地震作用下加高擴(kuò)容尾礦庫的動力穩(wěn)定性研究

賈 會 會

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊， 河北 承德 067000)

地震作用下加高擴(kuò)容尾礦庫的動力穩(wěn)定性研究

賈 會 會

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊， 河北 承德 067000)

以周家溝尾礦庫為工程背景構(gòu)建二維數(shù)值模型，研究隨著堆積壩壩頂標(biāo)高的增大地震作用對壩體穩(wěn)定性影響。根據(jù)庫區(qū)場地情況選用實測波El Centro波和Taft地震波合成人工地震波時程對尾礦庫進(jìn)行動力穩(wěn)定性分析，分析了隨著尾礦壩壩體加高時尾礦庫的最大動剪應(yīng)力分布、壩頂水平加速度反應(yīng)、尾礦庫的殘余變形及庫區(qū)的液化區(qū)域變化趨勢。結(jié)果表明隨著壩體的加高，最大剪應(yīng)力集中在壩頂?shù)撞繀^(qū)域且隨著壩體的加高由初期壩向壩頂方向擴(kuò)展；壩頂最大加速度及放大系數(shù)減??；尾礦庫的最大殘余變形增大，較大部位出現(xiàn)在壩頂附近；壩頂?shù)募痈呶驳V庫液化區(qū)將發(fā)生變化。工程中要注意壩頂加高后尾礦壩部分區(qū)域發(fā)生的液化對尾礦壩穩(wěn)定性影響。

尾礦壩；動力穩(wěn)定性；動力特性；地震波；液化判定

隨著我國鋼鐵產(chǎn)能的需求，在鋼鐵采選及冶煉過程中產(chǎn)生的尾礦渣等廢棄物將會嚴(yán)重污染場區(qū)附近的環(huán)境。采用筑壩攔截谷口或圍地形成的尾礦庫是礦山排尾的重要工程設(shè)施，一些地區(qū)建設(shè)的尾礦庫下游多為村莊，形成“頭頂庫”，一旦發(fā)生潰壩將造成不可估量的損失。尾礦庫的設(shè)計、施工、運營管理及維護(hù)是保障尾礦庫安全的重要環(huán)節(jié)，地震是影響尾礦庫穩(wěn)定性的主要因素之一，對尾礦庫壩體動力特性進(jìn)行分析對指導(dǎo)尾礦壩施工建設(shè)及運營管理都有重要的指導(dǎo)意義。

ChaKrabory D等[1]對尾礦壩進(jìn)行靜力、動力分析得出地震作用下壩體將會產(chǎn)生動位移，加速度沿壩高放大從而造成尾礦壩的失穩(wěn)。何淼等[2]采用兩種地震加速度時程對某尾礦壩進(jìn)行了液化及動力分析。張力霆等[3]對地震作用下尾礦庫進(jìn)行了三維動力分析，得出了尾礦壩沿壩軸方向加速度最大值出現(xiàn)在3/4高度處。李全明等[4]通過監(jiān)測尾礦庫的日常浸潤線在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了動力穩(wěn)定性分析，定量的計算了尾礦庫潰壩時下游的受災(zāi)范圍及致災(zāi)程度。吳遠(yuǎn)亮[5]采用非線性黏彈性模型進(jìn)行動力與滲流耦合對尾礦壩進(jìn)行了分析得出滲流對節(jié)點存在滲透系數(shù)越大、加速度反應(yīng)越小等結(jié)論。劉婉茹[6]利用動三軸儀確定尾礦砂的動強(qiáng)度和動力參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上研究地震下壩體內(nèi)水平及垂直加速度的變化對壩體的水平位移及孔壓的影響。阮德修[7]對動載下尾礦壩位移、加速度、孔隙水壓力進(jìn)行了分析，研究尾礦壩在不同地震烈度下的敏感度。

