深厚覆蓋層一次建壩尾礦庫的沉降變形分析

李云清, 李 松(中國恩菲工程技術有限公司,北京 10038)

1 前言

尾礦庫是指用以貯存金屬、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所。尾礦壩是指用于攔擋尾礦和水的尾礦庫外圍構筑物?！斗婪痘馕驳V庫安全風險方案》中要求:新建四等、五等尾礦庫必須采用一次建壩方式。一次建壩是指全部用除尾礦以外的筑壩材料一次或分期建造的尾礦壩[1]。對于青海、甘肅等地區,表層第四系覆蓋層比較厚,且多為砂礫石,覆蓋層地區采用一次建壩的尾礦筑壩形式,覆蓋層的厚度、物理特性,是否液化、是否具有濕陷性等都將會影響壩體的穩定。有的地區覆蓋層很深,能達到將近40 m,將覆蓋層全部挖除,會大幅增加工程投資和延長工程的工期[2-3],但是直接修建在深厚覆蓋層上,尾礦壩的壩基滲漏、沉降變形、壩坡穩定等問題就是亟待解決的問題。尾礦庫通過全庫鋪膜防滲的方法既可以解決尾礦的環保問題也可以保證壩體的滲流穩定,但是在施工期及運行期產生較大的沉降變形,將導致壩體預留超高不足,可能會造成洪水漫頂等問題[4]。

2 工程概況

某尾礦庫位于青海西部,屬于大陸性干旱氣候,庫區內植被稀疏,呈典型的高山荒漠地貌。尾礦壩采用一次建壩,分期建設,庫區內采用全庫鋪設土工膜防滲,尾礦庫使用標高為3 250～3 320 m,最大壩高75.5 m,最終庫容約6 660×104m3,占地面積約2.25 km2,匯水面積為5.061 km2。

一期壩:尾礦壩壩頂高程3 295 m,壩高45 m,壩頂寬8 m,上游坡比1∶2,每隔10 m設一道錨固平臺,寬2 m;下游坡坡比為 1∶2.2,每間隔13 m設一級馬道,馬道寬2 m。內坡腳設置反壓平臺,平臺標高3 258 m,寬40 m,外坡腳設反壓平臺,平臺標高3 256 m,寬95 m。

二期壩:壩頂標高3 310 m,壩60 m,壩頂寬8 m。內坡坡比為1∶2.0;外坡坡比為1∶2.2,每間隔13 m設一級馬道,馬道寬2 m。外坡腳反壓往外延伸55 m。

三期壩:壩頂標3320 m,壩高70 m,壩頂寬8 m。內坡坡比為1∶2.0;外坡坡比為1∶2.2,每間隔13 m設一級馬道,馬道寬2 m。外坡腳反壓平臺往外延伸40 m。

本文以一次建壩的尾礦庫為例,使用Geostudio軟件的SIGMA/W模塊對尾礦壩不同時期、不同清基深度的沉降進行模擬。

3 沉降分析模擬研究

3.1 計算模型及計算軟件介紹

鄧肯—張(Ducan—Chang)模型E-B模型為非線性模型,該模型能較好地反映土體的非線性狀態,概念清楚,易于理解,材料參數只需常規三軸試驗即可確定,并且適用的土類比較廣,所以在巖土工程和土石壩等結構數值分析中得到廣泛應用,成為最普及的本構模型之一[5]。鄧肯-張E-B模型參數可按照式(1)～式(4)進行計算。

鄧肯張E-B模型共7個參數,其中:Et為切線彈性模量;Bt為切線體積模量;c為土體黏聚力;φ為土體內摩擦角;Pa為大氣壓力;Rf為破壞比;k為初始模量系數;n為初始模量指數;Kb為體積模量系數;m為體積模量指數;Kur為卸載模量系數。

