有限元在尾礦堆積壩體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

張 新

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，舊堆場(chǎng)的閉庫(kù)之后，尾礦資源所開(kāi)發(fā)利用時(shí)，需挖方運(yùn)移所產(chǎn)生的邊坡大多在10-25m 間，但當(dāng)遇到由于施工場(chǎng)地狹窄，不具備放坡條件的邊坡，此類尾礦壩體邊坡的支護(hù)形式、坡高比如何選擇，在相關(guān)的邊坡技術(shù)規(guī)范里沒(méi)有明確的規(guī)定，并且計(jì)算方法至今還不成熟，計(jì)算高度也大大超過(guò)了規(guī)范要求。所以對(duì)尾礦邊坡的高切坡研究是具有指導(dǎo)和參考價(jià)值的。

1 工程地質(zhì)概況

（1）場(chǎng)區(qū)概況。某尾礦堆場(chǎng)堆積物為生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢棄尾礦，初始?jí)螢槎咽癁V水壩，壩頂寬度5m，壩頂高程894m。尾礦堆場(chǎng)總體呈南東—北西塊狀展布，長(zhǎng)約1200m，平均寬約700m，高度約75，面積約90 萬(wàn)m2，填埋高程870m～942m，有效庫(kù)容約2875 萬(wàn)立方米，目前尾礦堆積高程約930m，筑有8 級(jí)子壩。目前尾礦堆積高程約925m，如圖1 所示。

圖1 尾礦堆場(chǎng)壩體局部

（2）尾礦物理參數(shù)選取。從現(xiàn)場(chǎng)勘察取得的74 個(gè)尾礦樣，對(duì)所采取的尾礦樣用于指標(biāo)及分類試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、有效孔隙確定和透水性測(cè)試，并且取樣4 件一組對(duì)其進(jìn)行固結(jié)不排水（CU）靜三軸剪切試驗(yàn)，固結(jié)不排水剪為試樣先進(jìn)行飽和（采用反壓飽和）、其飽和度大于97%厚分別在不同周圍壓力100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后在不排水條件下試驗(yàn)分別按不同圍壓100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下，施加軸向壓力進(jìn)行剪切直至破壞。據(jù)測(cè)試結(jié)果得出下表：試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如下：

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2 Midas GTS數(shù)值模型建立

2.1 軟件介紹

Midas GTS 數(shù)值模擬分析軟件是目前國(guó)內(nèi)主流的一款適用于大型邊坡模擬的數(shù)值分析工具，其軟件自帶國(guó)內(nèi)外各種經(jīng)典的本構(gòu)模型，滿足任何工況下的模擬分析，并且軟件的可靠度已經(jīng)通過(guò)國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)定，在本次模擬計(jì)算中，為了方便對(duì)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)與內(nèi)力驗(yàn)算，決定采用彈性力學(xué)經(jīng)典的分析方法-結(jié)構(gòu)—荷載法。本次模擬的尾礦大型壩體邊坡由于具有遇水膨脹的特性性，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，將結(jié)構(gòu)的熱傳遞單元DC3D6 轉(zhuǎn)化為其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析3D stress 單元類型，即C3D6R，錨桿鋼筋由熱傳遞單元DC1D2 轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元Truss 單元類型，即T3D2。

2.2 邊界條件的設(shè)置

下面對(duì)尾礦在重力荷載的靜壓力下二維穩(wěn)態(tài)受荷模型的邊界條件處理如下。

其中，Tport為壩體內(nèi)邊界進(jìn)出口溫度；T0為壩體外界環(huán)境溫度。為便于模擬結(jié)果的對(duì)比，并且根據(jù)以往的相似模擬實(shí)驗(yàn)溫度值，并考慮到施工工況的影響，將壩體外界環(huán)境與入口處初始溫度設(shè)置為 22℃。

（2）巷道內(nèi)外墻壁邊界條件。根據(jù)以往模擬經(jīng)驗(yàn)，本次模型的邊界條件將壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與外側(cè)圍巖接觸面按第三類邊界條件處理，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

（3）位移邊界。根據(jù)假設(shè)，巖體兩側(cè)側(cè)壓力相等，因此邊界條件設(shè)置為對(duì)稱邊界，即限制Y 軸和Z 軸的旋轉(zhuǎn)自由度，與X 軸的位移自由度。

2.3 分析步設(shè)置

在Midas GTS幾何模型材料及網(wǎng)格劃分完畢后，選用靜力分析步中的邊坡靜力分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將總計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)為1500，增量為1；初始條件下將所有節(jié)點(diǎn)溫度設(shè)置為25℃，并且從第一步開(kāi)始開(kāi)始加載，增量為1，并將前面計(jì)算分析得到的溫結(jié)果加載到有限元分析的模型之中。數(shù)值模型建下圖2所示。

