考慮滲流與應(yīng)力耦合作用的尾礦壩穩(wěn)定性分析

岳濱

摘要：根據(jù)尾礦庫的現(xiàn)場實(shí)測的工程條件，采用非線性有限元軟件ABAQUS建立某斷面的二維數(shù)值模型。結(jié)果表明：浸潤線從內(nèi)側(cè)坡面至下游外側(cè)臨空壩面逐漸降低，經(jīng)過初期壩后下降明顯，溢出點(diǎn)在下游壩趾上約10m處。現(xiàn)在標(biāo)高下尾礦壩的安全系數(shù)為1.63，最小系數(shù)的滑面位于壩體外側(cè)的中上部，近似圓弧滑動(dòng)；最小安全超高下的終高尾礦壩安全系數(shù)為1.43，不穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大，滲流溢出點(diǎn)在壩趾上約25m。均大于規(guī)范最小安全系數(shù)1.25。因此該尾礦壩的處于安全狀態(tài)。

Abstract： According to the engineering conditions measured in the tailings dam field， a two-dimensional numerical model of a section was established by nonlinear finite element software ABAQUS. The results show that the infiltration line gradually decreases from the inner slope to the downstream outer dam， and then drops obviously after the initial dam. The overflow point is about 10m on the downstream dam toe. At present， the safety coefficient of the tailings dam under elevation is 1.63. The minimum coefficient slip surface is located in the middle and upper part of the outer side of the dam， sliding approximately in the same way. The safety factor of tailing tailings dam with minimum safety height is 1.43， the seepage spill point is about 25m above the dam toe. Both are greater than the standard minimum safety factor of 1.25. Therefore， the tailings dam is in a safe state.

關(guān)鍵詞：尾礦壩；滲流與應(yīng)力耦合；極限平衡法；ABAQUS；穩(wěn)定系數(shù)

Key words： tailings dam；seepage and stress coupling；limit equilibrium method；ABAQUS；stability coefficient

中圖分類號：TV698.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0177-03

0 引言

尾礦壩邊坡安全性分析是邊坡工程中的重要研究范圍，其研究方法主要有兩類：極限平衡法、有限元（數(shù)值）法。李亞俊[1]等利用FLAC軟件對尾礦壩進(jìn)行數(shù)值模擬，得到安全系數(shù)，為安全生產(chǎn)提供保障。本文通過ABAQUS軟件考慮滲流與應(yīng)力相互影響，結(jié)合強(qiáng)度折減有限元法的原理對某尾礦庫進(jìn)行壩體穩(wěn)定性計(jì)算，對壩體的安全進(jìn)行評價(jià)[2]，提出監(jiān)測以及相對應(yīng)治理措施。

1 工程概況

該尾礦庫為山谷型尾礦庫，初期壩為黏土斜墻砌石壩，高38m，頂寬度為10m，壩基標(biāo)高72m。后期堆積壩利用選礦的尾砂進(jìn)行中線法分層堆筑，壩體最終高度為208m，內(nèi)坡平均比1：2.5，外坡平均比1：3。按照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》[3]，該尾礦庫屬于二等尾庫。當(dāng)前的堆筑壩為12期子壩，壩高177m，外坡比是1：1.53，頂寬40m。干灘呈弧形，長300m，庫內(nèi)廢水標(biāo)高為218m，壩體外側(cè)出現(xiàn)溢流，水量不大。

根據(jù)企業(yè)工勘資料，該尾礦壩自上而下劃分為尾礦砂、粘土堆石（初期壩）、千枚巖（基巖）。對壩體采樣進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)，得到如表1、2、3所示的數(shù)值模擬所需的力學(xué)參數(shù)。

2 壩體安全穩(wěn)定性的ABAQUS數(shù)值計(jì)算

2.1 滲流穩(wěn)定性計(jì)算與分析

浸潤線[4]的計(jì)算對尾礦壩的安全穩(wěn)定性十分重要。根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相對比，分析浸潤線的變化規(guī)律。

