靜動(dòng)力條件下尾礦庫(kù)擴(kuò)容穩(wěn)定性分析

朱品竹， 蔣歡， 秦政， 林鳳翻， 石文芳， 何文

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

0 引 言

尾礦庫(kù)作為礦山低品位資源的儲(chǔ)存場(chǎng)地，其存儲(chǔ)尾礦的能力和安全運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到礦山的正常生產(chǎn)和礦區(qū)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，是一個(gè)重大危險(xiǎn)源[1].近年來(lái)，隨著礦業(yè)迅速發(fā)展，大部分礦山企業(yè)面臨尾礦庫(kù)容量不足的難題.為節(jié)約用地及投資，許多礦山采用現(xiàn)有尾礦庫(kù)擴(kuò)容加高的方式延長(zhǎng)尾礦庫(kù)服務(wù)年限，滿足其堆存尾礦的需求.然而尾礦庫(kù)擴(kuò)容加高普遍存在一些問(wèn)題[2]：壩體不斷加高，其穩(wěn)定性規(guī)律未知；隨著壩體的升高，其庫(kù)水位也不斷抬高，尾礦壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低.

尾礦壩在堆積過(guò)程中，壩坡經(jīng)受長(zhǎng)期多循環(huán)水力充填以及固結(jié)沉降作用，尾礦材料呈層狀特性，其多相性與不均勻性使尾礦壩的分析較通常的邊坡或土石壩更為復(fù)雜.在靜力堆載作用下，由于壩體邊坡過(guò)陡和浸潤(rùn)線過(guò)高而導(dǎo)致尾礦壩失穩(wěn)的情況時(shí)有發(fā)生，如陜西商洛尾礦壩潰壩就是由于擴(kuò)容使壩體邊坡過(guò)陡而引發(fā)的重大安全事故，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.在地震動(dòng)荷載作用下，細(xì)粒尾砂和飽和的填土體內(nèi)產(chǎn)生高孔隙水壓力，堆石壩由于地震液化不具有較高強(qiáng)度，是導(dǎo)致尾礦壩失穩(wěn)的主要原因[3-4].如1996年秘魯納茲卡上游式尾礦壩在地震中液化30萬(wàn)m3尾礦潰壩.因此，分析靜力堆載和地震動(dòng)荷載作用下的尾礦庫(kù)穩(wěn)定性具有十分重要的意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些可以用于評(píng)價(jià)尾礦壩穩(wěn)定性分析的方法如擬靜力分析法、Newmark滑塊分析法、動(dòng)力有限元法和有限差分法等[5-11].其中，D.Chakraborty等[5]采用 FLAC3D等軟件對(duì)某個(gè)土質(zhì)尾礦壩的典型橫斷面進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，得出地震作用對(duì)壩體的變形影響嚴(yán)重并且尾礦壩的底層輸入加速度沿壩高存在放大效應(yīng).本文基于Geo-studio巖土數(shù)值分析軟件中的Quake/W和Slope/W模塊，采用有限元極限平衡法對(duì)現(xiàn)階段尾礦壩和擴(kuò)容加高后的尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性分析.有限元法考慮了潛在滑移體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，具有嚴(yán)密的理論體系，是目前最廣泛的數(shù)值分析方法，同時(shí)極限平衡法計(jì)算安全系數(shù)概念明確、工程實(shí)用.有限元極限平衡法，是有限元和極限平衡法的結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以有限元應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，確定最危險(xiǎn)滑移面，同時(shí)得到更精準(zhǔn)可靠的安全系數(shù)，是尾礦壩壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要手段[12-18].

文中以某尾礦庫(kù)為例，結(jié)合工程鉆探得到的樣品，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)得到了各土層的物理力學(xué)參數(shù)及土層分布狀況.結(jié)合靜力和動(dòng)力分析，確定危險(xiǎn)滑移面的位置，計(jì)算出現(xiàn)階段尾礦壩和擴(kuò)容加高后的尾礦壩在VI度地震條件下的最小安全系數(shù)以及對(duì)應(yīng)的水平位移變化量，驗(yàn)證其是否滿足尾礦壩安全管理的相關(guān)要求.

