基于FLAC3D余震對尾礦壩穩(wěn)定性影響的研究

曹進海，胡軍

（遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧鞍山114051）

基于FLAC3D余震對尾礦壩穩(wěn)定性影響的研究

曹進海，胡軍

（遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧鞍山114051）

針對余震對尾礦壩穩(wěn)定性的影響問題，以某上游式尾礦壩為例，基于完全非線性有限差分法，從不同余震烈度、網(wǎng)格變形、位移變化及超孔壓比等方面對尾礦壩進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：余震對壩體會造成非常嚴(yán)重的破壞，余震產(chǎn)生的位移偏移量大于主震產(chǎn)生的位移偏移量，以監(jiān)測點B為例，余震結(jié)束時產(chǎn)生的水平位移偏移量是主震結(jié)束時產(chǎn)生的水平位移偏移量的1.75倍；壩體位移偏移量的大小跟余震的烈度有關(guān)，余震烈度越大，壩體的偏移量就越大；當(dāng)壩體內(nèi)土體處于飽和時，余震發(fā)生時壩體內(nèi)超孔壓比能夠迅速達到主震作用時的超孔壓比值，尤其當(dāng)強余震作用時這種現(xiàn)象更為明顯，從而證明余震對壩體的穩(wěn)定性是有較大影響的，其分析結(jié)果可為后續(xù)尾礦壩的抗震設(shè)計及壩體的防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

尾礦壩；完全非線性；超孔壓比；余震；FLAC3D；壩體穩(wěn)定性

0 引言

尾礦壩是礦山生產(chǎn)的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計，我國尾礦壩90%以上均采用上游式筑壩，該筑壩方式操作簡單、成本相對較低，但是安全性不高，主要體現(xiàn)在壩體浸潤線過高，壩體、沉積灘在動力作用下容易失穩(wěn)液化，嚴(yán)重影響著礦山企業(yè)及下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。目前，基于滲流及動力因素對尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析已經(jīng)很多，而且大多數(shù)學(xué)者和科研人員已經(jīng)作了較為系統(tǒng)的研究[1-7]。例如，趙天龍等[4]通過對尾礦壩與擋土石壩在潰壩機理和潰壩過程方面的對比分析，指出了我國尾礦壩當(dāng)前理論研究中存在的問題，并對今后的研究方向提出了建設(shè)性意見；潘建平[5]通過采取在尾礦子壩鋪設(shè)土工織物及在初期壩外坡施加反壓體等措施對尾礦壩進行動力分析，提出了一種有效的尾礦壩綜合抗震措施；張力霆等[6]采用有效應(yīng)力法從加速度、動孔壓及液化區(qū)等方面對尾礦壩的動力特性進行了分析。但是就余震對尾礦壩穩(wěn)定性影響這方面的研究至今還鮮有評價[8-9]，雖說余震的破壞性不如主震的破壞性大，但是壩體在經(jīng)歷過主震以后其安全性大大降低，并且已出現(xiàn)不同程度的損壞，再經(jīng)歷余震很容易造成決定性破壞；另一方面，單次余震的破壞性不大，但是主震過后往往伴隨著數(shù)天或數(shù)月的余震，多次連續(xù)的余震作用對尾礦壩破壞性的疊加，其危害性是不能被忽視的。例如，1976年的唐山大地震，當(dāng)天就發(fā)生了兩次強烈余震，其震級達到6.5級和7.1級。因此深入研究余震對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，對進一步提升尾礦壩等土工構(gòu)筑物防災(zāi)減災(zāi)能力具有重大的理論及現(xiàn)實意義。

本文基于FLAC3D顯式有限差分軟件[10]，采用完全非線性有限差分法，從余震震級角度模擬余震對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，從壩體變形、位移變化及超孔壓比等方面對尾礦壩進行了系統(tǒng)的分析，其分析結(jié)果可為提升運行中尾礦壩的防災(zāi)減災(zāi)能力及今后尾礦壩的抗震設(shè)計提供可行性依據(jù)。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 工程概況

某尾礦壩采用上游法修筑，初期壩為透水堆石壩，壩底標(biāo)高為1 130 m，初期壩壩高20 m，壩頂寬為6 m，外坡坡度為1∶2、內(nèi)坡坡度為1∶1.8；堆積壩壩頂標(biāo)高1 250 m，總壩高為120 m，壩坡下游坡度為1∶4，沉積灘上游坡度為1∶100；干灘長度取200 m；計算區(qū)域的水平距離取750 m。該尾礦庫設(shè)計總庫容約為2.3億m3，匯水面積約為3.3 km2，屬于二等尾礦庫。