尾礦庫采用孔隙流體/應(yīng)力單元，在property模塊中，將模型各分層定義不同的材料屬性，并依次劃分為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元選擇四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變孔壓單位。滲流網(wǎng)格模型圖如圖1所示。

在該模型中不考慮土體應(yīng)力狀態(tài)的改變對滲透系數(shù)的影響，也不考慮滲流狀態(tài)的改變對巖土強(qiáng)度參數(shù)的影響。

①近況下壩體內(nèi)的孔壓等值云圖2所示。

由圖2、3可知，孔壓為零的面為尾礦壩的浸潤線，浸潤線的右上方孔壓為負(fù)值，意味著非飽和區(qū)，左下方孔壓為正值，則說明該區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。壩體外側(cè)溢出點(diǎn)在壩底以上10m左右，與實(shí)際情況相符合。

②最小安全超高下的終高尾礦壩運(yùn)行條件下浸潤線計(jì)算：結(jié)果見圖4。

由圖4可知，和現(xiàn)狀尾礦壩相比，隨著壩體加高，孔壓自上而下逐漸增大，飽和線（浸潤線）上移，下游溢出點(diǎn)上移，約在25m?？赡軙误w產(chǎn)生滲流破壞與溢出。

2.2 應(yīng)力及位移分析

建立尾礦壩二維有限元靜力分析模型，結(jié)合強(qiáng)度折減理論，對庫內(nèi)蓄水時(shí)進(jìn)行模擬，得到位移場分布情況。

由圖5可見，蓄水將引起內(nèi)側(cè)壩體微抬，外側(cè)壩體有向下的位移增量，豎直方向的位移變形較水平方向的位移變形顯著。因此，當(dāng)汛期庫水位升高時(shí)，下游壩體也將產(chǎn)生水平及豎向位移增量，對壩體穩(wěn)定性不利。

2.3 各種標(biāo)高下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

①現(xiàn)狀尾礦壩滲流與應(yīng)力耦合的數(shù)值模擬結(jié)果。

正常運(yùn)行壩體穩(wěn)定性最小安全系數(shù)的塑形云圖及對應(yīng)位移云圖見圖6。

在正常工況下（干灘現(xiàn)在長為300m，蓄水位為146 m），數(shù)值模擬的結(jié)果如圖6所示，最小安全系數(shù)為1.63，穩(wěn)定系數(shù)高于規(guī)范中要求的最小值。故可以判斷現(xiàn)在狀況下的尾礦壩是安全穩(wěn)定的。

②最小安全超高下的終高尾礦壩的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。

尾礦庫設(shè)計(jì)的最終堆筑標(biāo)高為280m（實(shí)際最高為208m），壩高大于100m且總庫容超過8.35億m3，該尾礦庫的等別為二等，防洪安全超過按最低標(biāo)準(zhǔn)3.5m考慮。此時(shí)工況下壩體穩(wěn)定性最小安全系數(shù)的塑形云圖及對應(yīng)位移云圖見圖7。

壩體終高時(shí)洪水條件下（最高水位+壩體自重），根據(jù)強(qiáng)度折減法，得到的安全系數(shù)為1.43。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果高于規(guī)程中的最小值，因此，可以判定最小安全超高下的尾礦壩是安全穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

①用ABAQUS軟件對尾礦壩進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過等壓云圖，獲得了其現(xiàn)狀浸潤線特點(diǎn)，浸潤線從內(nèi)側(cè)坡面至下游外側(cè)臨空壩面逐漸降低，經(jīng)過初期壩后下降明顯，溢出點(diǎn)在下游壩趾以上約10m處。

②最小安全超高下的終高尾礦壩安全系數(shù)為1.43，不穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大，滲流溢出點(diǎn)在壩趾以上約25.0m。

③現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)終高時(shí)尾礦壩體的最小穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范中規(guī)定的二等壩的安全系數(shù)1.25。實(shí)際監(jiān)測中，壩體中上部位有發(fā)生小規(guī)模的滑塌，對壩體穩(wěn)定影響不大。

參考文獻(xiàn)：

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