理正巖土軟件在廣西某尾礦庫(kù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用

李 娜 張 航

(1.廣西冶金研究院有限公司； 2.湖北三鑫金銅股份有限公司)

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理正巖土軟件在廣西某尾礦庫(kù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用

李 娜1張 航2

(1.廣西冶金研究院有限公司； 2.湖北三鑫金銅股份有限公司)

尾礦壩的穩(wěn)定性分析在山谷型尾礦庫(kù)建設(shè)中非常重要，以廣西某尾礦庫(kù)為例，介紹了地層、構(gòu)造、地下水及地震力等穩(wěn)定性影響因素，采用理正巖土軟件對(duì)該尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。計(jì)算表明，該尾礦壩目前的安全系數(shù)Kmin=2.549,大于五級(jí)庫(kù)規(guī)范值1.15，說(shuō)明該尾礦壩處于穩(wěn)定狀態(tài)；設(shè)計(jì)加高15 m后安全系數(shù)Kmin=1.626，其穩(wěn)定性仍然能夠滿足要求，但需要做好防排洪及排滲措施。

理正巖土軟件 尾礦壩 穩(wěn)定性

尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害波及范圍廣，危害大[1]，為提高尾礦壩穩(wěn)定性，需要對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算[2]。目前用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究的軟件有很多種，常用到的有ARCGIS、ANSYS、FLAC3D、SLOPE/W、SLIDE 等[3]。本研究利用適用范圍較廣的理正巖土軟件，對(duì)廣西某尾礦庫(kù)壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析[4]。

1 尾礦庫(kù)工程概況

廣西某尾礦壩庫(kù)區(qū)地貌屬構(gòu)造侵蝕—?jiǎng)兾g類型低山—丘陵地貌，溝谷走向121°，坡底寬50～72 m，呈不對(duì)稱“V”型，溝谷兩側(cè)山體自然坡度一般20°～35°，局部大于50°。整體地勢(shì)北西高、南東低，山體最高點(diǎn)位于尾礦庫(kù)西北側(cè)，標(biāo)高342 m，溝谷兩側(cè)山體最高點(diǎn)稍低，標(biāo)高215.4～239.5 m。溝谷兩側(cè)山體部分有基巖直接出露，植被較發(fā)育，灌木叢生。山地經(jīng)濟(jì)以松杉、肉桂八角為主，山谷產(chǎn)水稻。

現(xiàn)狀壩體是在2009年已建成壩高10 m碾壓式土石壩的基礎(chǔ)上加高而成，筑壩材料為尾礦庫(kù)庫(kù)邊山體，垂直沖溝走向堆積碾壓而成，壩頂標(biāo)高189.13 m。因此，現(xiàn)狀尾礦庫(kù)后期壩體實(shí)際坐落標(biāo)高為175～189.13 m，壩高約14.13 m，壩頂寬約3.3 m，壩頂軸線長(zhǎng)約62 m。壩外坡為三級(jí)臺(tái)階狀，平均坡度1∶1.4，壩內(nèi)坡平均坡度1∶1.7。壩面上設(shè)有平臺(tái)(馬道)兩個(gè)，上、下兩平臺(tái)寬約10 m。碾壓土石壩外壩面平整，有植被，無(wú)滲流。尾礦壩現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 尾礦壩現(xiàn)狀

2 尾礦壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 尾礦庫(kù)邊坡堆積壩組成及力學(xué)參數(shù)

2.1.1 尾礦庫(kù)邊坡堆積壩組成

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地巖土層自上而下有素填土(填筑土)①、尾粉砂②、下伏基巖為寒武系砂巖③(∈)。場(chǎng)地巖、土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試、室內(nèi)巖土試驗(yàn)確定，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，分析相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，如表1所示。

2.1.2 場(chǎng)地地質(zhì)

經(jīng)地面調(diào)查，尾礦庫(kù)二級(jí)壩(含尾礦庫(kù))及場(chǎng)地周邊未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡及地裂等地質(zhì)災(zāi)害，壩體也未發(fā)現(xiàn)漏洞、管涌、流土、裂縫、坍塌和滑動(dòng)位移等不良地質(zhì)作用現(xiàn)象，勘察過(guò)程中也未遇到軟弱結(jié)構(gòu)面(夾層)不良地質(zhì)現(xiàn)象。