1.2 模型建立及參數(shù)確定

計算時選取的斷面為尾礦壩中心最大斷面，由于尾礦庫成分比較復(fù)雜，為便于分析計算，現(xiàn)將模型概化見圖1。壩體位于未風(fēng)化的基巖上，在計算中不予考慮。根據(jù)勘察材料和尾礦壩材質(zhì)特點對模型進行網(wǎng)格剖分，剖分單元以六面體單元為主，相比四面體單元大大改善了網(wǎng)格的質(zhì)量，有效提高了模型的計算精度，單元剖分?jǐn)?shù)為7 720個，節(jié)點剖分?jǐn)?shù)為7 942個，剖分結(jié)果如圖2所示。尾礦壩整體穩(wěn)定性主要取決于壩坡的穩(wěn)定性，故本次研究取初期壩壩頂處、壩坡中間位置處及堆積壩壩頂附近三個典型位置作為監(jiān)測點進行壩體穩(wěn)定性分析，即圖1中標(biāo)記的A、B、C點作為計算分析中位移變化的監(jiān)測點。邊界條件：初始應(yīng)力場生成采取模型底部固定，側(cè)向水平向固定；動力計算部分，模型底部水平和豎向約束釋放，堆料側(cè)向水平固定，地震波從模型底部輸入。

現(xiàn)將尾礦庫土層簡化為尾中砂、尾粉細(xì)砂和尾粉質(zhì)黏土三層，其材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 尾礦壩概化模型剖面圖Fig.1Profile of the generalized model of tailings dam

圖2 尾礦壩網(wǎng)格剖分Fig.2Grid subdivision of tailings dam

表1 尾礦庫土層材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1Physical and mechanical parameters of the soil in the tailings dam

2 地震波的確定

研究主要針對余震對尾礦壩的影響，由于地震波的復(fù)雜性和余震的不連續(xù)性，在實際模擬中無法實現(xiàn)，為了較真實地模擬余震對壩體產(chǎn)生的影響，本次地震波的確定是在一條主震波的基礎(chǔ)上添加不同烈度的地震波來模擬余震的發(fā)生，即在主波的基礎(chǔ)上延長地震波的作用時間來模擬余震對尾礦壩穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

本次研究分兩種工況：選取一種主震波和兩種不同加速度峰值的余震波，即工況一：主震PGA為0.15 g（持時20 s）+時間間隔（持時10 s）+余震PGA為0.075 g（持時20 s）；工況二：主震PGA為0.15 g（持時20 s）+時間間隔（持時10 s）+余震PGA為0.03 g（持時20 s）。地震波取Elcentro波，僅考慮水平向地震波的影響，輸入波形見圖3。

圖3 水平向地震加速度時程曲線Fig.3Time history curve of horizontal to seismic acceleration

3 計算結(jié)果分析

FLAC3D適用于非線性大變形分析，具有自動計算永久變形的優(yōu)點，在巖土工程數(shù)值分析方面得到廣泛應(yīng)用，壩體變形和液化是評判尾礦壩穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)LAC3D對這兩大指標(biāo)能夠進行系統(tǒng)的計算分析，因此針對余震對尾礦壩穩(wěn)定性影響的問題，本文從永久變形和壩體液化兩方面進行研究，采用兩種不同工況的震級進行對比分析震級對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，通過數(shù)值模擬計算，得出結(jié)論。

3.1 永久變形及位移分析

圖4 余震作用下監(jiān)測點位移時程曲線Fig.4Displacement time history curve of the monitoring point under the action of aftershocks

