尾礦壩地震液化簡易分析方法研究

王立彬 蒙 萌 劉 碩 劉新剛 田文高 王明明

(1.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司；2.銅源國際工程設計研究有限公司；3.鞍鋼礦業有限公司齊大山選礦廠)

我國絕大多數尾礦庫均采用上游法筑壩，上游法尾礦壩一般采用水力沖積法筑壩，壩體浸潤線一般均較高，大部分壩體處于飽和狀態，地震時易發生液化，導致壩體破壞失穩。鑒于尾礦壩地震液化帶來的重大危害，尾礦壩地震液化問題已成為尾礦庫工程抗震研究的一個熱點課題[1]。目前，我國尾礦壩地震液化穩定分析主要有簡化判別法和有限元數值分析法[2]。簡化判別法相對簡單，但現有簡化方法考慮的因素較多，計算過程相對繁瑣；數值分析法相對復雜，對于一般設計人員及工程技術人員不易掌握應用，且數值分析法不易尋求合理的本構關系，也不方便正確地選取土層物理力學參數，計算結果定量應用目前還存在一定的困難[3]。上游法尾礦壩發生液化的主要原因是飽和壩體(浸潤線以下壩體)在地震波作用下，產生的超靜孔隙水壓力大于浸潤線以上壩體的有效覆蓋壓力。有關計算結果表明，壩坡非液化上覆土層的存在對尾礦壩體有減震效果[4]。本研究通過計算尾礦壩浸潤線埋深，判定尾礦壩是否發生地震液化，此方法易于設計人員及工程技術人員掌握應用，可為尾礦壩地震液化分析提供參考。

1 有效覆蓋壓力

有效覆蓋壓力是指尾礦壩體浸潤線以上尾礦砂的有效質量。上覆尾礦砂厚度越大，有效覆蓋壓力就越大，有效覆蓋壓力越大越不容易發生地震液化。只有當下部飽和尾礦砂聚集起的超靜孔隙水壓力大于上覆尾礦砂的有效壓力時，下部飽和尾礦砂才可能發生震動液化。埋深大的飽和尾礦砂較埋深小的飽和尾礦砂難以液化，對于直接出露于外壩坡的飽和尾礦砂最易液化[5]。有效覆蓋壓力參考界限值按表1選取。

表1 砂土液化界限值參考[6]

有效覆蓋壓力可按下式計算(見圖1)：

圖1 有效覆蓋壓力

σ=(Hs-h0)γf+h0γs，

(1)

式中，σ為有效覆蓋壓力，t/m2；Hs為飽和尾礦砂埋置深度，m；h0為壩體浸潤線深度，m；γf為飽和尾礦砂的浮容重，t/m3；γs為飽和尾礦砂的濕容重，t/m3。

2 計算實例及結果分析

2.1 工程概況

某尾礦庫為山谷型尾礦庫，初期壩為透水堆石壩，壩高18.0 m，壩底標高157.0 m ，壩頂標高175.0 m，尾礦壩最終堆積標高230.0 m，總壩高73.0 m，計算總庫容為275.86萬m3，等別為三等庫。庫區內地層結構自上而下分別為第四系覆蓋土層、太古界遷西群三屯營組二段角閃斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖。場區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。

2.2 模型建立

該尾礦庫入庫尾礦粒度組成見表2。新建尾礦壩斷面根據顆粒粗細程度和尾礦的固結度進行概化分區[7]，建立有限元分析計算模型見圖2，模型參數見表3。

表2 尾礦粒度組成

圖2 計算模型

表3 模型參數

2.3 壩體浸潤線計算

庫內控制水位由調洪演算確定，計算采用河海大學開發的AutoBank 7.0軟件，計算成果見圖3。

圖3 壩體浸潤線計算成果

2.4 有效覆蓋壓力計算

根據壩體浸潤線計算成果圖，可確定壩體浸潤線最小埋深為6.25 m及對應飽和尾粉砂埋置深度為13.54 m，將各參數帶入上述公式，可得：

σ=(Hs-h0)γf+h0γs

=(13.54-6.25)×0.87+6.25×1.85

=17.90 t/m2=1.79 kg/cm2.

根據計算結果可知，σ=1.79 kg/cm2，大于表1中所查得的數據1.0 kg/cm2，故可初步判定該壩體不存在地震液化現象。

2.5 壩體地震穩定分析

根據《構筑物抗震設計規范》[8](GB 50191—2012)要求，尾礦壩地震穩定分析采用擬靜力法，按圓弧法進行驗算。計算采用瑞典圓弧法和總應力法，計算參數見表3，計算成果見圖4。

圖4 壩體地震穩定計算成果

由計算結果可知，壩體地震穩定計算最小安全系數Fs=1.131大于規范[8]所要求的最小安全系數1.10，由此表明，在地震運行工況下，壩體抗滑穩定安全系數滿足規范規定的要求。

3 結論與建議

本研究介紹了一種尾礦壩地震液化簡易分析方法，即通過確定尾礦壩浸潤線埋深，計算壩體浸潤線以下飽和尾礦砂層的有效覆蓋壓力，當下部飽和尾礦砂聚集起的超靜孔隙水壓力大于上覆尾礦砂的有效壓力時，下部飽和尾礦砂才會可能發生震動液化。此方法易于設計人員及工程技術人員掌握應用，可為尾礦壩地震液化分析提供參考。當下部飽和尾礦砂聚集起的超靜孔隙水壓力大于上覆尾礦砂的有效壓力時，可采取以下措施減少和防止地震液化的可能性：①對尾礦堆積壩設置有效的排滲設施，以降低壩體浸潤線，加速尾礦砂層固結，增加密實度；②采取尾礦分級措施，可增加尾礦透水性，加速壩體固結；③在尾礦堆積壩坡上加壓廢石增加有效覆蓋壓力，可提高抗液化能力。