1 工程概況

某尾礦庫(kù)初期壩為堆石透水壩，其壩頂標(biāo)高為138.9 m，初期壩高為18 m、壩頂寬為4 m，外坡坡比1∶1.97.后期堆積壩采用上游法筑壩方式，子壩共有七級(jí)，每級(jí)子壩高度約為2 m，外坡坡比1∶5.5.目前尾礦壩總體高約32 m，壩長(zhǎng)為127 m，屬于四等尾礦庫(kù).根據(jù)“中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖（1990）”，該尾礦庫(kù)所處區(qū)域的地震烈度基本小于VI度，礦區(qū)屬地振動(dòng)參數(shù)0.05 g區(qū)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為30 s.數(shù)值模擬過(guò)程中，在尾礦壩外坡坡腳處輸入水平方向的地震波，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，暫不輸入豎直方向的地震波.

根據(jù)該尾礦庫(kù)后期擴(kuò)容加高設(shè)計(jì)，后期加高的尾礦仍采用上游筑壩方式對(duì)尾礦壩整體加高10 m，即在現(xiàn)有最頂端子壩的基礎(chǔ)上從壩軸線沿著坡面向庫(kù)區(qū)內(nèi)部延伸，加高后的坡比仍與原有堆積壩外坡坡比保持一致.按照礦山現(xiàn)有生產(chǎn)能力，尾礦庫(kù)以每年2 m的速度進(jìn)行加高設(shè)計(jì)，分析尾礦壩在靜力堆載作用和地震作用下的位移場(chǎng)、壩體的危險(xiǎn)滑移面和安全系數(shù).

2 尾礦壩靜力學(xué)分析

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果，建立尾礦庫(kù)地形地質(zhì)剖面圖，見圖1.該剖面圖主要由基巖、堆石壩體、素填土、尾細(xì)砂、尾粉砂、尾亞砂、尾輕亞粘、尾重亞粘、尾礦泥等九種材料組成，結(jié)合地形地質(zhì)圖選擇有代表性的剖面，運(yùn)用Geo-studio軟件建立現(xiàn)階段尾礦壩計(jì)算模型，見圖2.

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合庫(kù)區(qū)進(jìn)行的工程鉆探，由室內(nèi)土工試驗(yàn)得到了各土層的物理力學(xué)參數(shù)，確定用于模型計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

2.3 邊界條件

圖1 尾礦庫(kù)地形地質(zhì)剖面圖

圖2 現(xiàn)階段尾礦壩計(jì)算模型

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)尾礦壩進(jìn)行靜力分析時(shí)，需要對(duì)計(jì)算模型賦予邊界條件，包括位移邊界條件和水位邊界條件[19-21].根據(jù)長(zhǎng)期浸潤(rùn)線觀測(cè)數(shù)據(jù)資料結(jié)合庫(kù)區(qū)的工程鉆探勘察結(jié)果，從而確定剖面的浸潤(rùn)線埋深，設(shè)置水位邊界條件的計(jì)算模型見圖3.

圖3 實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線位置

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)現(xiàn)階段及擴(kuò)容加高后的尾礦庫(kù)剖面進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，得到了靜力條件下不同加高高度的尾礦壩安全系數(shù)，見表2.

表2 靜力條件下不同加高高度的尾礦壩安全系數(shù)

通過(guò)表2可得出，靜力堆載條件下，尾礦壩每加高2 m，安全系數(shù)平均減小0.0618，現(xiàn)階段尾礦壩的安全系數(shù)為1.821，擴(kuò)容加高10 m后的尾礦壩安全系數(shù)為1.512，均滿足《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）要求.

3 地震對(duì)尾礦壩的影響

將當(dāng)?shù)氐卣鹁植杉降牧叶葹閂I度地震信號(hào)導(dǎo)入到Geo-studio軟件的有限元?jiǎng)恿W(xué)Quake/W模塊中，得到了烈度為VI度地震條件下剖面的振動(dòng)加速度與時(shí)間的關(guān)系，見圖4.

圖4 地震加速度與時(shí)間關(guān)系曲線

3.1 地震對(duì)現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性影響

將圖4中的地震波形以加速度的形式加載至現(xiàn)階段尾礦庫(kù)剖面持續(xù)作用30 s.當(dāng)Quake/W動(dòng)力學(xué)模塊完成尾礦壩振動(dòng)計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Geo-studio軟件的Slope/W模塊，采用Newmark Deformation方法計(jì)算分析尾礦壩的穩(wěn)定性[22-25].通過(guò)計(jì)算得到地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型云圖（圖5）及安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線（圖6）.

