基于Atobank的有限元法在尾礦壩滲流及邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

孫文杰

摘 要：針對(duì)目前尾礦壩邊坡中存在的安全問題，利用Atobank提供的線彈性模型，采用有限元分析理論，對(duì)尾礦壩邊坡進(jìn)行了建模、有限元分析計(jì)算，并得了出浸潤(rùn)線、最危險(xiǎn)滑裂面和安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，用Atobank分析尾礦壩滲流和邊坡的穩(wěn)定性具有一定的實(shí)用性和可靠性，進(jìn)而為尾礦庫的的安全管理提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：尾礦壩；有限元；滲流分析；邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TV649 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.096

目前，我國有尾礦庫約1 500座。其中，許多尾礦庫已處于中后期服役，尾礦堆積壩形成高邊坡，一旦滑坡失穩(wěn)，就會(huì)造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，尾礦壩的邊坡安全穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。

1 有限元理論

1.1 滲流計(jì)算原理

滲流計(jì)算方法采用有限元法，基本微分方程式及其邊界條件為：

式（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中：h為水頭函數(shù)；Kx、Ky、Kz分別為以空間x、y、z坐標(biāo)軸為主方向的主滲透系數(shù)；t為滲流時(shí)間；Ss為貯水率；ρ為流體密度；g為重力加速度；α為土的壓縮系數(shù)；β為水的壓縮系數(shù)；h0為初始水頭；K為滲透矩陣；n為Γ2的外法線方向；q為Γ2的側(cè)向補(bǔ)給量；Γ1為已知水頭值的邊界曲面；Γ2為已知流量值的邊界曲面；H為邊界水頭。

1.2 壩坡穩(wěn)定性分析原理

穩(wěn)定性計(jì)算根據(jù)剛體極限平衡理論，采用瑞典圓弧法，計(jì)算公式為：

式（8）中：C為固結(jié)不排水剪應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；α為土條底面中點(diǎn)處切線與水平線的夾角；Wk為計(jì)算抗滑力時(shí)單位寬度土條的質(zhì)量；Dv為某一土條垂直向地震慣性力的總和；Dh為某一土條水平地震慣性力的總和；φ為固結(jié)不排水剪應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；Wh為計(jì)算滑動(dòng)力單位寬度土條的質(zhì)量；Mc為水平向地震慣性力Dh對(duì)圓心的力矩；R0為滑弧半徑。

2 實(shí)例分析

2.1 某尾礦庫的設(shè)計(jì)概況

某礦山尾礦庫屬于山谷型濕排尾礦庫，位于選礦廠東側(cè)1 km處的山谷內(nèi)。尾礦庫初期壩為碾壓土石壩，初期壩高15 m，堆積壩最大壩高為80 m。尾礦放礦工藝采用了上游式分散放礦，沉積灘的平均坡度為1.0%，設(shè)計(jì)干灘的長(zhǎng)度為200 m，堆積壩的最終邊坡比為1∶4.

初期壩在壩頂標(biāo)高以上7 m（即壩頂標(biāo)高以上第三級(jí)平臺(tái)處），距初期壩中心線34 m處設(shè)置了排滲井和排滲管。

2.2 建立有限元模型

采用Atobank對(duì)尾礦壩和地基進(jìn)行了有限元模擬。坐標(biāo)軸方向?yàn)椋何驳V壩縱向?yàn)閤軸正向，豎向?yàn)閥軸正向。

約束情況為：四周為法向約束、基礎(chǔ)底面為固端約束。

2.3 選取計(jì)算參數(shù)

尾礦沉積灘分為4層，從上到下依次為尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土和尾黏土。尾礦壩的材料物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

2.4 計(jì)算工況

計(jì)算工況為：正常水位運(yùn)行工況、洪水位運(yùn)行工況和特殊（地震）工況。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)最大壩高典型剖面，采用Atobank有限元軟件和瑞典圓弧法，滲流和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2所示。

綜上所述，初期壩在增設(shè)排滲設(shè)施后，有效降低了尾礦堆積壩的浸潤(rùn)線。

3 結(jié)論

采用有限元法進(jìn)行尾礦壩滲流和邊坡的穩(wěn)定性分析是可靠、合理的；尾礦庫初期壩增設(shè)排滲設(shè)施能有效降低尾礦壩的浸潤(rùn)線，從而提高尾礦堆積壩的邊坡穩(wěn)定性，這對(duì)尾礦庫的安全運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