Midas—GTS軟件在尾礦庫滲流穩(wěn)定計算中的應用

摘 要：針對尾礦庫的滲流穩(wěn)定計算問題，以尾礦壩工程為例，應用Midas-GTS有限元分析軟件，進行三維建模和數(shù)值分析，確定壩體浸潤線位置和穩(wěn)定性，并驗證結(jié)果的可靠性。

關鍵詞：Midas-GTS； 尾礦庫； 滲流； 穩(wěn)定； 強度折減法；

中圖分類號：F416.32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-05-00274-02

尾礦庫是金屬非金屬礦山的重大危險源，安全問題已成為各國政府和礦山企業(yè)所關注的重大課題。據(jù)有關資料分析，洪水漫壩、潰壩、排洪系統(tǒng)失效、滲流破壞、邊坡失穩(wěn)、地震液化等，都是尾礦壩的主要致險因素[1]。其中大約40%的尾礦壩事故是由滲流破壞和邊坡失穩(wěn)引起的。新版的尾礦設施設計規(guī)范對尾礦壩的滲流穩(wěn)定計算問題提出更高的要求。因此，研究尾礦壩的浸潤線位置和邊坡穩(wěn)定問題至關重要。本文引用Midas-GTS軟件對尾礦壩二維、三維滲流和穩(wěn)定進行了計算分析，為今后的尾礦壩的設計提供參考。

一、Midas-GTS軟件簡介

Midas-GTS是針對巖土工程而開發(fā)的有限元分析軟件，該軟件具有簡潔的界面，強大的前后處理功能、豐富的巖土材料模型庫，能滿足大部分巖土體的滲流和穩(wěn)定數(shù)值模擬，因此用此軟件對尾礦壩進行二維、三維建模分析，比較接近真實情況，且計算結(jié)果相對安全可靠。

GTS模塊是包含施工階段的應力分析和滲流分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能的通用分析軟件，是經(jīng)過驗證的各種分析功能、快速準確的有限元求解器、CAD水準的三維幾何建模功能、自動劃分網(wǎng)格、映射網(wǎng)格等高級網(wǎng)格劃分功能、方便快速的隧道建模助手、大模型的快速顯示和最優(yōu)的圖形處理功能、適合于windows操作環(huán)境的最新的用戶界面系統(tǒng)、使用最新圖形技術表現(xiàn)分析結(jié)果、計算輸出功能。Midas-GTS中提供的分析功能有靜力分析、施工階段分析、滲流分析、滲流-應力耦合分析、固結(jié)分析、穩(wěn)定分析、動力分析等[3]。

二、尾礦庫概況

某尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，該尾礦庫初期壩壩頂寬4.0m，壩高20.0m，壩軸線長100.0m，上游坡比為1：2.0，下游坡比為1：2.0。堆積壩高100.0m，坡比為1：4.0，灘長500.0m，平均坡比1：100，洪水期最小干灘長100.0m，正常運行期最小干灘長250m，屬于二等尾礦庫。尾礦庫區(qū)松散土層為第四系人工尾礦堆積物，以尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土為主，基底及岸坡地層為第四系殘坡積、沖洪積成因的碎石土、卵石等組成。尾礦壩堆積體分區(qū)復雜，根據(jù)顆粒粗細程度和尾礦固結(jié)度以及參考徐宏達教授級高工的概化分區(qū)方法[4]進行區(qū)域劃分，圖1為尾礦壩典型剖面。

三、有限元強度折減法的基本原理

極限平衡法是土坡穩(wěn)定分析中的傳統(tǒng)方法，基于強度折減的有限元法用于邊坡穩(wěn)定分析是較新的方法。有限元強度折減法的基本原理[5]是將坡體強度參數(shù)粘聚力C和內(nèi)摩擦角值同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的C1、值，即經(jīng)過折減后的抗剪強度指標為：

然后將C1、作為新的計算參數(shù)輸入，再進行試算，當計算不收斂時，對應的F被稱為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時坡體達到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時可以的到坡體的破壞滑動面。

四、模型的建立

結(jié)合壩體材料分區(qū)，采用Midas-GTS巖土工程分析軟件進行大壩的建模并剖分網(wǎng)格。建立計算模型坐標系，規(guī)定為：X軸為沿水平方向，垂直于初期壩壩軸線，指向上游為正，取初期壩外坡坡腳為坐標原點；Y軸為垂直方向，向上為正，取初期壩外坡坡腳為零點；Z軸為初期壩壩軸線方向，與溝谷正交，正方向指向左岸，取最右端斷面處為Z軸零點。二維、三維有限元模型見圖2、圖3。二維網(wǎng)格共有節(jié)點22265，單元21854；三維網(wǎng)格共有節(jié)點76965，單元73500。模型計算參數(shù)見下表1。

圖4、圖6為Midas-GTS有限元軟件計算的二維壩體在正常運行期和洪水期的浸潤線圖。由圖可知，尾礦壩干灘長度對浸潤線的埋深影響很大，干灘長度越短，尾礦壩浸潤線埋深越淺，就越容易引起滲流破壞和壩坡失穩(wěn)，因此，時刻監(jiān)測和控制干灘長度至關重要，需按設計要求嚴格執(zhí)行。

圖5、圖7為理正軟件計算的壩體在正常運行期和洪水期的浸潤線圖。理正計算的壩體浸潤線的位置基本上與Midas-GTS軟件的計算結(jié)果一致，結(jié)果是準確的，因此，將Midas-GTS軟件應用于尾礦壩的滲流計算是合理可行的。

圖8、圖9為Midas-GTS有限元軟件計算的三維壩體在正常運行期和洪水期的浸潤面圖。三維計算結(jié)果與二維計算結(jié)果基本一致，結(jié)果是合理的。

六、穩(wěn)定計算結(jié)果分析

從圖10～圖15可以看出強度折減法計算得到的最危險滑裂面和極限平衡法得到的最危險滑裂面位置基本一致，均在堆積壩外坡、初期壩以上滑出，并且用強度折減法計算的二維和三維滑裂區(qū)域也基本一致，從而說明本工程的最危險滑裂面計算的位置是準確的。從表2中可以看出，強度折減法的安全系數(shù)值與極限平衡法的安全系數(shù)值相差較小，安全系數(shù)計算結(jié)果是正確的。極限平衡法計算得出的安全系數(shù)略小于有限元法計算得出的安全系數(shù)，其原因是有限元計算沒有過多的假設條件，因此運用極限平衡法進行計算將略偏于安全，而且極限平衡法不能進行三維邊坡穩(wěn)定計算，所以，有限元法將越來越廣泛的應用于工程實際，而Midas-GTS軟件可以很好的解決這一問題。

七、結(jié)論

Midas-GTS軟件計算尾礦壩的滲流穩(wěn)定結(jié)果和理正軟件基本吻合，而且Midas-GTS軟件可以進行三維滲流穩(wěn)定計算，能更好的模擬工程實際，得到更精確的結(jié)果，具有很好的實用性，為工程設計提供更多的依據(jù)。

參考文獻：

【1】徐宏達.我國尾礦庫病害事故統(tǒng)計分析[J].工業(yè)建筑，2001，31（1）：69-71

【2】柴建設，王姝等.尾礦庫事故案例分析與事故預測[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011

【3】Midas-GTS 03Analysis Reference[R].北京邁達斯技術有限公司，2007

【4】徐宏達.上游式尾礦壩的沉積規(guī)律[J].有色礦山，2003，32（5）：40-49

【5】殷宗澤等. 土工原理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007