基于時(shí)程法的細(xì)粒尾礦模袋法筑壩尾礦庫地震穩(wěn)定性分析

張 強(qiáng)

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

基于時(shí)程法的細(xì)粒尾礦模袋法筑壩尾礦庫地震穩(wěn)定性分析

張 強(qiáng)1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

結(jié)合新堆和固結(jié)(模袋)尾礦的動力特性，采用時(shí)程法計(jì)算運(yùn)用模袋法加高后的尾礦庫動力抗震指標(biāo)，分析了地震過程中尾礦壩的地震穩(wěn)定性、地震液化以及地震永久變形變化情況。結(jié)果表明，模袋法增大了磷礦浮選細(xì)粒尾礦抗剪強(qiáng)度和動剪切模量，采用磷礦浮選細(xì)粒尾礦進(jìn)行上游法筑壩安全可行。采用時(shí)程法計(jì)算尾礦壩地震穩(wěn)定性，結(jié)果更準(zhǔn)確合理，更直觀反映了整個(gè)地震歷時(shí)過程尾礦壩的安全系數(shù)隨地震加速度變化情況，具有科學(xué)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

細(xì)粒尾礦 模袋法筑壩 時(shí)程法 尾礦動力特性 動力抗震

某磷礦浮選尾礦平均加權(quán)粒徑為0.021 mm，顆粒很細(xì)，尾礦本身強(qiáng)度較低，不能直接作為子壩筑壩材料。后期子壩的基礎(chǔ)為新排放的磷礦浮選細(xì)粒尾礦，尾礦固結(jié)時(shí)間長，后期子壩的承載力不足，無法在正常的情況下繼續(xù)堆筑子壩。采用細(xì)顆粒尾礦筑壩的最終堆積高度受到很大的限制，國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為細(xì)顆粒筑壩不宜超過30 m。對于細(xì)粒尾礦庫，比較安全可靠的堆存方式為一次性筑壩，但堆存成本太高。該類尾礦庫采用模袋法筑壩，可以解決上游法細(xì)粒尾礦不能堆壩或堆壩后造成的浸潤性偏高、壩體穩(wěn)定性不足的問題，從而保證尾礦庫安全穩(wěn)定運(yùn)行。

昆明安寧地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震加速度值為0.2g，針對位于8度地區(qū)的三級及以上尾礦壩，除應(yīng)采用擬靜力法進(jìn)行抗震穩(wěn)定分析外，還應(yīng)采用時(shí)程法分析，因此，有必要對采用模袋法的尾礦壩副壩進(jìn)行動力抗震計(jì)算分析。

1 工程概況

某尾礦庫采用模袋法筑壩，子壩外坡比為1∶4，內(nèi)坡比為1∶2，壩頂寬18 m，底寬36 m，單級壩高3 m，外坡平臺為4 m，尾礦壩綜合坡比為1∶5。在潛在滑動帶附近鋪設(shè)土工格柵，以提高該部分壩體材料的強(qiáng)度。該尾礦庫初期壩主壩高約52 m，經(jīng)過二期模袋法加高9 m后即已超過三等庫最小壩高60 m 的規(guī)定。副壩高約30 m，堆筑加高9 m后，副壩高約39 m，應(yīng)按三等庫的壩坡抗滑最小安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)考慮。副壩為碾壓土石壩，筑壩材料為角礫土，初期壩夾含礫粉質(zhì)黏土，壩基下依次為粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖。計(jì)算剖面見圖1。

圖1 計(jì)算剖面

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 尾礦粒度

對于細(xì)粒尾礦，目前加權(quán)平均粒徑dcp≤0.03 mm，其中-0.019 mm含量一般大于50%，+0.074 mm含量小于10%和+0.037 mm含量不大于30%的尾礦稱為細(xì)粒尾礦。對入庫前的全尾礦進(jìn)行顆分試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 全尾礦顆分試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)全尾礦顆分試驗(yàn)，得出dcp=0.021 mm，其中，-0.019 mm含量為53%，+0.074 mm含量為4%，+0.037 mm含量為26%，因此，磷礦浮選細(xì)粒尾礦粒度更細(xì)，不能采用一般土工織物作為過濾材料。

2.2 地震加速度

計(jì)算選用該場地的3條特征地震加速度時(shí)程，其中一條經(jīng)削峰處理后地震加速度時(shí)程曲線見圖2，地震加速度峰值為0.2g，地震持續(xù)時(shí)間為20 s，地震波從基巖底部輸入。

圖2 削峰后的地震加速度時(shí)程曲線

2.3 材料的動力參數(shù)