計算采用的GEOSTUDIO為一款工程計算仿真商業軟件,有邊坡穩定性分析模塊、滲流分析模塊、巖土應力變形分析等模塊。本文采用巖土應力變形(SIGMA/W)模塊對尾礦壩在深厚覆蓋層上的沉降變形進行模型,SIGMA/W可分析線彈性變形問題和非線性彈塑性有效應力問題。

3.2 計算模型建立

尾礦壩為堆石壩,一期壩體采用分區設計,分為強風化區域和中風化區域,二期及三期壩體全部采用中風化石料堆筑,內外坡腳壓坡采用中風化石料,強風化和中風石料均來自采礦場廢石。

通過Geostudio軟件進行尾礦壩最大斷面的建模,用于模擬壩體及壩基的沉降變形,模型中通過激活不同單元格對壩體施工分層加載以及不同的工況進行計算,共8 318個節點數,單元數8 236個。模型如圖1所示。

圖1 尾礦庫最大斷面圖

3.3 邊界條件

地基采用XY向約束,兩側采用X向約束,壩體與覆蓋層計算采用的鄧肯-張模型的參數見表1,材料參數通過室內三軸試驗取得。

表1 Duncan E-B模型參數

3.4 計算工況

本次計算工況見表2,分別計算一期壩、二期壩、三期壩不同壩高下的不清基、清基深度為5 m,清基深度為10 m的壩體及壩基的沉降變形。每期壩體分10步進行加載,以模擬壩體的分層施工,尾礦庫采用全庫防滲形式,故不考慮浸潤線對于壩體的影響。

表2 計算工況表

3.5 計算結果

(1)當壩基底部不清基工況時,一期壩、二期壩、三期壩壩基沉降等值線如圖2、圖3、圖4所示,沉降值見表3。沉降的最大值位于壩頂,壩頂沉降主要是由大壩堆填體與砂礫石地基的壓縮所引起,砂礫石覆蓋層在大壩堆填體荷載下產生較大的壓縮變形,進而使壩體的沉降量增加,二期壩、三期壩沉降加大主要由于二期壩體、三期壩體的填筑,導致上部荷載增加,進而增加整個壩體的沉降,壩體沉降分布以壩軸線為中心對稱分布,符合基本的沉降變形規律。一期壩壩高47 m,沉降量為1.42 m,占壩高的3.02%;二期壩壩高62 m,沉降量為1.72 m,占壩高的2.77%;三期壩壩高72 m,沉降量為1.92 m,占壩高的2.67%,沉降量均超過壩高的1%,沉降量較大。

圖2 不清基工況一期壩沉降圖

圖3 不清基工況二期壩沉降圖

圖4 不清基工況三期壩沉降圖

表3 各工況壩體各期沉降值

(2)當將壩基底部的清基5 m工況時。一期壩、二期壩、三期壩壩基沉降等值線如圖5、圖6、圖7所示,沉降值見表3。沉降的最大值位于壩頂,以壩軸線為中心呈對稱分布,符合基本的沉降變形規律。一期壩壩高47 m,沉降量為1.38 m,占壩高的2.94%;二期壩壩高62 m,沉降量為1.66 m,占壩高的2.67%;三期壩壩高72 m,沉降量為1.85 m,占壩高的2.57%,沉降量較不清基工況時有所減少,但是沉降量均超過壩高的1%,沉降量較大。

圖5 清基5 m工況一期壩沉降圖

圖6 清基5 m工況二期壩沉降圖

圖7 清基5 m工況三期壩沉降圖

(3)當將壩基底部的清基10 m工況時,一期壩、二期壩、三期壩壩基沉降等值線如圖8、圖9、圖10所示,沉降值見表3。沉降的最大值位于壩頂,以壩軸線為中心呈對稱分布,符合基本的沉降變形規律。一期壩壩高47 m,沉降量為1.34 m,占壩高的2.85%;二期壩壩高62 m,沉降量為1.62 m,占壩高的2.61%;三期壩壩高72 m,沉降量為1.80 m,占壩高的2.50%,沉降量較不清基工況以及清基5 m工況時減少,但效果不明顯,沉降量均超過壩高的1%,沉降量較大。

