白山金礦尾砂堆積壩壩體靜力、動(dòng)力穩(wěn)定分析研究

單麗影

（吉林省水利水電工程局第五工程處，吉林 長(zhǎng)春 130012）

目前，尾礦壩研究主要集中于安全與環(huán)境兩個(gè)方面。相關(guān)研究基本上都是圍繞尾礦壩穩(wěn)定性以及由潰壩引發(fā)出的壩體堆筑、排滲、地震液化、環(huán)境污染等展開(kāi)的。在這些有關(guān)尾礦壩穩(wěn)定性的研究成果中，大多是針對(duì)某一特定的尾礦庫(kù)，利用公式驗(yàn)算和借助計(jì)算程序，對(duì)壩體進(jìn)行了安全穩(wěn)定性分析計(jì)算。而在這些研究中有關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)研究細(xì)粒尾礦堆積壩穩(wěn)定性的資料基本為空白。就細(xì)粒尾礦而言，因其尾礦顆粒細(xì)，其力學(xué)性質(zhì)較一般尾礦差，給筑壩帶來(lái)更大的困難，增加了壩體滑坡，液化失穩(wěn)的危險(xiǎn)性。到目前為止，系統(tǒng)地對(duì)細(xì)粒尾礦筑壩穩(wěn)定性進(jìn)行研究在國(guó)內(nèi)外基本上是一個(gè)空白。本研究選用吉林省白山金礦尾砂堆積壩為目標(biāo)，對(duì)其壩體靜力、動(dòng)力穩(wěn)定進(jìn)行分析，以其為細(xì)粒尾礦筑壩穩(wěn)定性研究提供借鑒。

1 基本方程及計(jì)算方法

壩體穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧滑動(dòng)法。作為平面問(wèn)題處理，分析這些圓弧內(nèi)土體繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，具體計(jì)算時(shí)為了方便，通常采用條分法。對(duì)于滑動(dòng)土體中滲流水壓力對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響一般采用“等值力矩法”計(jì)算。土體破裂面上抗剪強(qiáng)度服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

瑞典圓弧條分法計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的表達(dá)式為：

式中：ci，φi為裂面上土體的粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角；bi為土條寬度；li為滑裂面的長(zhǎng)度；γ，γ謖，γm分別為土體的天然容重，浮容重和飽和容重；h1i，h2i，h3i分別為第i土條中浸潤(rùn)線(xiàn)以上、浸潤(rùn)線(xiàn)與下游水位之間和下游水位以下土條的高度；αi為第i土條滑弧面中心和瞬時(shí)滑弧圓心連線(xiàn)與垂線(xiàn)之間的夾角。

為了分析尾礦壩在7度地震作用下壩坡的穩(wěn)定性，采用擬靜力法將地震時(shí)所產(chǎn)生的水平和豎向地震慣性力作為擬靜力作用在各個(gè)土條的重心處，與其它荷載組合進(jìn)行計(jì)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)用下式計(jì)算：

式中：Qi為作用于土條重心處的地震慣性力，Qi=KhCZGiail；Kh為水平向地震系數(shù)；CZ為綜合影響系數(shù)，取值0.25；ai為地震加速度分布系數(shù)；Gi為計(jì)算土條的土重；M0為水平向地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為瞬時(shí)圓心半徑；Ci，φi為土體在地震作用下的粘滯力和內(nèi)摩擦角；

2 計(jì)算模型、參數(shù)選擇、邊界條件

（1）計(jì)算模型的建立。計(jì)算模型如圖1所示，向庫(kù)區(qū)內(nèi)延伸的長(zhǎng)度122.8m，用于安全超高6.23m的工況。

圖1 尾礦壩計(jì)算模型

（2）參數(shù)選擇。在穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中，尾礦初期壩壩體材料的靜、動(dòng)力計(jì)算參數(shù)按長(zhǎng)春有色勘查設(shè)計(jì)院試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取值，堆石的緊密容重為20.5kN/m3，摩擦角34°，凝聚力0kPa；尾壩堆積體材料的靜、動(dòng)力計(jì)算參數(shù)按試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取值，尾礦的固結(jié)容重為14.9kN/m3，飽和容重為17.5kN/m3，由三軸不排水剪試驗(yàn)得到總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)為：摩擦角30.3°，凝聚力55.9kPa；由三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)得到有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)為摩擦角29.6°，凝聚力12.1kPa。初期壩底碎石容重20.5kN/m3，摩擦角32°，凝聚力5kPa；這三種材料的強(qiáng)度均為有效強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，最高洪水位為795.0m，則相應(yīng)的干灘長(zhǎng)度為122.8m。

（3）計(jì)算工況。對(duì)于靜力穩(wěn)定計(jì)算，考慮的荷載為壩體自重和孔隙水的浮力。對(duì)于動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算，荷載組合為筑壩期正常洪水位所產(chǎn)生的浮力+壩體自重+地震荷載，在122.8m、341.0m兩種干灘情況下，分別進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

計(jì)算中浸潤(rùn)線(xiàn)位置由滲流數(shù)值分析確定，地震荷載當(dāng)作擬靜力施加到壩體上，水平地震動(dòng)為0.2g，豎向地震動(dòng)是水平的2/3。

3 計(jì)算結(jié)果

圖2 最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑弧圓心和滑弧位置

（1）靜力穩(wěn)定計(jì)算。最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑弧圓心和滑弧位置如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑弧均位于初期壩基以下，這表明初期壩地基的穩(wěn)定性較差，但安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)允許值1.10（洪水運(yùn)行）及1.2（正常運(yùn)行）。

（2）動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算。最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑弧圓心和滑弧位置如圖3所示。如圖3可見(jiàn)，最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑弧均位于初期壩基以下，這仍表明初期壩地基的穩(wěn)定性較差，但安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)允許值1.05（特殊運(yùn)行）。

圖3 最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑弧圓心和滑弧位置

4 結(jié)語(yǔ)

靜力穩(wěn)定的安全系數(shù)和動(dòng)力穩(wěn)定的安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)值，所以可以認(rèn)為在靜力、動(dòng)力情況下，吉林省白山金礦尾砂堆積壩壩體均能保持穩(wěn)定。