某尾礦壩子壩穩(wěn)定性及加固效果分析

唐菲 葛凱華

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院 北京 100083；2.平泉小寺溝礦業(yè)有限公司 河北承德 067512)

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某尾礦壩子壩穩(wěn)定性及加固效果分析

唐菲1葛凱華2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院 北京 100083；2.平泉小寺溝礦業(yè)有限公司 河北承德 067512)

以某尾礦壩為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘探所獲得地質(zhì)資料及擬加高擴(kuò)容初步設(shè)計(jì)資料等，建立三維尾礦壩的數(shù)值仿真模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)最終設(shè)計(jì)壩頂標(biāo)高+260 m(高160 m)情況采用FLAC3D軟件中強(qiáng)度折減法求解了壩體子壩邊坡安全系數(shù)，并確定了潛在滑裂面的位置。根據(jù)潛在滑裂面的位置選擇土工格柵加固子壩，并通過(guò)對(duì)加固前后位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及剪切應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)的對(duì)比分析，表明所采取的加固措施是可行的。

尾礦壩 FLAC3D穩(wěn)定性分析 加固

0 引言

礦業(yè)一直是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來(lái)越大，尾礦庫(kù)的數(shù)量和規(guī)模隨之上升。尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響著礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性和安全性已成為各國(guó)政府、礦山企業(yè)、學(xué)術(shù)界所關(guān)注的重大問(wèn)題。

尾礦壩是以尾砂為主要材料建成的一種特殊構(gòu)筑物，為尾礦庫(kù)的重要組成部分，壩體一旦失穩(wěn)潰壩將直接造成資源流失，更重要的是危及人類生命和財(cái)產(chǎn)安全，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞，因此尾礦壩的穩(wěn)定性分析與加固有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 壩體安全性指標(biāo)分析及潛在滑移面位置的確定

某尾礦庫(kù)，占地面積為7.98 km2，設(shè)計(jì)庫(kù)容約1.682 億m3。壩體初期構(gòu)造為砌石結(jié)構(gòu)，具有良好的透水性。初期壩壩頂寬4 m，長(zhǎng)503 m，上游與下游的坡比均為1∶2。壩體底部標(biāo)高為55 m，初期壩施工完畢后高度為21 m，子壩在此上游建造，坡比為1∶4.5。子壩現(xiàn)施工至標(biāo)高為200 m，后期設(shè)計(jì)標(biāo)高為260 m[1]。由《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)可知，該庫(kù)屬于Ⅱ等尾礦庫(kù)。

1.1 模型構(gòu)建

數(shù)值模擬的缺陷在于模型的建立是否與壩體真實(shí)參數(shù)統(tǒng)一，為了克服這一缺陷，必須詳細(xì)了解尾礦壩工程概況的內(nèi)容以及具體參數(shù)?；贔LAC3D自身建模的缺陷，本模型采用有限元軟件ANSYS10.0來(lái)建立三維模型，同時(shí)利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格刨分功能來(lái)獲取模型的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)信息與單元信息，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FLAC3D中，進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)模擬分析[2]。

數(shù)值模擬分析就是理論計(jì)算的過(guò)程，這一過(guò)程要求原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，否則會(huì)影響到分析結(jié)果的不精確。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的分析報(bào)告[1-3]給出了上游筑壩中每層土的具體參數(shù)，將材料的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)歸并處理得到材料原始參數(shù)，如表1。

表1 尾礦壩材料參數(shù)

根據(jù)表1給出土層參數(shù)建立相應(yīng)幾何模型，初期壩為梯形六面體，其中縱向長(zhǎng)度為500 m，高為20 m，斜面坡度及上下游的坡度為1∶2，兩坡之間寬度為4 m。子壩上游筑造，坡度為1∶5。子壩高為設(shè)計(jì)標(biāo)高260 m?；自O(shè)置為基巖，厚度為100 m，無(wú)沉降，無(wú)透水。

基于ANSYS10.0的刨分功能，模型有限拆分網(wǎng)格已經(jīng)形成，根據(jù)表1中材料參數(shù)，可將整個(gè)壩體分為6個(gè)部分，并將每部分的材料的參數(shù)賦予其中，初始狀態(tài)為天然狀態(tài)(不考慮強(qiáng)降雨、地震、自然災(zāi)害等其他影響，僅考慮土體自重應(yīng)力)。計(jì)算模型圖見圖1。

