爆破對(duì)上游式尾礦庫(kù)初期壩影響的模擬研究

余德運(yùn) 呂淑然 秦 花

(1．武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430073;2．首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京100070;3．爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

上游式尾礦筑壩是在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式［1］，這是我國(guó)目前普遍采用的方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有色金屬礦山的尾礦庫(kù)有85%是采用該方法筑壩［2-3］。作為尾礦堆積壩的排滲或支撐體的初期壩，其幾何尺寸一般根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)定。按照設(shè)計(jì)規(guī)范，要求其最小高度能保證有效庫(kù)容滿足堆存半年以上選廠排放的尾礦量。在初期壩的設(shè)計(jì)中，只要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的最小高度就可以。初期壩的筑壩材料是可選擇的，目前大多采用塊石材料，形成塊石透水壩，也有企業(yè)直接選用黏土材料修筑初級(jí)壩。黏土材料含水量較高，在礦山開采爆破震動(dòng)條件下，能夠?qū)е鲁跗趬勿ね林w液化，抗剪強(qiáng)度降低［4-5］，穩(wěn)定性下降而造成潰壩災(zāi)害;另外，爆破振動(dòng)慣性力作用會(huì)使初級(jí)壩坡面整體下滑力增大，結(jié)果導(dǎo)致邊坡動(dòng)力失穩(wěn)［6-8］。因此，研究黏土初級(jí)壩對(duì)采場(chǎng)爆破震動(dòng)的響應(yīng)問(wèn)題，具有重要的工程意義。而數(shù)值模擬方法可以系統(tǒng)地研究爆破作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及動(dòng)靜應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用原理，已成為近年來(lái)研究爆破振動(dòng)作用的有效方法。本研究采用ANSYS/LSDYNA軟件對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)承德市某礦業(yè)公司尾礦庫(kù)初級(jí)壩的影響進(jìn)行模擬分析。

1 尾礦壩概況

承德市某礦業(yè)公司尾礦庫(kù)堆積壩高度為70.0 m，壩頂標(biāo)高為780.0 m，其中，上層松散—稍密狀尾礦砂厚約11.5 m。尾礦庫(kù)全庫(kù)容為1 300萬(wàn)m，堆積壩壩頂長(zhǎng)約750.0 m，呈不規(guī)則折線形。初期壩壩頂標(biāo)高710.0 m，壩基軸線處壩底標(biāo)高692.0 m，壩高18.0 m，壩頂寬約6.0 m，壩頂全長(zhǎng)約166.0 m，外壩坡坡比1∶2.5，內(nèi)壩坡坡比1∶2.0，修筑材料為黏土。初期壩上下游坡腳處設(shè)置排滲棱體，壩基底部通過(guò)排滲盲溝將其連通，材料為角礫石;尾礦庫(kù)底基巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖片麻巖，尾礦庫(kù)典型剖面如圖1所示。

圖1 尾礦庫(kù)典型剖面Fig.1 The typical profile of tailings

尾礦砂、初級(jí)壩、排水層、基巖層各材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 尾礦壩初級(jí)壩材料及尾礦砂力學(xué)參數(shù)Tab.1 The material type and mechanical parameters

礦山經(jīng)多年開采現(xiàn)已進(jìn)入封閉圈以下開采，開采規(guī)模為1 500萬(wàn)t/a。礦山采礦方式為露天臺(tái)階式開采，中深孔爆破，爆破規(guī)模在10～20 t(裝藥量)，爆破方式為逐孔爆破技術(shù)，采場(chǎng)南幫距尾礦庫(kù)初級(jí)壩最近距離為130 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

為了減少計(jì)算負(fù)荷，但保持計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型長(zhǎng)度為尾礦壩外坡面投影長(zhǎng)的3倍長(zhǎng)度，即尾礦庫(kù)延伸方向(X方向)長(zhǎng)320.0 m，庫(kù)壩走向方向(Z方向)長(zhǎng)30.0 m，初期壩底部基巖深度取15.0 m，如圖2所示。全部采用三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)六面體單元solid164，共劃分850 100個(gè)單元。其中，底部基巖體共劃403 000個(gè)單元，角礫石排在水層共劃分16 725個(gè)單元，下部中密—密實(shí)尾礦砂共劃分299 650個(gè)單元，上部松散—中密尾礦砂共劃分117 125個(gè)單元，初級(jí)黏土壩共劃分成13 600個(gè)單元。