圖8 清基10 m工況一期壩沉降圖

圖9 清基10 m工況二期壩沉降圖

圖10 清基10 m工況三期壩沉降圖

3.6 公式法計算

尾礦壩壩基沉降計算可以按《碾壓土石壩設計規范》中推薦的方法進行計算。

假定壩基內應力分布從壩基面向下作45°擴散,并每個水平面上按三角形分布,三角形頂點與壩體自重合力作用線吻合,則計算層面上的最大豎向應力按式(5)計算

式中:Pmax——計算層面上的最大豎向應力,kPa;

R——壩自重合力,kN;

B——壩底寬度,m;

y——計算點壩基深度,m。

壩體和壩基的最終沉降量可用式(6)估算

式中:S∞——壩體或壩基的最終沉降量;

Pi——第i計算土層由壩體荷載產生的豎向應力;

Ei——第i計算土層的變形模量;

hi——第i計算土層的厚度。

壩基土層主要為細砂、粗砂、礫砂和角礫,不同深度的壩基土層的變形模量按表4取值。

表4 壩基土層變形模量統計表

計算未清基工況下,各期壩體側沉降值,見表5。

表5 尾礦壩沉降計算結果表

一期壩軟件計算與公式計算結果相差0.02 m,結果基本相同;二期壩軟件計算與公式計算結果相差0.17 m,公式計算沉降值較大;三期壩軟件計算與公式計算結果相差0.23 m,公式計算沉降值較大。

3.7 結果分析

(1)根據沉降變形結果,不清基工況工況、清基5 m工況、清基10 m工況下,一期壩、二期壩、三期壩的沉降變形量較大,均超過了壩高的1%。隨著清基深度的增加,壩體的沉降變形量有所減少,清基10 m工況下僅僅比不清基工況下初期壩沉降減少0.07 m,二期壩沉降減少0.11 m,三期壩沉降減少0.11 m,但是效果不明顯,如果繼續加大壩體清基深度,壩體的沉降會有所減少,但由于覆蓋層的天然承載力較低,清基的深度并不是減少壩體沉降的主要因素,在施工時只需將表層的特殊土層清除即可。

(2)本項目壩體所在區域表層覆蓋有濕陷性土層,為特殊土,本次計算時并沒有考慮表層的濕陷性土層,此部分土層遇水時將會產生很大的變形,故本工程壩體區域采用清基5 m,將表層的濕陷性土層全部挖除,然后對地基進行碾壓,這樣可以有效的減少壩體的沉降變形。

(3)對比GEOSTUDIO軟件與公式計算結果,一期壩兩者計算的結果基本相同,二期壩和三期壩兩者的計算結果相差較大,主要原因為軟件計算時考慮了壩體施工時分步加載以及前期壩體施工對于后期壩體沉降的影響,公式計算時默認為一次性加載,故軟件計算結果較為合理,公式法計算方便,可以用來初步估算壩體沉降值。

4 結論

(1)對于承載力較低而厚度較深的覆蓋層,增加清基開挖深度可減少壩體及壩基的沉降,但效果不明顯,而把覆蓋層全部清除會大幅增加工程投資和延長工程的工期。

(2)深厚覆蓋層對于一次建壩尾礦庫壩體沉降影響很大,在尾礦壩設計時應充分考慮超高,在壩體施工完成,壩體沉降基本完成后,保證壩頂標高滿足設計要求。

(3)建議對于在深厚覆蓋層的尾礦壩壩體基礎減少開挖,只需將表層特殊土進行處理,處理后進行碾壓夯實。

(4)為減少壩體及壩基沉降,可對深厚覆蓋層進行工程處理,如挖除置換、重錘夯實,排水固結、振沖加密、帷幕灌漿等,改善土體的物理力學性質,滿足建筑物對其承載力、變形、穩定性等要求。