couloum或者Hoek-Brown強度準則，對強度折減的安全系數計算完全自動進行。當進行邊坡安全系數計算時，PHASE2與SLIED的模型可以互相導入，這樣可以對比極限平衡法和有限元計算的安全系數以及滑面的差別，為設計提供更全面的參考。同時，PHASE2也能進行滲流分析，用戶定義水力邊界條件和材料滲透系數，軟件求解孔隙水壓力分布以及流徑和水力梯度，孔隙水壓力結果可以自動耦合到應力分析中。

2.2 穩定分析基本理論

PHASE2軟件中對邊坡安全系數的計算采用強度折減的方法，其基本原理是在進行有限元彈塑性應力變形計算時，首先對于某一假定的強度折減系數Fs（即安全系數），將土的強度參數c、tanφ按照同一比例同時進行折減，進而得到不同的強度參數，分別用這些強度參數進行有限元數值計算來確定邊坡的應力、應變以及位移，并且對應力、應變及位移的分布特征以及有限元計算過程中的數學特征進行分析，根據一定的失穩判據確定邊坡達到極限平衡狀態，此時相對應的強度折減系數就是總體安全系數。安全系數F采用折減強度參數的方法，調整摩擦角與粘聚力如下：

折減的內摩擦角 φr：φr=arctan（tanφ/F）

折減的粘聚力cr：cr=c/F

3 模型建立及結果分析

3.1 工程概況

略陽某礦業有限責任公司某尾礦庫是為滿足東溝壩分公司發展而建，東溝壩分公司位于略陽縣硤口驛鎮邵家營村，距縣城35km，屬漢江、嘉陵江支流分水嶺地段。礦區公路向北7km和向南11km分別在煎茶嶺和硤口驛與319省道勉略段相接，交通便利。礦區位于秦嶺山脈南麓，漢江支流分水嶺地段，漢江支流沮水源頭山區。基巖裸露，溝溪發育，流量小，無大河，屬低中山構造剝蝕地形。區內植被茂盛，除耕地外基本均被植被覆蓋，主要以落葉灌雜林為主，淺山區間雜有少量松、樺、青岡等喬木。大溝位于陳家壩河的上游，溝內長年流水，由北向南匯入陳家壩河，溝長約4.43 km，匯水面積約3.7km2，流量 0.02m3/s～5.2m3/s。

表1 材料物理力學參數表

圖1 尾礦庫有限元模型網格剖分圖

圖2 折減系數為1.64的邊坡剪切應變分布圖

圖3 折減系數為1.74的邊坡剪切應變分布圖

圖4 折減系數為1.77的邊坡剪切應變分布圖

圖5 折減系數為2.02的邊坡剪切應變分布圖

3.2 數值模型建立

采用PHASE2有限元軟件模擬，建立該尾礦壩數值模型。模型根據實際壩體情況做適當簡化，以水平向右方向為X軸正向，鉛直向上為Y軸正向，建立模型X方向長135m，Y方向高40m，砂礫石地基取10m厚，初期壩高10m，壩坡系數為1∶2，礦渣填筑高出初期壩20m，邊坡系數為1∶3，模型頂部寬度取為20m。在模型底部約束垂直位移，在模型兩側約束X、Y方向水平位移。各分區材料參數見表1，模型見圖1。

3.3 計算結果及分析

經過PHASE2計算求得尾礦庫的穩定安全系數為1.74，處于穩定狀態。最危險滑弧經過礦渣區，不穿過初期壩剖面，可見尾礦庫初期壩的穩定性能較好。下面給出不同的折減系數下邊坡的穩定情況。

從圖2至圖5可以看出，隨著折減系數的增加，尾礦庫礦渣區屈服范圍逐漸增大。在折減系數為1.64時，整個壩體未出現屈服；當折減系數達到1.74時壩體開始出現屈服區，屈服區的范圍近似成圓弧狀分布，這也說明了邊坡穩定分析的極限平衡法假定邊坡的滑動面為圓弧狀是合適的。此外，尾礦庫邊坡用極限平衡法進行計算求得的邊坡安全系數為1.78，與強度折減法求得的安全系數的差距小于3%，說明兩種方法具有一致性，將強度折減法運用于尾礦庫的穩定分析中是合適的。

同時觀察邊坡屈服過程可發現，邊坡總是滑出部位以及邊坡的最頂部起滑部位最先出現屈服，與直觀的理解相一致。因為在邊坡滑動過程中，總是滑出部位及起滑部位收拉，且拉應力最大，故會出現滑出部位與起滑部位最先屈服的現象。隨著滑出部位與起滑部位屈服以及強度參數的折減，邊坡的滑動屈服范圍越來越大，直至最終整個邊坡形成貫通的滑動面。

觀察尾礦庫強度折減系數與邊坡總位移的關系曲線可以看出，當折減系數為1.74時恰好為邊坡位移的突變點，當折減系數大于1.74時邊坡位移急劇增大，說明邊坡失穩，開始整體的滑移運動。這也是強度折減法確定邊坡安全系數的準則之一。

4 結語與展望

本文利用有限元數值分析方法，運用PHASE2軟件對某尾礦庫壩體抗滑穩定進行數值計算，基于強度折減的基本原理確定了尾礦庫的壩坡穩定安全系數，計算求得其安全系數為1.74，處于穩定狀態。但是本文中未考慮地下滲流對邊坡穩定的影響，眾所周知，滲流對邊坡穩定具有很大的影響，考慮滲流作用時尾礦庫的穩定安全系數可能會發生較大的變化，故若需驗證尾礦庫的穩定性，還需從滲流角度出發對尾礦庫進行深入的分析。

本文計算的尾礦庫穩定性未考慮降雨的作用，該尾礦庫處于陜南地區，降雨較多，出現大暴雨的情況也較多，故若需對邊坡的穩定性做深入的研究探討必須隨降雨情況下的尾礦庫滲流做深入的分析，將滲流與強度折減耦合，求解尾礦庫的安全系數。

尾礦庫的修建過程不是一次性完成的，它是經過多級堆載形成。在這種情況下，其水理性質和力學性質會發生相應的變化，在數值模擬的過程中必須考慮這些因素對邊坡穩定的影響，但是這些因素在一定程度上又很難弄清楚，即認為很難準確的模擬尾礦庫的滲流、應力狀態。因此在尾礦庫的運行期間，必須要加強現場的監測，統計監測數據，再結合數值分析兩者對照以了解尾礦庫的運行狀態，從而確保尾礦庫的穩定安全運行。陜西水利

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