某尾礦壩穩(wěn)定性分析及加固措施

葛凱華　唐　菲　左鋒雷

(1.平泉小寺溝礦業(yè)有限公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院)

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某尾礦壩穩(wěn)定性分析及加固措施

葛凱華1唐菲2左鋒雷1

(1.平泉小寺溝礦業(yè)有限公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院)

摘要以某尾礦壩為工程背景，應(yīng)用高精度測量儀器TM30,選設(shè)3個GPS控制點和15個觀測點，建立了邊坡地表位移監(jiān)測網(wǎng)，對尾礦壩進行觀測。根據(jù)觀測結(jié)果,對尾礦壩進行抗滑樁加固,利用FLAC3D,對抗滑樁結(jié)構(gòu)單元進行數(shù)值模擬，分析了抗滑樁在壩體中的受力及分布，指出支護中須加強箍筋配置，施工后的觀測數(shù)據(jù)體現(xiàn)了支護方案的可行性。

關(guān)鍵詞尾礦壩FLAC3D穩(wěn)定性分析加固

某尾礦庫庫容量約1.7億m3，匯水總面積約7.8 km2。初期壩為堆石壩，透水性良好，壩體縱向長505 m，壩頂寬4 m，上游坡比為1:1.85，下游坡比為1:2，初期壩頂高程76 m，底部高程55 m，壩體高21 m。子壩采用上游法建造，上游坡比1:4.5，堆高145 m。根據(jù)設(shè)計方案[1-2]，尾礦壩設(shè)計標高260 m，由《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ1-90)的規(guī)定可知，該庫屬于Ⅱ等尾礦庫。為保證尾礦庫的安全運行，需對其進行穩(wěn)定性監(jiān)測。

1尾礦壩監(jiān)測

1.1監(jiān)測點布設(shè)

尾礦壩監(jiān)測分為水平位移監(jiān)測與垂直位移監(jiān)測。尾礦壩壩體邊坡屬土質(zhì)滑坡類型，垂直位移監(jiān)測采用測距三角高程，對豎角觀測精度要求較高，故按二等要求進行角度觀測。監(jiān)測儀器為TM30，測角精度為0.5″，測距精度為0.6 mm+1×10-6D。根據(jù)尾礦壩壩體將監(jiān)測網(wǎng)布置成放射形，根據(jù)尾礦壩邊坡的穩(wěn)定情況,選定了3個基準點15個觀測點。觀測點布置如圖1。

圖1　觀測點布置

1.2監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

尾礦壩壩體監(jiān)測周期為一周，也可根據(jù)壩體變形因素的變化適當(dāng)增大或減小。表1為前3次的監(jiān)測數(shù)據(jù)(由于篇幅有限，在此僅給出5個點的觀測數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)見文獻[3])，各點水平偏移與沉降量見圖2。

監(jiān)測結(jié)束后，對數(shù)據(jù)進行自身精度分析,周期變形量分析及總變形量分析。

由圖2可知,第2次監(jiān)測時，水平位移量最大為26.6 mm最小為18.4 mm；沉降量最大為-45.7 mm最小為-14.3 mm，第3次監(jiān)測時，累計水平位移量最大為51.7 mm最小為37.9 mm，偏移方向均為東南；累計沉降量最大為-90.0 mm最小為-28.4 mm。水平位移量與沉降量都很大，表明壩體不穩(wěn)定，需采取支護措施。

2抗滑樁加固

2.1計算模型建立

為保證所建模型與實際土層相一致，建模前必須詳細了解尾礦壩子壩的材料參數(shù)、幾何條件及計算機的實現(xiàn)[4-5]。由于FLAC3D本身在前期建模過程中缺乏一定的靈活性，所以考慮利用有限元軟件ANSYS10.0來建立三維模型，并對模型進行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，得到其內(nèi)部節(jié)點和單元信息，利用ANSYS-FLAC3D接口程序，將得到的信息轉(zhuǎn)化為FLAC3D能認讀的格式，此種方法可提高建模效率[6]。輸入到FLAC3D中，解決了FLAC3D復(fù)雜三維模型建模困難的問題，極大地提高了工作效率[7]。

在理論計算之前對壩體所處的環(huán)境及自身性質(zhì)等進行適當(dāng)簡化。根據(jù)現(xiàn)場試驗分析報告[1-2]，將壩體材料屬性相近的土層歸并，材料的物理力學(xué)參數(shù)取相應(yīng)的加權(quán)平均值，材料參數(shù)如表2所示。

表1　尾礦壩壩體觀測數(shù)據(jù)

圖2　各點水平偏移量與沉降量走勢

材料編號密度/(kg/m3)凝聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比剪切模量/Pa體積模量/MPa抗拉強度/Pa有效凝聚力/kPa有效內(nèi)摩擦角/(°)116005260.381210625001229216705290.31149025001231317006300.3997530001332初期壩19500.5380.2540009000250基巖27506720420.20.011500001600000

模型幾何尺寸簡化如下：下伏基巖為隔水巖層，厚度為100 m；初期壩屬性定為透水性較好的巖層，上游與下游的坡比均簡化為1:2，壩高定為20 m，頂寬4 m，壩體縱向長度為500 m；子壩上游坡比 1:5；干灘坡比1:100。