表1 地基設(shè)計(jì)巖土體物理參數(shù)建議值

注：巖石承載力特征值依據(jù)《廣西壯族自治區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(DBJ/T45-002—2011)附錄C確定；*為經(jīng)驗(yàn)值。

2.1.3 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

尾礦庫(kù)內(nèi)及附近無(wú)大的地表水系，勘察各鉆孔內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)地下水，故地下水對(duì)壩體穩(wěn)定性無(wú)影響。據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及訪問，尾礦庫(kù)二級(jí)壩場(chǎng)地附近未發(fā)現(xiàn)污水水源。尾礦庫(kù)內(nèi)坡實(shí)際有防滲膜覆蓋，碾壓土石壩體不存在浸潤(rùn)線，壩內(nèi)按無(wú)水狀態(tài)下進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1.4 地震力

由于該尾砂壩所處地理位置地震烈度為Ⅵ級(jí)以下，在壩體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，可以不考慮地震力影響。

2.2 壩體穩(wěn)定性計(jì)算

采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院“理正巖土計(jì)算6.0版”軟件進(jìn)行壩坡穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計(jì)算。各層土、地基參數(shù)取值均按勘察報(bào)告提供的數(shù)值，計(jì)算時(shí)已將各層土、地基參數(shù)、壩上行走汽車荷載等一并輸入計(jì)算。

應(yīng)用理正巖土軟件計(jì)算時(shí)，采用規(guī)范為通用方法，計(jì)算目標(biāo)是安全系數(shù)計(jì)算，因?yàn)閴位性黄趲?kù)舊尾砂軟弱夾層，因此計(jì)算方法選用適用性較廣的圓弧滑動(dòng)法。計(jì)算時(shí)不考慮地震力、水的作用，計(jì)算項(xiàng)目類型為復(fù)雜土層土坡穩(wěn)定性計(jì)算。軟件將壩體分為4個(gè)區(qū)域，其參數(shù)如表2所示。

表2 壩體不同區(qū)域參數(shù)值

壩體坡面線段數(shù)為6，其中超載距離0.500 m，寬2.300 m，荷載20.70 kPa，270.00°，坡面具體情況如表3所示，不同土性區(qū)域參數(shù)如表4所示。

表3 坡面具體數(shù)值

表4 不同土性區(qū)域參數(shù)值

[筋帶信息]

采用土工布

筋帶道數(shù):1

筋帶拉力作用方向:筋帶力作用于滑面切線方向

筋帶力調(diào)整系數(shù):1.000

[土層信息]

坡面節(jié)點(diǎn)數(shù) 7

編號(hào)X/mY/m00．0000．000-112．7365．243-223．5865．436-327．8028．693-439．0168．943-547．02414．973-650．37314．973

[計(jì)算條件]

圓弧穩(wěn)定分析方法:瑞典條分法

土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí):當(dāng)下滑力對(duì)待

穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo):自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面

條分法的土條寬度:1.000 m

搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng):1.000 m

搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng):0.500 m

將壩體模型保存為.dxf格式，在確保模型中所有線條完全閉合后導(dǎo)入理正巖土軟件，并按要求依次輸入以上參數(shù)。通過(guò)軟件計(jì)算可知，該壩體的最不利滑動(dòng)面滑動(dòng)圓心為(4.436,10.401)，滑動(dòng)半徑為12.220 m，滑動(dòng)安全系數(shù)為2.549。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算，其壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)K=2.549,大于五級(jí)庫(kù)規(guī)范值1.15。由此可知：本尾礦庫(kù)加高前壩體的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)大于尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程的最小值，符合穩(wěn)定性要求。

圖2 計(jì)算結(jié)果(單位：m)

3 尾礦壩加高壩穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 尾礦壩加高壩的設(shè)計(jì)參數(shù)

目前尾礦庫(kù)堆積侵蝕線實(shí)際標(biāo)高約187.0 m，二期尾礦庫(kù)庫(kù)容基本達(dá)到現(xiàn)已加高后的標(biāo)高189.13 m。考慮到新建尾礦庫(kù)選址困難，設(shè)計(jì)批復(fù)和建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，為了確保企業(yè)正常生產(chǎn)，根據(jù)尾礦庫(kù)的實(shí)際情況，提出對(duì)該尾礦庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)容，計(jì)劃對(duì)原尾礦庫(kù)二級(jí)壩繼續(xù)加高15 m，加高后壩頂標(biāo)高204.13 m。

