基于GeoStudio灌木修復(fù)下尾礦壩穩(wěn)定性分析

侯永莉，曹明杰，郝 喆,*，周素航

(1.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013；2.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

0 引言

隨著對礦產(chǎn)資源需求的日益增加，礦山開采逐漸過度，據(jù)統(tǒng)計我國每年尾礦產(chǎn)量超過6億噸，堆存量已超過200億噸，現(xiàn)存尾礦超過2萬余座[1-4]。隨著礦山生產(chǎn)的進(jìn)行，尾礦容量隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦庫穩(wěn)定性極差，尾礦庫一旦失穩(wěn)發(fā)生滑坡將對礦區(qū)及周圍居民造成極大損害，造成難以估量的損失[5-8]。因此尾礦庫穩(wěn)定性及其安全系數(shù)成為眾多學(xué)者研究的課題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對尾礦壩穩(wěn)定性及根系固坡效果做了大量研究。李強等研究了基于流固耦合理論尾礦壩失穩(wěn)特性及穩(wěn)定性分析[9]；陳建宏等研究了基于 PCA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析，并得出結(jié)論可以使用 PCA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析壩體穩(wěn)定性[10]。董紅娟等研究基于3DEC的尾礦壩邊坡監(jiān)測[11]。李嫣綺等基于強度折減法對尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)分析結(jié)果與瑞典圓弧法計算結(jié)果一致[12]。張年龍使用GPS技術(shù)對尾礦庫進(jìn)行在線監(jiān)測[13]。但鮮有學(xué)者研究植物生長年限對尾礦壩安全系數(shù)的影響，因此研究開展基于GeoStudio灌木修復(fù)下尾礦壩穩(wěn)定性分析，從尾礦壩采集不同年限的修復(fù)植物及根系土，進(jìn)行根土復(fù)合剪切實驗，進(jìn)一步建立尾礦庫模型，開展GeoStudio模擬安全系數(shù)計算。本研究旨在為提高尾礦壩安全系數(shù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣點的確定

尾礦砂與修復(fù)灌木均采集自本溪歪頭山尾礦庫尾礦壩外坡，歪頭山尾礦庫共有6級臺階，修復(fù)灌木為沙棘，本次實驗采樣根據(jù)歪頭山尾礦庫生態(tài)修復(fù)的實際效果，確定對修復(fù)年限分別為1 a、4 a、10 a的臺階作為實驗對象進(jìn)行采樣。

1.2 采樣方式

修復(fù)植物沙棘需連根取出，并保證根部完整，沙棘取出后迅速將根部包裹以防水分蒸干[14]，所取沙棘為其所在臺階的平均大小，不能過大或過小。對應(yīng)在所取沙棘處的根部取擾動土樣，使用鋁盒裝好后編號帶回實驗室。沙棘與根際土每個采樣點取3個重復(fù)，采集樣品見圖1。

1.3 實驗參數(shù)的測定

取樣現(xiàn)場進(jìn)行灌水試驗，測定土壤天然密度，利用環(huán)刀取原狀樣，測定含水率和孔隙比，用來計算土的天然重度。

進(jìn)行根土復(fù)合剪切實驗，測量加根后尾礦砂的內(nèi)聚力(c)與內(nèi)摩擦角(φ)，不同修復(fù)年限的尾礦砂加根量，根據(jù)對應(yīng)沙棘的生物量確定，加根量分別設(shè)置為 2.0 g(1 a)、3.5 g(4 a)、7.6 g(10 a)，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 根土復(fù)合剪切實驗結(jié)果

2 模擬計算結(jié)果及分析

2.1 分析方法

(1)尾礦庫模型建立：對尾礦壩建立幾何模型，主要對壩體剖面進(jìn)行研究。分析尾礦砂粒級分布特征，分層特征相近歸并為同一層，進(jìn)而建立計算模型與地質(zhì)結(jié)構(gòu)分層圖。針對平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，進(jìn)一步將計算模型轉(zhuǎn)變?yōu)槎S數(shù)值模型，并統(tǒng)一采用三角形單元，使用網(wǎng)格檢驗的方法優(yōu)化網(wǎng)格。

(2)修復(fù)尾礦土修復(fù)模型建立：測量不同修復(fù)年限臺階植被修復(fù)深度。通過剪切實驗測量根-土復(fù)合土的相關(guān)力學(xué)指標(biāo)，包括內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角等；測量植物生長狀態(tài)等相關(guān)指標(biāo)，包括植株高度、主根長等指標(biāo)。據(jù)此建立表層生態(tài)修復(fù)區(qū)的根-土復(fù)合土模型和修復(fù)植物結(jié)構(gòu)模型。復(fù)合土定義為實體有限單元、主根為錨固單元、上部修復(fù)植物為點荷載、草本植物為分布荷載。

(3)滲流數(shù)值模擬計算：① 正常水位浸潤線：初期壩為堆石透水壩，并選擇適合的滲透參數(shù)，將堆積壩面作為自由透水面，施加水頭邊界后進(jìn)行相關(guān)計算。對比、擬合實測浸潤線與計算浸潤線，進(jìn)而驗證、反演滲流參數(shù)。如實測浸潤線與計算浸潤線擬合不好，需重新選擇參數(shù)。② 洪水位浸潤線：施加最小干灘長度所對應(yīng)水位的水頭邊界，其他邊界條件不變的條件下進(jìn)行洪水位浸潤線計算。③ 計算正常水位與洪水位浸潤線下的尾礦壩體孔隙水壓力和滲流速度，分析其對壩體穩(wěn)定性的影響。

