高尾礦堆積壩動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算分析

于忠鋒

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

近年來，隨著選礦工藝水平的提高，尾礦粒度越來越細(xì)，細(xì)粒尾礦強(qiáng)度低，滲透性差，加之壩前放礦不均勻，造成尾礦壩體內(nèi)夾層較大，導(dǎo)致壩體浸潤線抬高或從壩面逸出引起沼澤化，尤其在地震時(shí)易引起液化，影響壩體的穩(wěn)定性[1]。國內(nèi)高尾礦堆積壩越來越多，壩高超過100 m的高尾礦壩也有數(shù)十座，高壩的安全穩(wěn)定問題比較突出，開展高壩動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算分析顯得十分必要。某尾礦庫初期壩壩頂標(biāo)高為1 270 m，壩高60 m，堆積壩壩頂標(biāo)高為1 410 m，堆積壩高140 m，總壩高200 m，對(duì)應(yīng)總庫容為2 900萬m3，為2級(jí)壩。《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)[2]有關(guān)規(guī)定：對(duì)于2級(jí)尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力抗震計(jì)算，包括地震穩(wěn)定性分析、地震液化分析和地震永久變形分析。

1 動(dòng)力分析基本方法及原理

壩體動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算一般采用有限元時(shí)程法，該方法考慮地震過程中壩體應(yīng)力的瞬時(shí)變化，計(jì)算出每一時(shí)刻壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。在分析過程中采用滑面應(yīng)力分析法，運(yùn)用不同的優(yōu)化方法來確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，先確定求解安全系數(shù)，然后尋找最小安全系數(shù)和對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面位置。這種方法物理意義明確，滑動(dòng)面上的應(yīng)力狀態(tài)更接近真實(shí)情況，也同樣得到最小安全系數(shù)和最可能滑動(dòng)面，使用方便。

飽和砂土或粉土受地震力作用后，土體積縮小，孔隙壓力劇增，從而使有效壓力減小，土的抗剪強(qiáng)度迅速減小或完全喪失，形成液化。砂土液化引起的流動(dòng)滑移通常是先由動(dòng)力循環(huán)作用引起強(qiáng)度降低,然后主要在靜力作用下引發(fā)流動(dòng)滑移破壞。因而絕大多數(shù)液化流動(dòng)滑移破壞是在地震以后的一段時(shí)間才發(fā)生。在強(qiáng)震荷載作用下,土體將產(chǎn)生不可恢復(fù)的瞬時(shí)滑移變形或整體永久變形。

2 高尾礦堆積壩有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

本分析沿用滲流分析計(jì)算模型，可耦合以往的滲流計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用Geo-Studio軟件對(duì)模型剖分，模型單元為4 326個(gè)，節(jié)點(diǎn)為4 408個(gè)，見圖1。對(duì)尾礦壩模型底部采用水平和垂直雙向位移約束，對(duì)模型兩側(cè)采用豎向位移約束。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)尾礦壩的工勘資料及相關(guān)試驗(yàn)資料，計(jì)算采用的參數(shù)指標(biāo)見表1和表2。

2.3 地震波輸入

根據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)抗震規(guī)范，7度地震烈度的土石壩在壩體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)可只考慮水平向地震作用。該尾礦壩位于7度地震烈度區(qū)域，地震水平向加速度值為0.10g，采用的場(chǎng)地地震時(shí)程曲線見圖2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 靜力計(jì)算結(jié)果分析

沿用滲流分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行壩體靜力有限元計(jì)算，由于篇幅有限，僅給出壩體孔隙水壓力等值線情況(圖3)。可以看出，孔隙水壓力分布規(guī)律相似，基本平行于外坡分布，其中尾礦庫的最大孔隙水壓力值為1 000 kPa，出現(xiàn)在尾礦庫壩頂對(duì)應(yīng)的庫底附近，比較符合實(shí)際。

表1 尾礦壩各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)取值

3.2 壩體最小安全系數(shù)時(shí)程結(jié)果分析

根據(jù)場(chǎng)地地震時(shí)程曲線進(jìn)行動(dòng)力有限元計(jì)算，壩體安全系數(shù)時(shí)程計(jì)算結(jié)果見圖4。可以看出，尾礦壩最小安全系數(shù)隨著地震加速度的波動(dòng)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，0 s時(shí)安全系數(shù)為1.28，整個(gè)過程中安全系數(shù)一般在1.27左右，最小安全系數(shù)為1.04，出現(xiàn)在9.64 s左右。計(jì)算結(jié)果表明,在地震波作用下壩體最小安全系數(shù)大于1.0，壩體是穩(wěn)定的。

圖1 尾礦壩有限元計(jì)算模型

材料Kckn尾中砂1.03620.5551.53940.544尾粉細(xì)砂1.04770.4941.55570.490尾粉質(zhì)黏土1.03490.5081.53980.528尾粉土1.03630.5601.54590.489

圖2 場(chǎng)地地震時(shí)程曲線

圖3 尾礦壩孔隙水壓力等值線圖(單位：kPa)

圖4 尾礦壩最小安全系數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)程曲線

3.3 壩體地震液化結(jié)果分析

根據(jù)場(chǎng)地地震時(shí)程曲線進(jìn)行動(dòng)力有限元計(jì)算，震后在堆積壩體內(nèi)產(chǎn)生液化區(qū)域[3-4]，見圖5。可以看出，在地震作用下，壩體浸潤線有一定的抬升，液化區(qū)域主要發(fā)生在浸潤線以下的尾粉砂和尾粉土的淺層區(qū)域，液化區(qū)域深度在3～12 m。從整體來看，液化區(qū)域主要集中在浸潤線以下小范圍內(nèi)，未能形成滑移通道，對(duì)壩體的整體穩(wěn)定性影響較小。

圖5 尾礦壩地震液化區(qū)域分布圖

3.4 壩體地震永久變形結(jié)果分析

地震作用結(jié)束后，壩體出現(xiàn)一定的永久變形，尤其是堆積壩頂附近變形較明顯，截取壩頂附近的永久變形值(圖6)可以看出，壩體主要產(chǎn)生傾向下游側(cè)的水平向永久變形和下沉變形，其中,水平向最大變形量為0.6 m，變形較明顯，而下沉變形最大值為0.3 m，相對(duì)較小，永久變形值相對(duì)整個(gè)壩高來說較小，不會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定造成很大影響。

圖6 尾礦壩地震永久變形等值線(單位：m)

4 結(jié) 論

(1)從尾礦壩的地震最小安全系數(shù)、液化區(qū)域分布及永久變形結(jié)果來看，在7度地震作用下壩體受到一定程度的影響，但整體是穩(wěn)定的。

(2)地震發(fā)生后，壩體浸潤線會(huì)有一定的抬升，對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響。

(3)應(yīng)采取增設(shè)水平排水層和大口輻射井等有效措施，盡可能降低壩體浸潤線，對(duì)尾礦庫加強(qiáng)科學(xué)管理。

[1] 唐 愷，常 宏．超細(xì)粒尾礦堆積壩動(dòng)力反應(yīng)分析[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2015(12)：166-168．

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2013.

[3] 安 君.尾礦壩地震穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[4] 翟文龍.細(xì)粒尾礦高堆壩抗震液化穩(wěn)定性研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2011.