磷礦浮選尾礦的動力參數(shù)指標(biāo)參考室內(nèi)動三軸共振柱試驗(yàn)結(jié)果[1]，初期壩及壩基的參數(shù)選取參照地質(zhì)勘察資料及類似工程取值[2]，新堆尾礦和固結(jié)(模袋)尾礦的動三軸共振柱試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3，并對其動力參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行非線性擬合，其中固結(jié)(模袋)尾礦的動剪切模量比與剪應(yīng)變關(guān)系非線性擬合見圖3。

表2 新堆尾礦動剪切模量比、阻尼參數(shù)與剪應(yīng)變關(guān)系

3 計(jì)算方法

3.1 滲流計(jì)算

滲流計(jì)算是研究尾砂在飽和狀態(tài)下的滲流問題，且假定滲流過程中土的孔隙比不變，即土的滲透系數(shù)不隨時(shí)間變化[3]。二維滲流問題的控制方程為

表3 固結(jié)(模袋)尾礦動剪切模量比、阻尼參數(shù)與剪應(yīng)變關(guān)系

圖3 固結(jié)(模袋)尾礦G/Gmax與循環(huán)剪應(yīng)變關(guān)系擬合曲線

(1)

模型左側(cè)邊界條件是給定水頭邊界，邊界上的所有點(diǎn)，每一時(shí)刻水頭h是給定的，即

(2)

式中,h為邊界Γ1上某點(diǎn)(x,y)在t時(shí)刻的給定水頭；φ為已知函數(shù)。

模型右側(cè)坡面為地下水流出邊界，給定單位面積水流通量，即

(3)

式中,cos(n,x),cos(n,y)分別為邊界外法線向量與x、y坐標(biāo)軸正向之間夾角的余弦；q(x,y,t)為t時(shí)刻邊界Γ2上某點(diǎn)(x,y)處水流量，為已知函數(shù)。

3.2 地震液化計(jì)算

當(dāng)巖土體液化時(shí)，其抗剪強(qiáng)度為0，此時(shí)應(yīng)滿足

(4)

(5)

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算

壩體邊坡在地震動力作用下的破壞不僅僅與地震強(qiáng)度有關(guān)，而且取決于地震動力作用的各細(xì)節(jié)過程。擬靜力法既沒有考慮地震的特性(振動頻率、次數(shù)和地震持續(xù)時(shí)間等)，壩身材料的動力性質(zhì)和阻尼性質(zhì)等，也沒有考慮實(shí)際壩體內(nèi)的應(yīng)力分布，因而無法反映壩體在地震時(shí)的反應(yīng)特性?；谟邢迒卧ǖ臅r(shí)程法動力分析的直接結(jié)果是求得壩體和地基土層中地基反應(yīng)，包括反應(yīng)加速度、動剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。由于動應(yīng)力隨震動時(shí)間而不同，壩坡的動力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也是時(shí)間的函數(shù)。動力抗滑穩(wěn)定性分析在靜力計(jì)算和動力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

根據(jù)有限元靜力計(jì)算結(jié)果求得滑弧通過的各單元滑面上的正應(yīng)力σs和剪應(yīng)力τs，根據(jù)有限元?jiǎng)恿τ?jì)算結(jié)果求得滑弧通過的各單元滑面上的動正應(yīng)力σd和動剪應(yīng)力τd，則滑弧上的正應(yīng)力為

(6)

剪應(yīng)力為

(7)

滑弧通過單元i的長度為li，該單元的抗剪強(qiáng)度為τfi，剪應(yīng)力為τi，則整個(gè)滑弧的抗滑安全系數(shù)為

(8)

將所有時(shí)步的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果繪制成隨時(shí)間變化的曲線，即可反映出壩坡動力穩(wěn)定性狀況[4]，而本次每10時(shí)步進(jìn)行一次穩(wěn)定性分析。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 滲流場結(jié)果

尾礦庫副壩采用模袋法加高至+2 049 m時(shí)，無論是在正常水位還是洪水位時(shí)，壩體浸潤線均在尾砂沉積灘外坡表面有出露。一方面由于磷礦浮選尾礦為細(xì)粒尾礦，滲透性很差；另一方面是由于副壩內(nèi)坡采用土工膜防滲，故在壩前位置的浸潤線有壅高現(xiàn)象。由于采用土工膜防滲，地震引起的孔隙水來不及消散，致使孔隙水壓力上升，形成超孔隙水壓力，庫內(nèi)尾砂超孔隙水壓力隨著地下水深度變化情況見圖4。地震引起庫內(nèi)尾砂孔隙水壓力上升，是庫內(nèi)尾砂液化的主要原因。在地震作用下，正常水位時(shí)最大超孔隙水壓力為235.1 kPa，洪水位時(shí)最大超孔隙水壓力為228.5 kPa。這是由于正常水位時(shí)尾砂有效應(yīng)力較洪水位時(shí)大。