邊界條件:基巖底部，即XOY平面施加固定約束;XOZ面平設(shè)為對(duì)稱面，施加Y向位移約束，平行于XOZ面的側(cè)面施加無(wú)反射邊界條件;YOZ及平行于YOZ平面的端面也施加無(wú)反射邊界條件。

圖2 尾礦庫(kù)計(jì)算模型及單元?jiǎng)澐諪ig.2 FEM model of tailings

2.2 材料類型選擇

ANSYS/LS－DYNA中可選材料模型200多種。根據(jù)眾多學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，尾礦庫(kù)底部強(qiáng)風(fēng)化花崗巖片麻巖可選用各向同性彈塑性巖石材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC［9］;尾礦砂層可選用粒狀材料模型MAT_DRUCKER_PRAGER，該模型的特點(diǎn)比較適合于砂土類粒狀材料［10-11］;黏土初期壩可選用土體材料模型MAT_FHWA_SOIL，其可以模擬諸多材料特性，如爆炸沖擊加載下的應(yīng)變率效應(yīng)、應(yīng)變硬(軟)化、考慮孔隙效應(yīng)的彈性本構(gòu)、修正Mohr－Coulomb屈服面以及孔隙水壓力效應(yīng)等，是較為合適的計(jì)算土體爆炸響應(yīng)的模型，其在土體爆炸分析方面的優(yōu)越性已在文獻(xiàn)［12-13］中得到了充分驗(yàn)證。

2.3 采場(chǎng)爆破震動(dòng)載荷施加

根據(jù)大量爆破地震速度觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，爆破地震動(dòng)的垂直向速度常常不是最大，而徑向速度往往比較大。在爆心距較小時(shí)，徑向與垂直向加速度同一量級(jí)，在遠(yuǎn)離爆心時(shí)，地震震動(dòng)以徑向加速度為主。且由于建(構(gòu))筑物在豎向遠(yuǎn)比水平向具有較強(qiáng)的抗震能力，所以把水平向最大速度值或最大加速度值作為地震烈度的物理標(biāo)準(zhǔn)比較適宜。由于現(xiàn)場(chǎng)爆坡震動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)為質(zhì)點(diǎn)加速度，因此爆破震動(dòng)載荷輸入選用加速度載荷。由于初級(jí)壩距離爆源中心較遠(yuǎn)(130.0 m以外)，可將地震波傳播波震面理想成平面。圖3為初期壩坡腳20.0 m處實(shí)測(cè)到的徑向加速度時(shí)程曲線，將其作為輸入載荷。

圖3 輸入(實(shí)測(cè))加速度時(shí)程曲線Fig.3 The inputted(measured)acceleration time-history curve

從圖3中可以看出，在0.50 s以前，加速度呈振動(dòng)狀態(tài)，其峰值為0.66 m/s2，0.50 s以后加速度振幅降至很小，接近零，即加速度有效加載時(shí)間為0.50 s。

2.4 模擬結(jié)果分析

真正對(duì)初期壩安全性起控制作用的是變形問(wèn)題而非強(qiáng)度問(wèn)題，以變形控制作為設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)的概念逐漸被廣泛接受。因此，本研究主要就采場(chǎng)爆破震動(dòng)對(duì)初期黏土壩的水平向和豎直向的位移進(jìn)行研究。圖4為初期壩上按等高差(高差為2.0 m)均勻選取的節(jié)點(diǎn)。

圖4 初期黏土壩外坡面節(jié)點(diǎn)位置布置Fig.4 Sketch of node positions on the surface of the primal clay dam

