考慮滲流與應力耦合作用的尾礦壩穩定性分析

岳濱

摘要：根據尾礦庫的現場實測的工程條件，采用非線性有限元軟件ABAQUS建立某斷面的二維數值模型。結果表明：浸潤線從內側坡面至下游外側臨空壩面逐漸降低，經過初期壩后下降明顯，溢出點在下游壩趾上約10m處。現在標高下尾礦壩的安全系數為1.63，最小系數的滑面位于壩體外側的中上部，近似圓弧滑動；最小安全超高下的終高尾礦壩安全系數為1.43，不穩定區域擴大，滲流溢出點在壩趾上約25m。均大于規范最小安全系數1.25。因此該尾礦壩的處于安全狀態。

Abstract： According to the engineering conditions measured in the tailings dam field， a two-dimensional numerical model of a section was established by nonlinear finite element software ABAQUS. The results show that the infiltration line gradually decreases from the inner slope to the downstream outer dam， and then drops obviously after the initial dam. The overflow point is about 10m on the downstream dam toe. At present， the safety coefficient of the tailings dam under elevation is 1.63. The minimum coefficient slip surface is located in the middle and upper part of the outer side of the dam， sliding approximately in the same way. The safety factor of tailing tailings dam with minimum safety height is 1.43， the seepage spill point is about 25m above the dam toe. Both are greater than the standard minimum safety factor of 1.25. Therefore， the tailings dam is in a safe state.

關鍵詞：尾礦壩；滲流與應力耦合；極限平衡法；ABAQUS；穩定系數

Key words： tailings dam；seepage and stress coupling；limit equilibrium method；ABAQUS；stability coefficient

中圖分類號：TV698.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0177-03

0 引言

尾礦壩邊坡安全性分析是邊坡工程中的重要研究范圍，其研究方法主要有兩類：極限平衡法、有限元（數值）法。李亞俊[1]等利用FLAC軟件對尾礦壩進行數值模擬，得到安全系數，為安全生產提供保障。本文通過ABAQUS軟件考慮滲流與應力相互影響，結合強度折減有限元法的原理對某尾礦庫進行壩體穩定性計算，對壩體的安全進行評價[2]，提出監測以及相對應治理措施。

1 工程概況

該尾礦庫為山谷型尾礦庫，初期壩為黏土斜墻砌石壩，高38m，頂寬度為10m，壩基標高72m。后期堆積壩利用選礦的尾砂進行中線法分層堆筑，壩體最終高度為208m，內坡平均比1：2.5，外坡平均比1：3。按照《尾礦庫安全技術規程》[3]，該尾礦庫屬于二等尾庫。當前的堆筑壩為12期子壩，壩高177m，外坡比是1：1.53，頂寬40m。干灘呈弧形，長300m，庫內廢水標高為218m，壩體外側出現溢流，水量不大。

根據企業工勘資料，該尾礦壩自上而下劃分為尾礦砂、粘土堆石（初期壩）、千枚巖（基巖）。對壩體采樣進行的室內試驗，得到如表1、2、3所示的數值模擬所需的力學參數。

2 壩體安全穩定性的ABAQUS數值計算

2.1 滲流穩定性計算與分析

浸潤線[4]的計算對尾礦壩的安全穩定性十分重要。根據實測的數據與模擬結果相對比，分析浸潤線的變化規律。

尾礦庫采用孔隙流體/應力單元，在property模塊中，將模型各分層定義不同的材料屬性，并依次劃分為四面體網格，網格單元選擇四節點平面應變孔壓單位。滲流網格模型圖如圖1所示。

在該模型中不考慮土體應力狀態的改變對滲透系數的影響，也不考慮滲流狀態的改變對巖土強度參數的影響。

①近況下壩體內的孔壓等值云圖2所示。

由圖2、3可知，孔壓為零的面為尾礦壩的浸潤線，浸潤線的右上方孔壓為負值，意味著非飽和區，左下方孔壓為正值，則說明該區域為飽和區。壩體外側溢出點在壩底以上10m左右，與實際情況相符合。

②最小安全超高下的終高尾礦壩運行條件下浸潤線計算：結果見圖4。

由圖4可知，和現狀尾礦壩相比，隨著壩體加高，孔壓自上而下逐漸增大，飽和線（浸潤線）上移，下游溢出點上移，約在25m。可能會對壩體產生滲流破壞與溢出。

2.2 應力及位移分析

建立尾礦壩二維有限元靜力分析模型，結合強度折減理論，對庫內蓄水時進行模擬，得到位移場分布情況。

由圖5可見，蓄水將引起內側壩體微抬，外側壩體有向下的位移增量，豎直方向的位移變形較水平方向的位移變形顯著。因此，當汛期庫水位升高時，下游壩體也將產生水平及豎向位移增量，對壩體穩定性不利。

2.3 各種標高下的穩定性計算結果

①現狀尾礦壩滲流與應力耦合的數值模擬結果。

正常運行壩體穩定性最小安全系數的塑形云圖及對應位移云圖見圖6。

在正常工況下（干灘現在長為300m，蓄水位為146 m），數值模擬的結果如圖6所示，最小安全系數為1.63，穩定系數高于規范中要求的最小值。故可以判斷現在狀況下的尾礦壩是安全穩定的。

②最小安全超高下的終高尾礦壩的穩定性計算結果。

尾礦庫設計的最終堆筑標高為280m（實際最高為208m），壩高大于100m且總庫容超過8.35億m3，該尾礦庫的等別為二等，防洪安全超過按最低標準3.5m考慮。此時工況下壩體穩定性最小安全系數的塑形云圖及對應位移云圖見圖7。

壩體終高時洪水條件下（最高水位+壩體自重），根據強度折減法，得到的安全系數為1.43。穩定性計算結果高于規程中的最小值，因此，可以判定最小安全超高下的尾礦壩是安全穩定的。

3 結論

①用ABAQUS軟件對尾礦壩進行了模擬計算，通過等壓云圖，獲得了其現狀浸潤線特點，浸潤線從內側坡面至下游外側臨空壩面逐漸降低，經過初期壩后下降明顯，溢出點在下游壩趾以上約10m處。

②最小安全超高下的終高尾礦壩安全系數為1.43，不穩定區域擴大，滲流溢出點在壩趾以上約25.0m。

③現狀及設計終高時尾礦壩體的最小穩定系數均大于規范中規定的二等壩的安全系數1.25。實際監測中，壩體中上部位有發生小規模的滑塌，對壩體穩定影響不大。

參考文獻：

[1]李亞俊，張志軍，劉玄釗，等.某尾礦壩穩定性的FLAC模擬分析[J].南華大學學報（自然科學版），2013（04）：23-27.

[2]易麗平.尾礦壩滲流穩定性分析及監測技術研究[D].中南大學，2010.

[3]于廣明，宋傳旺，潘永戰，等.尾礦壩安全研究的國外新進展及我國的現狀和發展態勢[J].巖石力學與工程學報，2014（S1）：3238-3248.

[4]王飛躍，楊鎧騰，徐志勝，等.基于浸潤線矩陣的尾礦壩穩定性分析[J].巖土力學，2009，（03）：840-844.endprint