計算模型采用莫爾-庫侖屈服準則，共劃分為81 345 個節(jié)點，74 400個單元。材料分為6組，計算是在不考慮地震、降雨以及人類其他工程活動等因素的影響下的天然工況，自重應(yīng)力為主要考慮的因素。模型四周設(shè)為單向邊界，底部設(shè)為固定約束，壩體坡面則設(shè)為自由邊界。模型頂板高程取Z=260 m，X軸為邊坡傾向相反方向，取X=614 m,Y軸方向為壩體走向方向,Y=±250 m，計算模型見圖3。

2.2抗滑樁布置方案

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，初期壩體抗滑樁選單排布置，截面為圓形，截面積為3.14m2，間距取8m,根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)，樁身釆用預(yù)應(yīng)力混凝土，強度為C40。選普通硅酸鹽水泥(42.5R),縱向受拉鋼筋采用HRB335級(二級)帶助鋼筋，直徑取25 mm，鋼筋凈距取200 mm；樁身鋼筋混凝土保護層厚度為80 mm,采用封閉式箍筋布置，直徑取14 mm，間距400 mm,樁長15 m，錨固深度5 m[8]。布置圖如圖4。

圖3　計算模型

圖4　抗滑樁的整體布置

2.3樁內(nèi)力計算

抗滑樁內(nèi)力計算如圖5～圖8所示。

圖5　抗滑樁樁身內(nèi)力Fy圖

圖6　抗滑樁樁身內(nèi)力Mz圖

圖7　抗滑樁樁身內(nèi)力Fz圖

從圖5～圖8中可知：

(1)位于左、右兩側(cè)抗滑樁上的剪力、彎矩大小基本相同，而位于中間位置布設(shè)的抗滑樁由于左右抗滑樁對其的擠壓作用，剪力、彎矩值稍微偏小，反映出在樁身內(nèi)力圖中各樁的內(nèi)力曲線近乎重合。

圖8　抗滑樁樁身內(nèi)力My圖

(2)抗滑樁位于兩端的單元與中間單元的剪力反向，說明抗滑樁在滑坡推力和周圍巖土體主動土壓力的共同作用下，處于近似雙向受剪狀態(tài)。同時，抗滑樁剪力的最大值出現(xiàn)在嵌固段中間部位和樁頂至剪力為零處的中間位置,所以，這些部位都應(yīng)該加強箍筋配置，以提高抗剪能力。

(3)在滑體推力作用下，樁身彎矩呈現(xiàn)反對稱分布。彎矩值最大出現(xiàn)在錨固面上下3 m處，以及樁頂以下上下2～3 m處，說明樁在此處所受到的彎曲作用比較大，該處是抗滑樁相對薄弱的位置，因此，在此處上下5 m范圍的樁體是配置抗彎鋼筋的重點。

2.4抗滑樁加固后效果對比

抗滑樁于第3次監(jiān)測后開始施工，施工期間進行了3次測量，當(dāng)施工完成后開始第7次觀測，觀測數(shù)據(jù)如表3，各點水平偏移量及沉降量見圖9。

由表3及圖9可知，壩體支護前3次的累計水平位移量最大為51.7 mm，支護后的3次監(jiān)測中，累計水平位移量最大為14.9 mm；壩體支護前3次的最大累計沉降量為39.3 mm，支護后的3次累計沉降量最大為14.3 mm，支護效果很理想。

3結(jié)論

(1)應(yīng)用高精度測量儀器TM30對尾礦壩進行觀測，選設(shè)3個GPS控制點和15個觀測點，建立了邊坡地表位移監(jiān)測網(wǎng)，觀測結(jié)果表明壩體不穩(wěn)定，并針對尾礦壩工程特性采取抗滑樁加固。

(2)利用有限元軟件ANSYS10.0建立三維模型，并將數(shù)據(jù)輸入到FLAC3D中，利用抗滑樁結(jié)構(gòu)單元分析其在壩體中的受力情況，指出支護中加強箍筋的位置以及抗彎鋼筋的配置。

(3)根據(jù)模擬結(jié)果進行施工，施工后壩體觀測數(shù)據(jù)體現(xiàn)了支護的有效性，該支護方案成功應(yīng)用后，有效地加強了某尾礦壩的穩(wěn)定性。研究成果對尾礦壩的安全監(jiān)測與結(jié)構(gòu)支護設(shè)計提供了理論指導(dǎo)及借鑒。

表3　觀測數(shù)據(jù)

圖9　初期壩各點水平偏移量與沉降量走勢

參考文獻

[1]大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院.某尾礦庫選礦廠尾礦壩內(nèi)尾礦砂試驗研究報告[R].大連：大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，2004.

[2]大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院.某尾礦庫選礦廠尾礦壩滲流試驗與計算分析報告[R].大連：大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，2004.

[3]葛凱華.某尾礦壩穩(wěn)定性分析及加固措施研究[D].鞍山：遼寧科技大學(xué),2015.

[4]鄭筱彥.抗滑樁支擋作用的數(shù)值模擬研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005.

[5]Ghose M K, Sen P K. Investigation of soil engineering properties for safe design and construction of the iron ore tailing dam[J]. Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 2001,8(6):318-326.

[6]廖秋林,曾錢幫,劉彤,等.基于ANSYS平臺復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的自動生成[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(6):1010-1013.

[7]吳明,傅旭東,劉歡.邊坡穩(wěn)定分析中的強度折減法[J].土工基礎(chǔ),2006,20(1):49-52.

[8]中國地質(zhì)調(diào)查局.DZ/T0219—2006滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2006.

(收稿日期2015-09-03)

葛凱華(1989—)，男，工程師，碩士，067512 河北省承德市平泉縣。