地震作用下高尾礦壩動力穩定性分析

李崢祥 于忠鋒

（長沙有色冶金設計研究院有限公司）

尾礦庫是用以貯存金屬、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所。尾礦壩是指攔擋尾礦和水的外圍構筑物，通常指初期壩和尾礦堆積壩的總體［1］。尾礦庫是重大危險源，存在壩體失穩破壞的可能，這將會威脅周圍居民及設施安全，帶來諸多環境和災害問題［2］。尾礦庫在地震作用下，砂土、粉土等的液化導致抗剪強度降低，更容易發生潰壩。國內外專家進行了廣泛研究，如Newmark［3］、Seed［4］、Finn、美國國家研究委員會NRC、謝定義［5］、Ishihara［6］，這些研究為地震作用下壩體動力穩定性提供了理論基礎。本文采用加拿大巖土軟件公司的Geo-studio軟件進行動力穩定性分析，對現行尾礦庫安全性做出評價，以期為其他尾礦庫安全設計提供參考。

1 尾礦庫基本情況及數值模擬計算

1.1 尾礦庫基本情況介紹

某高尾礦庫位于河南西部山區，屬于山谷型尾礦庫，初期壩為碾壓堆石壩，設計壩頂標高1 270 m，壩高60 m，壩頂寬4 m，上下游壩坡坡比均為1∶2.0，壩軸線長約160 m；后期采用尾砂上游法筑壩，標高1 270～1 370 m尾砂平均堆積邊坡為1∶4；標高1 370 m至最終堆積標高1 470 m尾砂平均堆積邊坡為1∶5，總堆積高200 m，尾礦庫總壩高260 m，總庫容約4 270×104m3，有效庫容約3 850×104m3，為二等庫。根據《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）要求對尾礦壩抗滑進行專門的動力抗震計算。

1.2 尾礦壩有限元模型建立

壩體抗滑穩定計算采用Geo-Studio軟件進行分析，計算采用該軟件中的Slope模塊。根據工勘資料，選取位于尾礦庫主溝底的鉛直剖面為計算剖面，浸潤線情況采用工勘實測資料，取底面高程為+1 181 m，頂部高程為+1 351 m，水平距離為810 m，建立計算有限元模型，有限元網格共有5 956個節點，6 868個單元，具體有限元網格剖分見圖1。

1.3 計算參數的選取

根據工勘資料給出了尾礦庫各土層物理力學參數的建議值。其中尾粉質黏土的內摩擦角建議值為22°，高于規范上的建議值16°，說明該尾粉質黏土固結情況較好，其物理力學參數在固結過程中有所提高，參考相關工程經驗偏安全考慮，本次尾礦庫壩體穩定計算時尾粉質黏土內摩擦角按20°考慮，動力計算時初期壩及尾砂的物理力學指標見表1。

1.4 地震加速度的輸入

該庫區所處地區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第1組。根據《構筑物抗震設計規范》（GB50191—2012），6度地震區的2級尾礦庫在壩體穩定計算時可只考慮水平向地震作用。在進行本次壩體動力計算時，采用與該場地條件相近的一條水平向地震波，地震波時間間隔均為0.02 s，其地震波持續時間為16 s，并將地震加速度時程的峰值調整為場地基本加速度值0.05g，再作為輸入地震波曲線。計算采用的地震波形見圖2。

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2 動力分析計算結果及分析

2.1 反應加速度

壩體不同時刻同一位置加速度反應不同，壩體不同位置同一時刻地震加速度反應亦不同。選取地質加速度最大時刻7.86 s，加速度比較大的位置集中在初期壩上游壩坡和堆積壩壩頂正下方庫底尾粉土層；最大加速度值為0.084g，位于初期壩上游壩坡面中部，壩體各點加速度響應分布見圖3。

2.2 位移變化

地震作用下從堆積壩壩坡頂部向堆積壩壩下游和庫尾方向水平向位移逐漸減小。壩體水平向位移隨土層埋深增加逐漸減小，最大水平向位移為0.006 6 m。壩體水平向位移分布見云圖4。

2.3 液化分析

砂土或粉土受地震力作用，土體積縮小、孔隙壓力劇增，從而使有效應力減小。土抗剪強度迅速減小或完全喪失抗剪強度，土體像液體一樣流動或噴出地面，形成液化［7］。經過計算，尾礦壩在峰值加速度為0.05g的水平地震波作用下不會發生液化，循環應力比分布見圖5。根據壩體循環應力比分布圖可知，在初期壩下游浸潤線逸出處周圍及堆積壩庫尾沉積灘處是易液化區。在尾礦庫運行中，應注意降低初期壩下游浸潤線以提高壩體穩定。上游庫尾容易液化區范圍較小且距離壩體較遠，對壩體穩定影響較小。

2.4 安全穩定性分析

在持續一定時間的地震波作用下，地震慣性力的方向和幅值都隨時間不斷發生改變，壩坡的瞬時安全系數和臨界破壞面的位置與形狀都隨時間不斷變化。為了較為準確地模擬地震作用下壩坡穩定的時間效應，就需要對壩體進行時間域上的動力有限元分析［8］。圖6給出了尾礦壩壩坡抗滑穩定最小安全系數隨時間變化的時程曲線。由圖6可見，時間0 s時，安全系數為1.719，之后安全系數一直維持在1.430～1.438，均大于《尾礦設施設計規范》地震工況下最小安全系數1.15。安全系數最小值出現在16 s，地震各歷時安全系數均大于1.0，地震過程中不會發生瞬時失穩滑動，該尾礦庫為正常庫。

3 結 語

（1）河南西部山區某二等尾礦庫尾礦壩加速度比較大的位置集中在初期壩上游壩坡和堆積壩壩頂正下方庫底尾粉土層。

（2）壩體水平向位移從堆積壩壩坡頂部呈放射狀逐漸減小，最大水平向位移為0.006 6 m。

（3）在峰值加速度為0.05g的水平地震波作用下不會發生液化，壩下游浸潤線逸出處周圍及堆積壩庫尾沉積灘處是易液化區。在尾礦庫運行中應注意降低初期壩下游浸潤線以提高壩體穩定。

（4）地震作用下不同歷時安全系數一直維持在1.430～1.438，最小值出現在16 s，地震各歷時安全系數均大于1.0，地震過程中不會發生瞬時失穩滑動，故此尾礦庫屬于正常尾礦庫。