圖1 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

FLAC3D中采用強(qiáng)度折減法求解邊坡抗滑穩(wěn)定性系數(shù)[4-7]。邊坡抗滑穩(wěn)定性系數(shù)又稱邊坡安全系數(shù)，可利用公式(1)和公式(2)來(lái)計(jì)算。在計(jì)算時(shí)把巖土體材料的黏聚力C和摩擦角φ進(jìn)行折減(Ftrial是折減的系數(shù)，CF是折減之后的黏聚力，φF是折減之后的摩擦角)，采用數(shù)值算法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中采用迭代計(jì)算，直到土體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，而此時(shí)的的折減系數(shù)Ftrial便是邊坡的安全系數(shù)Fs。

CF=C/Ftrial

(1)

φF=tan-1[tan(φ)/Ftrial]

(2)

應(yīng)用強(qiáng)度折減法分析時(shí)，壩體內(nèi)塑性應(yīng)變值隨著自重的施加而變化，當(dāng)達(dá)到計(jì)算平衡時(shí)，整個(gè)壩體內(nèi)會(huì)顯示出一個(gè)貫通的塑性區(qū)，這個(gè)塑性區(qū)就是潛在滑裂面所存在的位置。只有當(dāng)壩體中的某些點(diǎn)的塑性應(yīng)變值大于該些點(diǎn)周圍的點(diǎn)的塑性值時(shí)，這些點(diǎn)才能夠移動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)面。因此，將塑性應(yīng)變值較大的點(diǎn)擬合成曲線，就構(gòu)成了潛在的滑裂面[8-10]。

計(jì)算采用平面應(yīng)變模型，其模型的幾何尺寸以及壩體材料的物理力學(xué)指標(biāo)與上述計(jì)算時(shí)所選取的一致。另外，壩體軸線方向與模型底部均采用全約束，模型左右兩個(gè)邊界均采用水平方向約束。壩體安全系數(shù)及滑裂面位置如圖2所示。

(a) 剖面圖

(b)立體圖

《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最小值的要求如表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

從計(jì)算結(jié)果看，所得到的安全系數(shù)值為1.16，因其小于1.25故不滿足規(guī)范要求。說(shuō)明如果壩體加高到最終設(shè)計(jì)高度則必須加固，而潛在滑動(dòng)面的位置由圖可知在壩高約80 m處。

2 土工格柵加固

2.1 土工格柵單元布置

針對(duì)本文中的模型，網(wǎng)格剖分及材料參數(shù)如前所述。土工格柵布置形式及加固范圍如圖3所示，土工格柵的參數(shù)如表3所示。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消費(fèi)量也在日益增加，目前中國(guó)已經(jīng)成為全球能源消費(fèi)量最大的國(guó)家。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局在2018年初公布的數(shù)據(jù)，中國(guó)在2017年能源消費(fèi)總量大概為44.9億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。中國(guó)多煤、缺油、少氣的能源資源稟賦特點(diǎn)，決定了中國(guó)的能源消費(fèi)主要是以煤炭為主，由此產(chǎn)生的二氧化硫等污染物被排放大氣中，導(dǎo)致了環(huán)境問(wèn)題不斷惡化，如此必然制約經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。如何有效地協(xié)調(diào)能源消費(fèi)、環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展三者之間的關(guān)系，是當(dāng)前中國(guó)政府重要的工作之一。

圖3 土工格柵的整體布置圖

名稱數(shù)值名稱數(shù)值彈性模量E/Pa 1×109 耦合彈簧單位面積上剛度k/(N·m-3)2.3×106 泊松比υ0.33耦合彈簧內(nèi)聚力/kPa0格柵厚度t/mm5內(nèi)摩擦角/(°)30

2.2 加固前后結(jié)果對(duì)比

FLAC3D本身具備了強(qiáng)大的后處理功能，但是在使用過(guò)程中仍然存在一些缺點(diǎn)，尤其是不具備輸出等值線圖的功能。在整理計(jì)算成果時(shí)，相對(duì)于色彩繽紛的云圖來(lái)說(shuō)，等值線圖更清晰易懂，線條配合標(biāo)簽可以直觀地將分析結(jié)果展示出來(lái)。由于FLAC3D具備豐富的FISH函數(shù)，因此可以將FLAC3D的計(jì)算結(jié)果輸出到Tecplot中，將計(jì)算結(jié)果再次整理成圖。加固前后的結(jié)果對(duì)比采用Tecplot軟件，使對(duì)比結(jié)果更清晰，更直觀。

2.2.1 位移場(chǎng)對(duì)比

由圖4、圖5為壩體加固前后位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖，由圖可知壩體加固前y方向位移為1.3 m，而加固后的y方向位移為0.45 m，加固效果明顯；加固前最大x方向位移為95 mm，加固后的最大x方向位移為87 mm，從最大值上來(lái)看加固后效果不是很明顯，但是通過(guò)分析壩體整個(gè)水平位移分布情況，加固后的分布情況要比加固前有很大改觀。