圖2 數(shù)值模型建

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 天然工況下最大剪應(yīng)變?cè)?/p>

圖4 天然工況下總位移云

圖5 降雨工況下最大剪應(yīng)變?cè)?/p>

圖6 降雨工況下總位移云

計(jì)算結(jié)果分析：總體上看壩體盡管高度較高，但是總體相對(duì)穩(wěn)定；由上面模擬計(jì)算可知，尾礦邊坡的主要剪應(yīng)變集中區(qū)域在邊坡的后緣，這是由于在堆積過(guò)程中后面坡度較前緣陡很多，并且堆積較松散；相反由于前緣坡度減緩所以剪應(yīng)變小，沒(méi)有形成明顯的滑裂帶。在應(yīng)變圖上可以看出滑坡前緣有局部地區(qū)剪應(yīng)變值較大，這是因?yàn)榛虑熬壟R空，受到后緣和中段較大的下滑力作用，且地層分界差異較大。

從圖中可以看出，自然條件下滑坡的最大剪切應(yīng)變?yōu)?.13，降雨條件下的剪切應(yīng)變?yōu)?.35。隨著剪切應(yīng)變值的增加，地質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性大大降低。模型在自然條件下的上部巖土的剪切應(yīng)變基本為0.06，在降雨條件下模型的上部巖土的剪應(yīng)變值基本上為0.1，表明在降雨條件下，雨暈增加。

Midas gts 中的位移云圖看到尾礦壩體在不同位置的變化。這里需要說(shuō)明的是，云圖中的位移值不是實(shí)際的滑坡位移值，而是尾礦礦物在多次降低指標(biāo)后尾礦壩體破裂時(shí)形成的位移，這與現(xiàn)實(shí)中滑坡的真實(shí)位移不一致。在不同的收斂指標(biāo)下，計(jì)算步驟不同，最終位移值也不同。因此，位移云圖仍然是研究滑坡穩(wěn)定性和變形破壞的重要內(nèi)容。

4 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算結(jié)果校核

在充分考慮地質(zhì)研究區(qū)域野外原位測(cè)試、室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等各種試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，并結(jié)合各層巖土的天然重度γ、飽和重度γsat、粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ、水下粘聚力c 和水下內(nèi)摩擦角φ，分別分析正常運(yùn)行狀態(tài)與洪水運(yùn)行狀態(tài)（飽和狀態(tài)）時(shí)，尾礦堆積壩的穩(wěn)定性，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2002）5.2.3，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，在不考慮地質(zhì)邊坡變化荷載影響的情況下，用“理正巖土計(jì)算5.0 版”算各坡體的穩(wěn)定性，計(jì)算時(shí)考慮了地下水的滲透力，并采用瑞典條分法結(jié)合總應(yīng)力法：

表2 壩體穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

因《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）中3 級(jí)壩體的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)（瑞典圓弧滑動(dòng)法）在正常運(yùn)行下為1.20，在洪水運(yùn)行下為1.10，由表12 可看出該尾礦堆積壩不論是正常運(yùn)行時(shí)還是洪水運(yùn)行時(shí)壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求。

5 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)計(jì)算結(jié)果可看出，該初始?jí)蔚目狗€(wěn)定性較好，安全系數(shù)較高，這與有限元計(jì)算結(jié)果相吻合。

（2）由模擬計(jì)算可知降雨工況下，尾礦壩體最大剪應(yīng)變急劇增大，因此應(yīng)警惕暴雨對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。

（3）本文的三維模型效果較好，其建模參數(shù)和網(wǎng)格劃分以及計(jì)算結(jié)果均可以作為相同類型項(xiàng)目作為參考。

（4）建議干堆尾礦邊坡必須控制堆積高度（小于25m），并沿整個(gè)坡體面均勻分布堆積；必須布置排滲設(shè)施，隨時(shí)保持堆積頂部工作面的平整；應(yīng)在坡頂工作面前沿臨空面后退30m 設(shè)安全警戒線；雨季（下暴雨）必須停止進(jìn)行尾礦的堆填作業(yè)，將人員及機(jī)械設(shè)備退后至安全警戒線以外；對(duì)壩體進(jìn)行變形觀測(cè)、浸潤(rùn)線的觀測(cè)以及初始?jí)蔚臐B流進(jìn)行檢測(cè)，定期（每增加二級(jí)）對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算；壩體在做堆積時(shí)嚴(yán)格采用設(shè)計(jì)的上游坡和下游坡比；進(jìn)一步完善壩面排水溝和植被覆蓋或綠化、壩肩截水溝、觀測(cè)設(shè)施。