高尾礦堆積壩動力穩定計算分析

于忠鋒

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

近年來，隨著選礦工藝水平的提高，尾礦粒度越來越細，細粒尾礦強度低，滲透性差，加之壩前放礦不均勻，造成尾礦壩體內夾層較大，導致壩體浸潤線抬高或從壩面逸出引起沼澤化，尤其在地震時易引起液化，影響壩體的穩定性[1]。國內高尾礦堆積壩越來越多，壩高超過100 m的高尾礦壩也有數十座，高壩的安全穩定問題比較突出，開展高壩動力穩定計算分析顯得十分必要。某尾礦庫初期壩壩頂標高為1 270 m，壩高60 m，堆積壩壩頂標高為1 410 m，堆積壩高140 m，總壩高200 m，對應總庫容為2 900萬m3，為2級壩。《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)[2]有關規定：對于2級尾礦壩的抗滑穩定性，應進行動力抗震計算，包括地震穩定性分析、地震液化分析和地震永久變形分析。

1 動力分析基本方法及原理

壩體動力穩定計算一般采用有限元時程法，該方法考慮地震過程中壩體應力的瞬時變化，計算出每一時刻壩坡抗滑穩定安全系數。在分析過程中采用滑面應力分析法，運用不同的優化方法來確定最危險滑動面，先確定求解安全系數，然后尋找最小安全系數和對應的滑動面位置。這種方法物理意義明確，滑動面上的應力狀態更接近真實情況，也同樣得到最小安全系數和最可能滑動面，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，土的抗剪強度迅速減小或完全喪失，形成液化。砂土液化引起的流動滑移通常是先由動力循環作用引起強度降低,然后主要在靜力作用下引發流動滑移破壞。因而絕大多數液化流動滑移破壞是在地震以后的一段時間才發生。在強震荷載作用下,土體將產生不可恢復的瞬時滑移變形或整體永久變形。

2 高尾礦堆積壩有限元計算

2.1 計算模型及邊界條件

本分析沿用滲流分析計算模型，可耦合以往的滲流計算結果，運用Geo-Studio軟件對模型剖分，模型單元為4 326個，節點為4 408個，見圖1。對尾礦壩模型底部采用水平和垂直雙向位移約束，對模型兩側采用豎向位移約束。

2.2 參數選取

根據尾礦壩的工勘資料及相關試驗資料，計算采用的參數指標見表1和表2。

2.3 地震波輸入

根據現行的相關抗震規范，7度地震烈度的土石壩在壩體穩定計算時可只考慮水平向地震作用。該尾礦壩位于7度地震烈度區域，地震水平向加速度值為0.10g，采用的場地地震時程曲線見圖2。

3 計算結果分析

3.1 靜力計算結果分析

沿用滲流分析計算結果進行壩體靜力有限元計算，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，出現在尾礦庫壩頂對應的庫底附近，比較符合實際。

表1 尾礦壩各土層主要物理力學指標設計取值

3.2 壩體最小安全系數時程結果分析

根據場地地震時程曲線進行動力有限元計算，壩體安全系數時程計算結果見圖4。可以看出，尾礦壩最小安全系數隨著地震加速度的波動呈現出一定的波動，0 s時安全系數為1.28，整個過程中安全系數一般在1.27左右，最小安全系數為1.04，出現在9.64 s左右。計算結果表明,在地震波作用下壩體最小安全系數大于1.0，壩體是穩定的。

圖1 尾礦壩有限元計算模型

材料Kckn尾中砂1.03620.5551.53940.544尾粉細砂1.04770.4941.55570.490尾粉質黏土1.03490.5081.53980.528尾粉土1.03630.5601.54590.489

圖2 場地地震時程曲線

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隨時間變化時程曲線

3.3 壩體地震液化結果分析

根據場地地震時程曲線進行動力有限元計算，震后在堆積壩體內產生液化區域[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，液化區域主要發生在浸潤線以下的尾粉砂和尾粉土的淺層區域，液化區域深度在3～12 m。從整體來看，液化區域主要集中在浸潤線以下小范圍內，未能形成滑移通道，對壩體的整體穩定性影響較小。

圖5 尾礦壩地震液化區域分布圖

3.4 壩體地震永久變形結果分析

地震作用結束后，壩體出現一定的永久變形，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，壩體主要產生傾向下游側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，相對較小，永久變形值相對整個壩高來說較小，不會對壩體的穩定造成很大影響。

圖6 尾礦壩地震永久變形等值線(單位：m)

4 結 論

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

(2)地震發生后，壩體浸潤線會有一定的抬升，對壩體穩定性產生一定的不利影響。

(3)應采取增設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，對尾礦庫加強科學管理。

[1] 唐 愷，常 宏．超細粒尾礦堆積壩動力反應分析[J]．現代礦業，2015(12)：166-168．

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50863—2013 尾礦設施設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2013.

[3] 安 君.尾礦壩地震穩定性分析方法及其應用的研究[D].北京：北京工業大學，2007.

[4] 翟文龍.細粒尾礦高堆壩抗震液化穩定性研究[D].北京：中國地質大學，2011.