(a)加固前

(b)加固后

(a)加固前

(b)加固后

2.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖6、圖7為子壩壩體加固前后水平應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖，由圖可知壩體加固前水平x方向與y方向最大應(yīng)力分別為1 474.75 kPa和1 490.3 kPa，而加固后的水平x方向與y方向最大應(yīng)力分別為1 474.60 kPa和1 490.1 kPa，加固效果比較明顯。

(a)加固前

(b)加固后

(a)加固前

(b)加固后

2.2.3 安全系數(shù)與剪切應(yīng)變?cè)隽?/p>

圖8、圖9為壩體用土工格柵加固后的安全系數(shù)和剪切應(yīng)變量變化。由圖可知尾礦壩通過(guò)土工格柵加固后的安全系數(shù)變?yōu)?.52，大于《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的1.25。且剪切增變量最大值由原來(lái)的2降到了0.5，潛在滑裂面的剪切應(yīng)變?cè)隽考眲∠陆?，有效阻止了剪切?yīng)變?cè)隽繀^(qū)的貫通，故加固效果明顯。

3 結(jié)論

以某尾礦壩子壩的工程特性以及工程地質(zhì)條件為背景，分析了尾礦壩加高到設(shè)計(jì)標(biāo)高260 m時(shí)壩體穩(wěn)定性情況；應(yīng)用FLAC3D中的摩爾-庫(kù)侖模型的屈服準(zhǔn)則，并運(yùn)用強(qiáng)度折減法，對(duì)壩體邊坡進(jìn)行了安全系數(shù)的求解，且確定了潛在滑裂面的位置；通過(guò)對(duì)無(wú)支護(hù)、土工格柵支護(hù)的兩種狀態(tài)下位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果對(duì)比，加固后的位移與應(yīng)力情況有很大改觀，且安全系數(shù)也達(dá)到規(guī)范值，加固效果明顯。該項(xiàng)加固方案已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用，不僅有效地加強(qiáng)了某尾礦壩的穩(wěn)定性，也同時(shí)達(dá)到了尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容的目的。研究成果對(duì)某尾礦壩的安全監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，相應(yīng)尾礦壩也可予以借鑒。

(a)剖面圖

(b)立面圖

(a)加固前

(b)加固后

[2]廖秋林,曾錢幫,劉彤，等.基于ANSYS平臺(tái)復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的自動(dòng)生成[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(6):1010-1013.

[3]大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院.某尾礦庫(kù)選礦廠尾礦壩滲流試驗(yàn)與計(jì)算分析報(bào)告[R].2004.

[4]吳明,傅旭東,劉歡.邊坡穩(wěn)定分析中的強(qiáng)度折減法[J].土工基礎(chǔ),2006,20(1):49-52.

[5]王泳嘉,邢紀(jì)波.離散單元法同拉格朗日元法及其在巖土力學(xué)中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),1995,16(2):1-14.

[6]江德飛,何光春.傳遞系數(shù)法與FLAC3D強(qiáng)度折減法比較分析：以猴子石滑坡分析為例[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(1):94-99.

[7]焦玉勇,葛體潤(rùn)，劉泉聲，等.三維離散單元法及其在滑坡分析中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(1):101-104.

[8]袁經(jīng)中.基于FLAC3D的某尾礦壩穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)礦山工程,2015,44(1):64-66.

[9]王立彬，袁子有，侯攀,等.某尾礦壩邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與安全分析[J].有色金屬,2011,63(5):52-56.

[10]宋志飛，王群，趙雪芳，等.某尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2015,41(1):40-47.

Research on Stability Analysis and Reinforcement Measures of One Tailings Dam

TANG Fei1GE Kaihua2

(1.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)Beijing100083)

Taking one tailing dam as the engineering background, a three-dimensional numerical simulation model of the tailings dam is established based on the geological data obtained from the field engineering geological survey and heightening and expanding capacity preliminary design data. On this basis, the sub-dams slope safety factor has been solved by the strength reduction FEM in FLAC3Don account of final design crest level +260 m (160 m in height), and the potential slip surface has also been determined. According to the position slip, the geogrid reinforcement measure has been designed. Based on the contrastive analysis of displacement field, stress field and the shear stress increment area before and after reinforcement, the reinforcement measures are proved to be feasible.

tailings dam FLAC3Dstatic stability reinforcement

唐菲，女，1988年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土邊坡。

2015-10-19)