后期壩體共加高15 m，壩頂中軸線長(zhǎng)約164.09 m，壩頂面寬3 m。后期堆積壩體共有5層子壩體，每一層子壩體高度都為3 m。堆積子壩內(nèi)坡比為1∶1.5，外坡比為1∶2.5；后期堆積壩總體外坡比為1∶3.03。后期堆積子壩采用95%粗尾砂+5%熟石灰拌勻后逐層(每層厚0.5 m)碾壓堆積成壩，并與現(xiàn)狀壩面緊密嚙合。尾礦庫(kù)擬設(shè)計(jì)加高15 m 后如圖3所示。

圖3 壩體加高15 m后擴(kuò)容改造

尾礦庫(kù)壩體筑壩材料于庫(kù)邊山體采取，垂直沖溝走向堆積碾壓而成，自上而下的土層分別是素填土、尾粉砂、中風(fēng)化砂巖，其容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等，見表1。碾壓土石壩體不存在浸潤(rùn)線，壩內(nèi)按無(wú)水狀態(tài)下進(jìn)行驗(yàn)算。由于本尾砂壩所處地理位置地震烈度為Ⅵ級(jí)以下，在壩體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，可以不考慮地震力影響。

3.2 應(yīng)用理正軟件計(jì)算尾礦壩加高后的穩(wěn)定性

加高后壩體穩(wěn)定性計(jì)算仍然采用圓弧滑動(dòng)法，坡面線段數(shù)為15，坡面節(jié)點(diǎn)數(shù)為16，不同圖形區(qū)域數(shù)如表5所示，不同區(qū)號(hào)參數(shù)值如表6所示。

表5 不同土性區(qū)域參數(shù)值

表6 壩體不同區(qū)域參數(shù)值

[計(jì)算條件]

計(jì)算項(xiàng)目：復(fù)雜土層土坡穩(wěn)定計(jì)算 2

圓弧穩(wěn)定分析方法:瑞典條分法

土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí):當(dāng)下滑力對(duì)待

穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo): 自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面

條分法的土條寬度:1.000(m)

搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng):3.000(m)

搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng):2.000(m)

通過(guò)計(jì)算，最不利滑動(dòng)面滑動(dòng)圓心為(44.319,56.944)，滑動(dòng)半徑為57.899m。其計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 計(jì)算結(jié)果(單位：m)

通過(guò)計(jì)算，A-A剖面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kmin=1.626,大于五級(jí)庫(kù)規(guī)范值1.15，說(shuō)明壩體加高15 m后壩體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

詳細(xì)介紹了理正巖土軟件的功能、應(yīng)用過(guò)程及參數(shù)的選取，并應(yīng)用于廣西某尾礦壩中進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可知，加高前尾礦壩的安全系數(shù)K=2.549,大于五級(jí)庫(kù)規(guī)范值1.15，加高后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kmin=1.626，大于五級(jí)庫(kù)規(guī)范值1.15。由此可知，該尾礦庫(kù)的壩體抗滑穩(wěn)定性在加高前及設(shè)計(jì)加高15 m后，安全系數(shù)均大于尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程允許的最小值，可以滿足生產(chǎn)需求，但是要做好尾礦壩的維護(hù)工作，并完善其防洪排滲措施。

[1] 張敏哲,金愛兵,王志凱,等.尾礦壩穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)研究[J].金屬礦山,2013(12):115-117.

[2] 段偉強(qiáng).某尾礦庫(kù)邊坡穩(wěn)定性影響因素研究[J].勘查科學(xué)技術(shù),2013(2):27-30.

[3] 李愛兵.尾礦庫(kù)山邊坡穩(wěn)定性分析與防治研究[J].地下空間,2001,21(5):412-418.

[4] 李建榮.德興銅礦4號(hào)尾礦庫(kù)尾礦堆積壩邊坡穩(wěn)定分析[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2002,23(4):62-63.

2016-08-31)

李 娜(1990—),女，助理工程師，碩士，530000 廣西南寧市長(zhǎng)堽路40號(hào)。