4.2 地震液化結(jié)果

在地震作用下尾礦壩液化區(qū)域見圖5。可以看出，液化區(qū)域集中在浸潤線逸出位置和尾砂堆積壩浸潤線埋深較淺位置。尾礦液化即瞬時(shí)有效應(yīng)力為0，浸潤線逸出位置的液化即尾礦堆積壩壩腳位置的液化，容易造成堆積壩失穩(wěn)破壞。隨著地震歷時(shí)進(jìn)行，尾礦壩液化區(qū)域擴(kuò)大且深度增加。洪水位時(shí)，壩體浸潤線水位較高，計(jì)算求得的液化區(qū)域網(wǎng)格較正常水位時(shí)多，液化深度加深，尤其尾砂堆積壩壩腳浸潤線逸出區(qū)域和庫內(nèi)浸潤線埋深較淺部位較正常水位計(jì)算的液化網(wǎng)格范圍增加很多。所以浸潤線埋深(庫內(nèi)水位)對地震液化區(qū)域影響較大。

圖4 地震作用下20 s孔隙水壓力等值線(單位：kPa)

圖5 地震作用下尾礦壩20 s液化區(qū)域

4.3 地震穩(wěn)定性結(jié)果

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。可以看出，有地震荷載作用時(shí)，采用擬靜力法求得的安全系數(shù)較正常水位和洪水位工況有明顯降低，表明地震對尾礦壩安全穩(wěn)定性影響很大。圖6為尾礦壩安全系數(shù)在整個(gè)地震歷時(shí)中隨著加速度作用方向及大小的變化情況。可以看出，地震過程中t=5.2 s時(shí)，安全系數(shù)最小，為1.176；地震作用結(jié)束時(shí)安全系數(shù)為1.428。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.4 地震變形分析

地震作用下變形計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。可以看出，地震等效線彈性變形均很小，尾砂堆積壩中下部臺階X方向變形較大，第二、第三級臺階X方向變形較大，尤其是尾砂堆積壩外坡面2 044.5 m標(biāo)高A點(diǎn)X方向振幅最大，為-0.068～+0.085 m，t=20 s 時(shí)，X方向相對變形為+0.026 m；同時(shí)，在地震作用下尾砂堆積壩坡面振幅最大，將首先發(fā)生震動破壞，引起尾砂堆積壩邊坡失穩(wěn)滑坡。地震永久變形曲線與地震動的波形密切相關(guān)，X方向地震永久變形曲線基本相同，Y方向地震永久變形要小于X方向，高程越高，尾砂堆積壩坡面Y方向永久變形越大。

圖6 地震作用下安全系數(shù)變化曲線

圖7 地震20 s時(shí)X方向相對變形等值線

圖8 地震作用下A點(diǎn)X方向相對變形曲線

5 結(jié) 論

(1)某磷礦浮選尾礦粒度很細(xì)，因滲透系數(shù)小，固結(jié)慢，不能直接作為上游法尾礦庫子壩筑壩材料；采用模袋法筑壩，增大了細(xì)粒尾礦抗剪強(qiáng)度和動剪切模量，使得磷礦浮選細(xì)粒尾礦采用上游法筑壩安全可行。

(2)尾礦庫內(nèi)水位升高時(shí)，地下水浸潤線隨之升高，埋深變淺，尾礦壩的地震液化反應(yīng)在洪水位時(shí)較正常水位時(shí)強(qiáng)烈，地震液化區(qū)域及深度增加，增加水平排滲設(shè)施可以降低尾砂堆積壩內(nèi)地下水浸潤線，提高壩體穩(wěn)定性和抗地震液化能力。

(3)采用時(shí)程法計(jì)算地震穩(wěn)定性，考慮了材料的動力特性，與擬靜力法計(jì)算相比，結(jié)果更準(zhǔn)確合理，更直觀反映了整個(gè)地震過程中尾礦壩安全系數(shù)隨地震加速度變化情況。

(4)根據(jù)尾礦壩地震永久變形分析，在地震荷載作用下，尾砂堆積壩坡面振幅最大，將首先發(fā)生震動破壞，進(jìn)而造成堆積壩邊坡失穩(wěn)滑坡。

[1] 河海大學(xué),云南磷化集團(tuán).超細(xì)粒尾礦(磷礦浮選細(xì)粒尾礦)后期子壩壩料動力試驗(yàn)報(bào)告[R].南京：河海大學(xué)，2009.

[2] 張 強(qiáng),房定旺.馬屋箐尾礦庫副壩抗震穩(wěn)定性分析(時(shí)程法)[R].馬鞍山：中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，2016.

[3] 曹紀(jì)剛,毛權(quán)生,吳鵬程，等.磷石膏高堆積場三維滲流模擬及滲流穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015,31(9):129-131.

[4] 樂 陶,吳道敏,曹紀(jì)剛，等.磷石膏堆壩時(shí)程法的動力穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山,2015(S1):94-97.

2016-05-24)

張 強(qiáng)(1977—)，男，高級工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。