2.5 水平位移響應(yīng)分析

圖5 為初期黏土壩在采場(chǎng)爆破震動(dòng)條件下的水平向位移分布云圖，圖6為初期黏土壩外坡面節(jié)點(diǎn)的水平向位移－時(shí)間曲線。

圖5 初期黏土壩水平方向位移分布Fig.5 The distribution of horizontal displacements nephogram

圖6 初期黏土壩外坡面節(jié)點(diǎn)水平向位移－時(shí)間曲線Fig.6 The horizontal displacements-time curve

從圖5中可以看出，在0.50 s以前(爆破震動(dòng)加速度時(shí)程有效加載階段)，初期黏土壩水平位移分布是不斷變化的，水平位移最大區(qū)域由外坡(右側(cè))坡腳向坡頂運(yùn)動(dòng)，在0.50 s之后水平位移分布趨于穩(wěn)定，內(nèi)坡(左側(cè))坡頂附近位移最大，坡腳附近位移最小，不論是內(nèi)坡還是外坡，從坡腳到坡頂，隨著高度的增高，水平位移逐漸增大。

從圖6中可以看出，在0.50 s以前(爆破震動(dòng)加速度時(shí)程有效加載階段)，對(duì)于坡面下部節(jié)點(diǎn)A、B、C、D，隨著高度的增高，位移逐漸增大;對(duì)于坡面上部節(jié)點(diǎn)E、F、G、H，則隨著高度的增高，位移逐淅減小。而0.50 s以后(爆破震動(dòng)作用后)，從坡腳至坡頂，隨著高度的增高，水平位移逐漸增大，坡頂節(jié)點(diǎn)(H點(diǎn))水平位移最大，并且隨著高度的增大，水平位移增長(zhǎng)速度越快。另外，從圖6中還可以看出，坡面上節(jié)點(diǎn)的位移都為負(fù)值，這說(shuō)明初期黏土壩外坡面上的點(diǎn)在爆破震動(dòng)作用下會(huì)向坡面外側(cè)(X負(fù)方向)移動(dòng)。

2.6 豎向位移響應(yīng)分析

圖7為初期黏土壩在采場(chǎng)爆破震動(dòng)條件下的豎向位移分布云圖，圖8為初期黏土壩外坡面節(jié)點(diǎn)的豎向位移－時(shí)間曲線。

圖7 初期黏土壩豎直方向位移分布Fig.7 The distribution of vertical displacements nephogram

圖8 初期黏土壩外坡面節(jié)點(diǎn)豎向位移－時(shí)間曲線Fig.8 The vertical displacements-time curve

從圖7中可以看出，在0.5 s以前(爆破震動(dòng)加速度時(shí)程有效加載階段)與0.50 s以后(加載后階段)，黏土初級(jí)壩豎直向位移分布變化不大，總體上從坡腳到坡頂，隨著高度的增加，豎向位移逐漸增大，豎向位移最大區(qū)域是內(nèi)坡坡頂附近。

從圖8中可以看出，在約0.23 s以前，從坡腳至坡頂，嚴(yán)格遵循隨著高度的增高，豎直向位移逐漸增大，坡頂節(jié)點(diǎn)(H點(diǎn))豎向位移最大，并且隨著高度的增大，豎向位移增長(zhǎng)速度越快;在0.50 s以后，D點(diǎn)比C點(diǎn)高，但D點(diǎn)的豎向位移卻比C點(diǎn)小，這可能是坡內(nèi)側(cè)尾礦庫(kù)壓力作用的結(jié)果。除C、D點(diǎn)外，其余各點(diǎn)都遵循高度越高豎向位移越大，且高度越高位移增大速度越快的規(guī)律。從圖8中還可以看出，坡面下部的節(jié)點(diǎn)(包括A、B、C)豎向位移基本上相同，而坡面上部節(jié)點(diǎn)(包括 D、E、F、G、H)豎向位移呈現(xiàn)出波動(dòng)趨勢(shì)，且越靠近坡頂，波動(dòng)越明顯。