本文就兩種不同工況下尾礦壩產(chǎn)生的殘余變形和壩體不同位置產(chǎn)生的位移進行對比分析。由圖4可知，壩坡在主震結(jié)束之后變形仍在持續(xù)，而且變化較大，從三個監(jiān)測點的位移時程曲線可以看出，變化趨勢是一致的，而且無論是水平位移還是沉降位移最大值均出現(xiàn)在監(jiān)測點B附近，而不是出現(xiàn)在壩頂，主要是因為監(jiān)測點B往下位置浸潤線離壩坡較近，在地震作用下發(fā)生了大變形，由圖5變形區(qū)的分布可以證明這一點。現(xiàn)以監(jiān)測點B為例進行分析，由水平位移時程曲線可知，主震結(jié)束時最大位移值為1.6 m，主震和余震之間有10 s的間隔區(qū)，在20～30 s之間水平位移仍在繼續(xù)滑移余震開始前最大位移值為2.6 m，即無動荷載作用下，10 s時間壩體水平向發(fā)生約1 m的滑移，主要原因在于，一方面10 s的間隔時間太短，壩體還沒有來得及進行排水固結(jié)，另一方面在主震作用下壩體已發(fā)生擾動，尤其監(jiān)測點B的下游附近已發(fā)生大變形，在這種情況下壩體即便在靜載作用下也會發(fā)生較大變形，因此在做尾礦壩動力分析時，應(yīng)該分析動荷載結(jié)束之后一段時間內(nèi)的壩體變形情況，這樣更有助于對壩體變形情況的準(zhǔn)確性表述；余震PGA為0.075 g時，監(jiān)測點B水平位移最大值約為5.4 m，變化量為2.8 m，即余震（PGA為0.075 g）作用下監(jiān)測點B的水平位移變化量是主震水平位移變化量的1.75倍，由圖5壩體的網(wǎng)格變形情況也可證明這一點，余震（PGA為0.075 g）結(jié)束時壩體的變形幅度明顯大于主震結(jié)束時壩體的變形幅度；余震加速度峰值取主震加速度峰值的一半，位移卻是主震的1.75倍，說明余震雖小但是壩體已經(jīng)發(fā)生破壞，當(dāng)動荷載再次作用下，壩體將會發(fā)生較大的變形，而且由余震PGA為0.03 g時，相同位置產(chǎn)生的變形情況也可看出，余震PGA為0.03 g時，監(jiān)測點最終水平位移值約為4.9 m，相較余震PGA為0.075 g時的5.4 m，雖然有所減小，但是并沒有阻礙壩體發(fā)生較大的變形，因此余震的破壞作用是非常大的。豎向沉降位移的變化情況跟水平位移的變化情況相似，在此不再贅述。

此外，由兩種不同余震烈度工況計算結(jié)果對比可知，余震烈度的大小對壩體變形是有影響的，余震烈度越大壩體位移變化越大，以監(jiān)測點B為例，余震PGA為0.03 g時，水平和沉降最大位移值分別為4.9 m和1.8 m；余震PGA為0.075 g時，水平和沉降最大位移值分別為5.4 m和1.9 m；烈度增大一倍，位移變化量分別增大0.5 m和0.1 m。

綜上所述，余震的破壞性是大于主震的破壞性的，因此余震對壩體穩(wěn)定性的影響是不能被忽視的。

3.2 液化區(qū)分析

在數(shù)值分析中由于計算精度的影響，常用超孔壓比描述液化程度，針對余震對尾礦壩液化區(qū)影響問題，現(xiàn)運用FLAC3D中強大的內(nèi)嵌fish語言功能編寫超孔壓比程序?qū)ι鲜鰞煞N工況進行模擬，其計算結(jié)果如圖6、圖7。

圖6 監(jiān)測點A、B、C的超孔壓比時程曲線Fig.6Time history curve of the monitoring point under the condition of super pore pressure