國內(nèi)外許多學(xué)者[8-11]也進(jìn)行了類似的研究得到了很多有利結(jié)論。郝彥冰等[12]通過地脈動及強(qiáng)震記錄的頻譜分析，研究了場地土層結(jié)構(gòu)和場地頻譜特性的對應(yīng)關(guān)系。張家榮等[13]利用有限元軟件分析總結(jié)了在防滲設(shè)施下的滲流規(guī)律，但是針對尾礦庫壩體加高擴(kuò)容工況下的動力分析研究鮮見。以周家溝尾礦庫為工程背景研究了隨著尾礦壩壩體加高，地震作用對尾礦壩動力穩(wěn)定性的影響，為類似的尾礦壩加高擴(kuò)容設(shè)計及施工提供一定的技術(shù)參考。

1 工程概況

平泉小寺溝礦業(yè)有限公司周家溝尾礦庫位于河北省承德市平泉縣南五十家子鎮(zhèn)南山村東側(cè)約700 m處的周家溝內(nèi)，周家溝呈南—北走向，溝口朝向北，山溝上游發(fā)育多條支溝，溝內(nèi)植被良好。

圖1 尾礦庫地理位置圖

現(xiàn)狀尾礦庫總壩高為84.0 m，總庫容910×104m3，為三等庫。堆積壩采用上游法筑壩，壩頂標(biāo)高為734.4 m，堆積壩高54.9 m，外坡平均坡率為1∶5.3?，F(xiàn)狀堆積壩頂有一期子壩，采用干尾砂堆筑，頂標(biāo)高為736.0 m，較庫內(nèi)灘面高2 m?，F(xiàn)狀庫內(nèi)灘面向庫尾傾斜，坡比為1%，表層設(shè)置300 mm厚黃土覆面，現(xiàn)狀庫內(nèi)無積水。設(shè)計方案將現(xiàn)狀尾礦壩加高至標(biāo)高785.0 m，加高高度為50.6 m。加高后尾礦庫總壩高為134.6 m，總庫容2 661×104m3，為二等庫。

2 尾礦庫動力穩(wěn)定性分析方案

周家溝尾礦庫屬于二等庫，壩體高，庫容大，對不同堆積標(biāo)高下的尾礦庫進(jìn)行動力穩(wěn)定性數(shù)值模擬和分析評價。

(1) 根據(jù)庫區(qū)所在場地特點計算采用實測的El Centro波、Taft地震波和人工合成地震波。

(2) 應(yīng)用ABAQUS數(shù)值計算程序建立周家溝尾礦庫庫區(qū)及壩體的二維動力穩(wěn)定數(shù)值計算模型，對尾礦庫堆積標(biāo)高達(dá)734.4 m(現(xiàn)狀標(biāo)高)、785 m時，進(jìn)行洪水排滲運行工況下的二維動力穩(wěn)定性分析。

3 庫區(qū)數(shù)值計算模型的構(gòu)建及參數(shù)的選取

3.1 建立數(shù)值分析模型

通過現(xiàn)場實地勘察，根據(jù)庫區(qū)運行情況選取的典型計算剖面如圖2中A-A′剖面所示。

圖2 周家溝尾礦庫典型剖面圖

尾礦庫堆積標(biāo)高為734.4 m(現(xiàn)狀標(biāo)高)、785 m時，A-A'剖面的二維數(shù)值模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 A-A′數(shù)值計算模型

3.2 動力穩(wěn)定數(shù)值模擬計算參數(shù)的選取

根據(jù)勘察資料，尾礦庫初期壩為堆石和廢石壓坡。庫區(qū)尾礦堆積物主要為尾砂和尾粉質(zhì)黏土，采用DDS-70微機(jī)控制振動三軸儀對砂土振動液化進(jìn)行試驗研究，根據(jù)實驗結(jié)果并參照本地區(qū)尾礦庫經(jīng)驗參數(shù)用于尾礦庫動力穩(wěn)定分析計算，各巖土層力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 尾礦材料的基本物理力學(xué)指標(biāo)

表2 尾礦材料的動力物理力學(xué)指標(biāo)

4 壩基地震動參數(shù)與地震波選取

考慮壩體的幾何特征、力學(xué)參數(shù)與地震過程中壩體的動力反應(yīng)與液化危險性的相關(guān)性，同時考慮直接與基巖輸入地震動的組成特性有關(guān)。根據(jù)庫區(qū)場地的地震危險性分析結(jié)果確定動力計算所需的設(shè)計地震動參數(shù)[14]，主要包括基巖地面運動最大(峰值)加速度(Sv/Sh=0.5、Sh=170 Gal)、地震持續(xù)時間(T=16 s)。