圖5 地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型云圖

圖6 地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖5（a）危險(xiǎn)滑移面云圖中可看出，地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)滑移面集中在初期壩；由圖5（b）水平位移云圖可得，地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最大水平位移為0.59 mm.從圖6地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線中可看出，地震作用下現(xiàn)階段尾礦壩的安全系數(shù)隨時(shí)間的增加呈規(guī)律性上下波動(dòng)變化，本文取地震波持續(xù)作用30 s內(nèi)安全系數(shù)的最小值作為尾礦壩的安全系數(shù)，即圖6中的安全系數(shù)最小值1.453.

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段尾礦壩進(jìn)行地震動(dòng)力分析，采用Newmark Deformation方法計(jì)算出現(xiàn)階段尾礦壩在VI度地震條件下的最小安全系數(shù)為1.453，滿足《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）要求.通過(guò)對(duì)尾礦壩的位移場(chǎng)分析，能夠得到地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最大水平位移為0.59 mm.

3.2 地震對(duì)擴(kuò)容加高尾礦壩穩(wěn)定性影響

以相同的方式將圖4中的地震波形以加速度的形式加載至后期擴(kuò)容加高后的尾礦庫(kù)剖面持續(xù)作用30 s.由于本文篇幅有限，故列出加高至10 m后的尾礦壩計(jì)算過(guò)程.采用同樣的模擬計(jì)算方法，得到地震條件下加高10 m后尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型云圖（圖7）以及安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線（圖8）.

圖7 地震條件下加高10 m尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型云圖

圖8 地震條件下加高10 m尾礦壩安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖7（a）危險(xiǎn)滑移面云圖中可看出，地震條件下加高10m后尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)滑移面集中在堆積壩；由圖7（b）水平位移云圖可得，地震條件下加高10 m后尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最大水平位移為8.13 mm.從圖8地震條件下加高10 m后尾礦壩安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線中可得出，安全系數(shù)隨時(shí)間的增加呈上下波動(dòng)變化，且最小值為1.196.

對(duì)加高后的尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算得出，地震條件下，隨著尾礦壩不斷加高，尾礦壩的整體穩(wěn)定性逐漸降低，加高到10 m，尾礦壩的最小安全系數(shù)為1.196，滿足 《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）要求.通過(guò)對(duì)尾礦壩的位移場(chǎng)分析，得出地震條件下加高10 m后尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最大水平位移量為8.13 mm.

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算，得到了地震條件下不同加高高度的尾礦壩最小安全系數(shù)，見表3.

表3 地震條件下不同加高高度的尾礦壩最小安全系數(shù)

參照《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》，現(xiàn)階段尾礦庫(kù)和后期加高擴(kuò)容10 m后尾礦庫(kù)均屬于四等庫(kù)，按瑞典圓弧法計(jì)算尾礦壩抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應(yīng)小于表4規(guī)定的數(shù)值[26].

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

根據(jù)表3可得出，在烈度為VI度地震作用下，尾礦壩每加高2 m，最小安全系數(shù)平均減小0.0514，現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)為1.453，尾礦壩加高10 m后的最小安全系數(shù)為1.196，均大于《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》特殊運(yùn)行情況下最小安全系數(shù)1.0，符合安全技術(shù)規(guī)程要求.

4 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，可以得出如下結(jié)論：

1）采用上游筑壩法對(duì)尾礦壩擴(kuò)容加高，利用Geostudio巖土數(shù)值分析軟件中的SLOPE/W模塊自動(dòng)搜索潛在滑移面，得出地震條件下現(xiàn)階段尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)滑移面集中在初期壩，加高10 m后尾礦壩的最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)滑移面集中在堆積壩.

2）靜力條件下，尾礦壩每加高2m，安全系數(shù)平均減小0.0618，現(xiàn)階段尾礦壩的安全系數(shù)為1.821，對(duì)現(xiàn)階段尾礦壩擴(kuò)容加高10 m后的安全系數(shù)為1.512；在烈度為VI度地震作用下，尾礦壩每加高2 m，最小安全系數(shù)平均減小0.0514，現(xiàn)階段尾礦壩最小安全系數(shù)為1.453，對(duì)應(yīng)的最大水平位移為0.59 mm，加高10 m后，后期堆積壩最小安全系數(shù)為1.196，對(duì)應(yīng)的最大水平位移為8.13 mm，尾礦壩最小安全系數(shù)均符合安全技術(shù)規(guī)程要求，后期擴(kuò)容加高方案可行.