2.7 不同振幅條件下坡面最大位移對(duì)比分析

為了分析初期黏土壩對(duì)爆破震動(dòng)強(qiáng)度的變形響應(yīng)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線幅值分別擴(kuò)大到2倍、4倍、8倍、16倍，然后分別加載到上述模型中，比較不同振動(dòng)幅值條件下的最大位移。圖9和圖10分別是不同放大倍數(shù)下的坡面節(jié)點(diǎn)的水平(X向)和豎直(Z向)最大位移。

圖9 不同振幅時(shí)坡面各點(diǎn)的水平最大位移Fig.9 The maximum vertical displacement of slope node under different amplitude■—1倍;◆—2倍;●—4倍;○—8倍;▲—16倍

圖10 不同振幅時(shí)坡面各點(diǎn)的豎直最大位移Fig.10 The maximum vertical displacement of slope node under different amplitude■—1倍;◆—2倍;●—4倍;○—8倍;▲—16倍

從圖9中可以看出，對(duì)于坡面上的節(jié)點(diǎn)，不管輸入加速度振幅如何變化，其水平最大位移的變化規(guī)律基本相同。對(duì)于朝坡面外側(cè)(X負(fù)向)的最大位移，坡腳附近位移最大，4倍振幅＜8倍振幅＜16倍振幅;對(duì)于朝坡面內(nèi)側(cè)(X正向)的最大位移，坡頂附近位移最大，1倍振幅＞2倍振幅＞4倍振幅＞8倍振幅＞16倍振幅。這表明:朝坡面內(nèi)側(cè)(X負(fù)向)的最大位移隨加速度幅值的增大而增大，朝坡面外側(cè)(X正向)的最大位移隨加速度幅值的增大而減小。

另外，當(dāng)振幅擴(kuò)大到2倍時(shí)，坡面節(jié)點(diǎn)的水平位移都是朝坡外側(cè)(X負(fù)向)的;而當(dāng)振幅擴(kuò)大到4倍時(shí)，坡腳附近節(jié)點(diǎn)A點(diǎn)開始朝坡內(nèi)側(cè)(X負(fù)向)移動(dòng);當(dāng)振幅擴(kuò)大到8倍、16倍時(shí)，坡腳附近節(jié)點(diǎn)A點(diǎn)、B點(diǎn)的水平最大位移都是朝坡內(nèi)側(cè)(X負(fù)向)的。這表明，輸入加速度振幅增大后，坡腳附近的點(diǎn)有向坡面內(nèi)側(cè)(X正向)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，且隨著振幅的增大，向坡面內(nèi)側(cè)(X正向)的位移和移動(dòng)區(qū)域也增大。

從圖10中可以看出，相對(duì)于水平向位移，隨著輸入加速度幅值的增大，坡面節(jié)點(diǎn)豎向位移變化不明顯，當(dāng)輸入加速度振幅擴(kuò)大到16倍后，坡腳附近A點(diǎn)可能會(huì)向上鼓起。但是，不管輸入加速度幅值如何變化，總體上是隨著高度的增高，豎向位移逐漸增大，加速度幅值對(duì)豎向位移影響不大。

3 結(jié)論

(1)輸入實(shí)測(cè)加速度載荷，對(duì)承德市某礦業(yè)公司尾礦庫(kù)初期壩的模擬研究表明:初級(jí)壩頂附近位移最大，坡腳附近位移最小，不論是內(nèi)坡還是外坡，不論是水平位移還是豎向位移，都遵循隨著高度的增高，位移逐漸增大的規(guī)律。

(2)通過(guò)放大加速度幅值，對(duì)初級(jí)壩對(duì)震動(dòng)強(qiáng)度的響應(yīng)模擬研究表明:對(duì)于水平向位移，隨著輸入加速度振幅的增大，坡腳附近的點(diǎn)有向坡面內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，朝坡面內(nèi)側(cè)的最大位移隨加速度幅值的增大而增大，而朝坡面外側(cè)的最大位移隨加速度幅值的增大而減小;對(duì)于豎向位移，不管輸入加速度幅值如何變化，總體上是隨著高度的增高，豎向位移逐漸增大，加速度幅值對(duì)豎向位移影響不大。

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