(4)靜力分析：模型底部加固定約束，左右兩側(cè)加水平約束，選擇合適參數(shù)，分別對正常運行工況和洪水運行工況進(jìn)行靜力穩(wěn)定性計算。

(5)壩體穩(wěn)定性計算：采用畢肖普法進(jìn)行計算，采用《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)的規(guī)定的最小安全系數(shù)。

2.2 模型建立

尾礦庫邊坡穩(wěn)定性分析屬于典型的平面應(yīng)變問題，首先確定模型高度，剖面長度，坡面附加荷載等條件，模擬區(qū)域以(0，0)點為起點，在Y軸方向上確定模型高度的點，剖面長度在X軸方向上確定，連線建立邊坡模型，見圖2，按彈塑性模型考慮，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[15]。

設(shè)置3種試驗?zāi)Ｐ徒l件，分別為壩高、坡比、修復(fù)時間。壩高選取15、30、45、60、80 m；坡比選取1∶3、1∶4、1∶5；修復(fù)時間選取1 a、4 a、10 a，部分模擬計算結(jié)果見圖3a～3d(全部計算結(jié)果見圖4～13)。

2.3 模擬計算結(jié)果及分析

2.3.1 修復(fù)時間分析穩(wěn)定性

上述模型分析均采用畢肖普法計算。模擬計算結(jié)果見圖4～8。由圖可知，在壩高一定的條件下，安全系數(shù)隨著坡比的降低呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。坡比為1∶3、1∶4的處理組，其不同修復(fù)年限的安全系數(shù)無顯著性差異(P>0.05)，坡比為1∶5的處理組則呈現(xiàn)一定差異性(P<0.05)，這說明坡比越大，安全系數(shù)越小，修復(fù)植物根系的固土作用越弱。在壩高和坡比一定時，總體規(guī)律為修復(fù)時間久的模型安全系數(shù)高：修復(fù)10 a>修復(fù)4 a>修復(fù)1 a，且兩種修復(fù)時間之間增加幅度較小，差值大部分在0.02～0.04之間波動，說明植物生態(tài)修復(fù)的年限對尾礦壩體穩(wěn)定性提高效果一般。在坡比與修復(fù)年限相同的條件下，隨著尾礦壩的增高，安全系數(shù)呈降低趨勢。無論坡比與壩高的參數(shù)如何設(shè)定，4 a與1 a相比差異性均不顯著(P>0.05)，個別還出現(xiàn)了1a的安全系數(shù)大于、等于4a的情況，這可能由于尾礦基質(zhì)營養(yǎng)成分差，導(dǎo)致沙棘生長緩慢，從而降低了安全系數(shù)。所有的模擬計算結(jié)果中，尾礦壩安全系數(shù)，在壩高為15 m、坡比為1∶5、修復(fù)10 a的條件下，達(dá)到最高值2.84，分別比相同條件下1 a、4 a安全系數(shù)提高了1.45倍、1.42倍，同時是最小安全系數(shù)的4.8倍，此條件下穩(wěn)定性達(dá)到最大。

2.3.2 坡比分析穩(wěn)定性

模擬計算結(jié)果見圖9～13。在壩高、修復(fù)年限相同的條件下，隨著坡比的減小其安全系數(shù)呈增大趨勢，安全系數(shù)差值集中在0.2～0.8之間，安全系數(shù)計算結(jié)果差異均顯著(P>0.05)，說明坡比大小是影響尾礦壩安全系數(shù)的主要因素。依據(jù)畢肖普法計算，3等尾礦壩最小安全按系數(shù)為1.30，4等和5等尾礦壩最小安全系數(shù)為1.25，由坡比為1∶3的模型可知，當(dāng)壩高為45、60、80 m時，其安全系數(shù)均小于1.25，故為危庫或險庫；坡比1∶4，壩高為15、30、45 m為安全性能良好的尾礦壩，其余模型為危庫或險庫；坡比1∶5的模型安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的最小值，為安全性較高的尾礦壩。上述分析說明坡比對尾礦庫邊坡穩(wěn)定性影響顯著。

3 結(jié)論

(1)植物修復(fù)尾礦壩模型安全系數(shù)的總體規(guī)律為：修復(fù)10 a>修復(fù)4 a>修復(fù)1 a，差值大部分在0.02～0.04之間波動。修復(fù)4 a與修復(fù)1 a效果差異并不顯著。只有當(dāng)坡比為1∶5時，修復(fù)10 a與修復(fù)1 a、4 a尾礦壩安全系數(shù)才有差異性。表明隨著坡比的增大，可能會減弱植物根系固土的效果。

(2)在坡比與修復(fù)年限相同的條件下，隨著尾礦壩的增高，其安全系數(shù)呈降低趨勢。尾礦壩安全系數(shù)，在壩高為15 m、坡比為1∶5、修復(fù)10 a的條件下，達(dá)到最高值2.84，分別比相同條件下1 a、4 a安全系數(shù)提高了1.45倍、1.42倍，同時是最小安全系數(shù)的4.8倍。

(3)在壩高、修復(fù)年限相同的條件下，隨著坡比的減小其安全系數(shù)呈增大趨勢，安全系數(shù)差值集中在0.2～0.8之間，安全系數(shù)計算結(jié)果間差異均顯著(P>0.05)，說明坡比大小是影響尾礦壩安全系數(shù)的主要因素。

(4)坡比大小是影響尾礦壩安全系數(shù)的主要因素，尾礦壩修復(fù)植物可以提高安全系數(shù)，但在修復(fù)植物生長年限短的情況下效果不明顯，且坡比對植物提高尾礦壩安全系數(shù)效果的影響極大。