某尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值分析

高振興

摘 要：運用大型通用軟件ANSYS，基于強度折減理論，對某尾礦壩邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，得出該尾礦壩的安全系數(shù)，并提出一些對策措施，為企業(yè)安全管理指明方向。

關(guān)鍵詞：尾礦壩 ANSYS 穩(wěn)定

中圖分類號：X913.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）006-011-02

尾礦庫是礦山三大設(shè)施之一，它的安全狀態(tài)直接關(guān)系到下游居民及設(shè)施的安全。近年來，我國尾礦庫重大事故頻發(fā)，給人民的生命和財產(chǎn)安全造成了嚴重的損失。通過對以往的事故總結(jié)可以得出：壩坡失穩(wěn)為尾礦壩事故中最主要的破壞形式。引入ANSYS軟件來進行數(shù)值分析，能夠更加準確的判斷出尾礦壩的安全性。

1 某尾礦壩基本情況介紹

某尾礦庫位于河南省汝陽縣，屬山谷型尾礦庫，設(shè)計總壩高131m，總庫容797.42萬m3。初期壩為透水堆石壩，壩高31m，上游坡比1：1.75，下游坡比1：2.0；后期堆積壩采用上游法堆筑，壩高100m，每期子壩高3m，總體堆積壩外坡1：4.0。根據(jù)標準該尾礦庫為三等尾礦庫，該尾礦庫目前已堆積至第6道子壩，壩頂標高698.5m左右，現(xiàn)堆積壩壩坡總體坡比為1：3.88。

2 基于ANSYS的尾礦壩穩(wěn)定性分析

2.1 計算工況及參數(shù)選取

（1）計算工況。該尾礦庫所在區(qū)域地震基本烈度為6度，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，可不進行抗震計算，只進行靜力條件下穩(wěn)定計算，即正常、洪水運行兩種工況。選擇該尾礦壩實測的典型斷面Ⅱ-Ⅱ′，計算現(xiàn)狀壩高698.5m和最終壩高780m的穩(wěn)定性?？紤]到尾礦庫逐層堆高的特性，在現(xiàn)狀壩頂基礎(chǔ)上，分20m一層向上加載，即720m、740m、760m，一直到780m。

根據(jù)規(guī)定，三等尾礦庫（上游式）最小灘長70m，最小安全超高0.7m。該尾礦壩目前正常水位為697.67m，庫區(qū)干灘長度約50m，所以該尾礦壩的干灘長度及安全超高均不滿足規(guī)定。

該尾礦壩整體浸潤線較高，且初期壩內(nèi)的浸潤線還高于后期堆積壩，即存在“翹尾巴”的情況。初步推斷：該尾礦壩的后期堆積壩與初期壩之間的土工布發(fā)生了淤堵，造成了整個壩體下部的浸潤線雍高。

采用AutoBank6.0對浸潤線進行模擬試算，直至模擬的浸潤線和實測結(jié)果基本一致。然后將試算得出的滲透系數(shù)帶入其它情況進行模擬計算，得出的結(jié)果直接加入ANSYS計算。

（2）計算參數(shù)的選取。根據(jù)工程地質(zhì)勘察原位測試結(jié)果、室內(nèi)土工試驗成果以及同類尾礦壩經(jīng)驗，綜合確定土層的物理力學參數(shù)，詳見表1。

2.2 計算模型的構(gòu)建

在ANSYS11.0中選擇PLANE82單元，采用標準國際單位。實體模型在AutoCAD中建立，然后導入ANSYS中。網(wǎng)格大小控制在2m，采用ANSYS自動劃分。最終壩高時面數(shù)為25個，單元數(shù)為9823個，節(jié)點數(shù)為101908個。對模型兩邊施水平方向的約束，底部施加水平和豎向約束。邊坡只受重力的影響，忽略庫尾地段少量尾礦水荷載的作用。

本次采用強度折減法來進行安全系數(shù)的計算，同時對和進行折減，每折減一次就運算一次，直到認為邊坡已經(jīng)破壞為止。采用塑性區(qū)的貫通作為判定邊坡失穩(wěn)破壞的依據(jù)。

壩體的分層加載在ANSYS中通過生死單元來實現(xiàn)。在分析最終壩高的穩(wěn)定性時，先計算現(xiàn)狀壩體，然后激活從現(xiàn)狀到720高程內(nèi)的單元，再進行計算，如此反復，直至計算完所有的地層，此時得到的應(yīng)力場就是分層加載的應(yīng)力場。

3 結(jié)果分析及建議

運用前面的模型以及土體的物理力學參數(shù)，遵照前面的設(shè)定進行計算。得出該尾礦壩在各種情況下的最小安全系數(shù)如表2所示。

表2 壩體穩(wěn)定性計算成果表

從計算結(jié)果來看：該尾礦壩在現(xiàn)狀情況下，正常和洪水運行時，最小安全系數(shù)分別為1.57和1.54；在設(shè)計壩高情況下，正常和洪水運行時，最小安全系數(shù)分別為1.22和1.18，均滿足規(guī)范要求。

通過研究尾礦壩邊坡計算過程可以發(fā)現(xiàn)：塑性區(qū)首先出現(xiàn)在庫內(nèi)灘面，隨著折減系數(shù)的增大，塑性區(qū)域逐漸擴大并向下發(fā)展，達到一定程度時，下游壩坡處也開始出現(xiàn)塑性區(qū)，兩者共同發(fā)展，塑性區(qū)很快貫通，整個邊坡發(fā)生破壞。

針對該尾礦壩的實際情況結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，提出以下建議：

（1）目前后期堆積壩整體坡度陡于設(shè)計，應(yīng)在堆筑下一道子壩時將馬道寬度加寬，以調(diào)整整體坡度，使之達到設(shè)計值1：4的要求。以后要嚴格按照設(shè)計及規(guī)范要求堆筑后期子壩。

（2）該尾礦庫的干灘長度和安全超高都不滿足規(guī)范要求，企業(yè)應(yīng)盡快對此情況作出整改，降低庫內(nèi)水位，以保證壩體安全。

（3）根據(jù)工勘實測的浸潤線數(shù)據(jù)分析，可以得出初期壩位置發(fā)生了淤堵，從而雍高了壩體內(nèi)部的浸潤線，對壩體穩(wěn)定不利。企業(yè)應(yīng)盡快查明該處的實際情況，并采取有效的措施予以治理。另外，建議在壩面上增設(shè)排滲設(shè)施，如大口輻射井等，以控制浸潤線的高度。

（4）加強日常的安全管理，注重提高職工的安全意識，同時應(yīng)加強尾礦庫的監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況應(yīng)立即處理。

4 結(jié)論和展望

（1）基于強度折減理論的有限元軟件ANSYS能夠很好的適應(yīng)尾礦壩的穩(wěn)定性分析，它考慮了土體本身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，使計算更加切合實際，結(jié)果也更令人信服，且計算過程中不需要事先設(shè)定滑裂面位置和形狀。

（2）基于ANSYS11.0，運用強度折減理論，對該尾礦壩不同情況下的邊坡穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析，得出最小安全系數(shù)，認為該尾礦壩壩邊坡的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，并提出了針對性的建議措施。

（3）通過研究尾礦壩邊坡計算過程可以發(fā)現(xiàn)：塑性區(qū)首先出現(xiàn)在庫內(nèi)灘面，隨著折減系數(shù)的增大，塑性區(qū)域逐漸擴大并向下發(fā)展，達到一定程度時，下游壩坡處也開始出現(xiàn)塑性區(qū)，兩者共同發(fā)展，塑性區(qū)很快貫通，整個邊坡發(fā)生破壞。

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