由圖6不同監(jiān)測點超孔壓比時程曲線可以看出，在余震作用下，不同位置超孔壓比變化趨勢是不同的。由圖6（a）可知，主震結(jié)束后監(jiān)測點A附近超孔壓比值在20～30 s內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，沒有孔壓的消散，當(dāng)余震發(fā)生時超孔壓比迅速又恢復(fù)到主震時的水平，主要原因在于監(jiān)測點A取在了初期壩上游附近該處由于浸潤線埋深較淺，尾礦砂飽和區(qū)較大，而且在主震結(jié)束后孔壓未來得及消散，因此當(dāng)余震再次作用時，超孔壓比迅速開始增長；由圖6（a）還可以看出，余震烈度對超孔壓比是有影響的，烈度越大超孔壓比變化幅度就越大，土體結(jié)構(gòu)擾動也就越大。由圖6（b）可知，在余震作用時，超孔壓比沒有出現(xiàn)上升的趨勢，向下波動的幅度較大，兩種不同余震烈度作用下，壩體反應(yīng)的趨勢基本一致，主要原因在于監(jiān)測點B下游區(qū)域發(fā)生較大變形，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔壓得到一定程度的消散，所以在余震PGA為0.075 g時，超孔壓比減小幅度較大。由圖6（c）可以看出，當(dāng)主震結(jié)束后20～30 s靜載時間段內(nèi)孔壓有消散的趨勢，而且當(dāng)余震作用后超孔壓比仍然在降低，原因在于，監(jiān)測點C位于壩頂附近，離浸潤線較遠，當(dāng)主震發(fā)生時土體內(nèi)孔壓迅速增長，當(dāng)主震結(jié)束時孔隙水在重力作用下回流，孔壓得以較快的消散，當(dāng)余震再次作用時，由于土體已經(jīng)固結(jié)，而且余震烈度較小，達不到使該部分土體孔壓上升的能量，所以監(jiān)測點C處在主震結(jié)束后尾礦砂孔壓一直處于消散的狀態(tài)。由此可以看出，只要孔壓能夠得到有效的消散，余震作用下壩體的穩(wěn)定性還是比較好的。由圖7不同階段、不同烈度作用下壩體超孔壓比等值線云圖可以看出，三種狀態(tài)下超孔壓比最大值分布區(qū)域基本是一致的，而且三種狀態(tài)壩坡的超孔壓比分布基本沒有變化，說明當(dāng)主震結(jié)束后，余震再次作用時壩體內(nèi)超孔壓比仍能達到原來的狀態(tài)，分析結(jié)果與圖6結(jié)果一致。

圖7 壩體超孔壓比等值線圖Fig.7Contour map of the dam body under the condition of super pore pressure ratio

4 結(jié)論

本文以某上游式尾礦壩為例，基于FLAC3D顯式有限差分軟件，采用完全非線性有限差分法，通過從網(wǎng)格變形、殘余變形及超孔壓比等方面系統(tǒng)分析了余震對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，根據(jù)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：余震對壩體的穩(wěn)定性有非常大的影響，主要體現(xiàn)在壩體的殘余變形上，而且主震結(jié)束后壩體由于結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在靜荷載作用下壩體還會繼續(xù)發(fā)生較大變形，這一點在尾礦壩動力分析時是很容易被大部分人忽略的。余震作用下，壩體產(chǎn)生的位移變化量要大于主震作用下產(chǎn)生的變化量，而且隨著余震震級的增大，壩體變形量也逐漸增大；從超孔壓比的角度分析壩體液化情況可以看出，處于飽和區(qū)的土體再次發(fā)生余震時可以迅速達到原來的狀態(tài)，甚至液化區(qū)范圍更大，非飽和區(qū)孔壓有所降低，整體變化不明顯。因此余震對壩體的穩(wěn)定性是有較大影響的；在今后的工程分析中余震因素應(yīng)該得到廣大學(xué)者、科研人員的高度重視。

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The Impact of Aftershocks on the Stability of Tailings Dam based on FLAC3D

CAO Jinhai,HU Jun
(School of Civil Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,Liaoning,China)

In light of the influence of aftershocks on the stability of tailings dams,this paper studies performs numerical simulation analysis of an upstream tailings dam from the aspects of aftershock intensity,grid deformation, displacement change and excess pore pressure ratio.The results show that the aftershocks cause very serious damage to the dam for the displacement caused by aftershocks is greater than that of the main shock.Taking the monitoring point B as an example,the horizontal displacement generated at the end of the aftershock is 1.75 times generated at the end of the main shock.The greater the aftershock magnitude is,the greater the displacement of the dam will be. When the soil in the dam is saturated,the overpressure ratio in the dam after the aftershock can quickly reach the overpressure ratio when the main shock is applied,especially under the conditions of strong aftershocks.It shows that the aftershock has a large impact on the dam stability.The results provides favorable reference for the seismic design,disaster prevention and reduction of tailings dam.

tailings dam;fully nonlinear;super pore pressure ratio;aftershocks;FLAC3D;stability of tailing dam

TV641

A

（編輯：劉新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.04.013

2017-05-11

國家自然科學(xué)基金項目（51274053）

曹進海（1990-），男，碩士研究生，主要從事尾礦壩動力分析及尾礦壩穩(wěn)定性監(jiān)測等相關(guān)方面的研究。

胡軍（1977-），男，教授，博士，主要從事尾礦壩穩(wěn)定性監(jiān)測、巖土邊坡穩(wěn)定性評價等相關(guān)方面的研究。