考慮壩體可能遭遇地震作用時間的不確定性，采用等效線性模型來反映尾礦壩在地震荷載作用下的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，采用實測El Centro波和Taft地震波按設(shè)計峰值地震加速度和振動時間進(jìn)行調(diào)整得到基巖輸入地震時程曲線；按照現(xiàn)行《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[15](GB50191—2012)規(guī)定的生成一條人工地震波曲線，地震波時程如圖4所示。

圖4 地震波時程曲線與反應(yīng)譜曲線

由圖4(d)可看出，三條地震波反應(yīng)譜與設(shè)計反應(yīng)譜曲線基本一致說明選取地震波合理。本文主要采用人工合成的地震波時程曲線對尾礦庫堆積標(biāo)高734.4 m(現(xiàn)狀標(biāo)高)、785 m時進(jìn)行動力穩(wěn)定性分析。

5 動力穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 地震過程中尾礦庫動力反應(yīng)分析

在進(jìn)行動力分析前先分析尾礦庫各單元靜應(yīng)力水平都小于1可以保證計算剖面的靜力平衡穩(wěn)定。從地震過程中最大動剪應(yīng)力分布云圖圖5、圖6可以看出最大剪應(yīng)力集中在尾礦庫的壩頂?shù)撞繀^(qū)域，剪應(yīng)力集中區(qū)域隨著壩體的加高由初期壩向壩頂方向擴(kuò)展。

圖5 堆積標(biāo)高為734.4 m時最大動剪應(yīng)力分布

圖6 堆積標(biāo)高為785.0 m時最大動剪應(yīng)力分布

從圖7、圖8可以看出尾礦壩壩頂標(biāo)高734.4 m時最大加速度為1.5 m/s2，方向為水平方向，加速度放大系數(shù)為1.5；從圖9、圖10可以看出，尾礦壩壩頂標(biāo)高785.0 m時最大加速度為1.1 m/s2，方向為水平方向，加速度放大系數(shù)為1.1。

圖7 堆積標(biāo)高為734.4 m時壩頂水平加速度反應(yīng)

圖8 堆積標(biāo)高為734.4 m時壩頂豎向加速度反應(yīng)

圖9 堆積標(biāo)高為785.0 m時壩頂水平加速度反應(yīng)

圖10 堆積標(biāo)高為785.0 m時壩頂豎向加速度反應(yīng)

5.2 尾礦庫殘余變形分析

人工地震波作用下尾礦庫殘余變形云圖見圖11、圖12。由圖11、圖12可以看出，不同壩體標(biāo)高下尾礦庫典型剖面上的殘余變形形狀對比通過放大尾礦庫的殘余變形，可看出殘余變形較大的區(qū)域集中在壩頂附近。

當(dāng)壩體標(biāo)高為734.4 m、785.0 m時，尾礦庫最大殘余變形為0.20 m和0.30 m；根據(jù)設(shè)計單位提供的調(diào)洪驗算可知，堆積標(biāo)高為734.4 m、785.0 m時，尾礦庫的最小安全超高分別為2.50 m、2.70 m，根據(jù)規(guī)范地震壅浪取1.00 m和1.40 m時，震后尾礦庫的最小安全超高大于1.30 m、1.40 m滿足相關(guān)規(guī)范對最小安全超高的要求。

圖11 標(biāo)高為734.4 m時殘余變形圖

圖12 標(biāo)高為785 m時殘余變形圖

5.3 尾礦庫液化區(qū)分析

圖13、圖14圖中灰色區(qū)域為液化區(qū)。由于浸潤面埋深較深，浸潤線以上部分為非飽和狀態(tài)，液化分布在沉積灘的飽和區(qū)域。

標(biāo)高為734.4 m時尾礦庫堆積壩體內(nèi)未出現(xiàn)液化對尾礦壩穩(wěn)定性影響較小。標(biāo)高為755.0 m時液化區(qū)主要包含兩部分區(qū)域，一部分分布在尾礦庫堆積壩內(nèi)，一部分分布在沉積灘的飽和區(qū)域?？紤]到尾礦壩部分區(qū)域發(fā)生了液化，需要對液化后尾礦壩穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖13 標(biāo)高為734.4 m時液化區(qū)分布

圖14 標(biāo)高為785.0 m時液化區(qū)分布

5.4 液化區(qū)穩(wěn)定性分析

根據(jù)人工合成波作用下尾礦庫液化區(qū)的分布特點，所建立的液化區(qū)穩(wěn)定計算模型如圖15所示，圖中陰影部分為液化區(qū)。

圖15 標(biāo)高為785.0 m時液化壩體穩(wěn)定計算模型

根據(jù)地震過程中尾礦壩加速度反應(yīng)，選取壩體加速度反應(yīng)最大時刻壩體加速度分布，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采用瑞典圓弧法計算得到液化區(qū)附近區(qū)域和液化壩體主斷面整體最小安全系數(shù)如圖16和圖17所示。

圖16 液化區(qū)附近局部區(qū)域的最小安全系數(shù)

圖17 液化壩體整體最小安全系數(shù)

計算所得的最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，堆積標(biāo)高為785.0 m時地震作用下液化區(qū)壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求[16]。

6 結(jié) 論

(1) 隨著尾礦壩壩體的加高，地震作用下最大剪應(yīng)力集中在尾礦庫的壩頂?shù)撞繀^(qū)域，剪應(yīng)力集中區(qū)域隨著壩體的加高由初期壩向壩頂方向擴(kuò)展。壩頂最大加速度減小，方向為水平方向，加速度放大系數(shù)減小。

(2) 隨著尾礦壩壩體的加高，尾礦庫最大殘余變形增大，較大的部位集中在壩頂。應(yīng)注意殘余變形較大值附近尾礦壩的施工質(zhì)量，避免殘余變形過大導(dǎo)致尾礦壩出現(xiàn)裂縫。

(3) 隨著壩頂?shù)募痈呶驳V庫液化區(qū)將發(fā)生變化，要注意壩頂加高后尾礦壩部分區(qū)域發(fā)生的液化對尾礦壩穩(wěn)定性的影響。

(4) 從地震作用下液化區(qū)分析結(jié)果來看，堆積壩液化區(qū)出現(xiàn)在浸潤線埋深較淺的區(qū)域附近，應(yīng)特別注意該區(qū)域的尾礦壩施工質(zhì)量，在筑壩過程中，避免該區(qū)域壩體上升速度過快，同時在筑壩過程中增加該區(qū)域尾礦砂的壓實度，在出現(xiàn)液化區(qū)位置建議采取相應(yīng)工程措施，增加尾礦壩材料的相對密度，從而減小尾礦壩的液化區(qū)，增強(qiáng)尾礦壩的動力穩(wěn)定性。

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Analysis of the Higher Capacity Tailing Dam under Earthquake Action

JIA Huihui

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde,Hebei067000,China)

Taking the Zhou Jia Gou tailing Dam as an example this paper developed a two-dimensional numerical model, based on which the earthquake effect influence on the stability of the tailings dam as the fill dam be heightened was analyzed. According to the area venues reservoir, we used the ElCentro wave and Taft wave synthetic artificial seismic wave to analyze the dynamic stability of the tailing dam which include the following aspects the maximum dynamic shear stress distribution, the top level of acceleration response, the residual deformation of tailings and the reservoir of liquefied area change tendency. The results show that as the dam heightening the maximum shear stress concentration in bottom of dam area and extend in the direction early dam to the dam crest; the crest maximum acceleration and the magnification coefficient decreases and the residual deformation of tailing dam increase and Large area appears near the dam crest. As the dam heightening tailings liquefied area will change, therefore more attention should be paid in engineering after heightening dam of the tailing dam area of the occurrence of liquefaction effect.

tailing dam; dynamic stability; dynamic characteristics; seismic wave; liquefaction evaluation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.031

2017-04-17

2017-05-15

賈會會(1983—)，男，河北寬城人，碩士，工程師，主要從事巖土工程、地下工程領(lǐng)域的設(shè)計、研究及穩(wěn)定性分析工作。 E-mail：magic-jia@163.com

TV649

A

1672—1144(2017)04—0157—05