地震作用下尾礦壩變形及穩(wěn)定性時(shí)程分析

郝喆

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院，沈陽 110013)

1 引言

地震作用下的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有兩類：地震永久變形和穩(wěn)定安全系數(shù)[1]。地震永久變形從滑動(dòng)體在地震力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā)，計(jì)算其剛體位移，推求壩體可能發(fā)生的永久變形量。變形本身屬于反映尾礦壩穩(wěn)定狀態(tài)的綜合指標(biāo)，顯然要比單靠一個(gè)極限平衡的安全系數(shù)合理，其缺點(diǎn)是不如穩(wěn)定系數(shù)直觀，另外規(guī)范對(duì)尾礦壩的位移預(yù)警閾值仍沒有一個(gè)準(zhǔn)確的界定。

安全系數(shù)是一個(gè)很直觀的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，尾礦壩的設(shè)計(jì)、安全規(guī)范[2,3]推薦的也是安全系數(shù)法。地震分析時(shí)一般采用擬靜力法確定安全系數(shù)，該法既沒有考慮地震的振動(dòng)頻率、次數(shù)和持續(xù)時(shí)間等特性，又沒有考慮壩身材料的動(dòng)力性質(zhì)和阻尼性質(zhì)等[4]，因而無法反映壩體在地震時(shí)的反應(yīng)特性。規(guī)范[2]也指出，對(duì)于高烈度區(qū)的大型尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性，除應(yīng)按擬靜力法計(jì)算外，應(yīng)進(jìn)行專門的時(shí)程法動(dòng)力抗震計(jì)算，彌補(bǔ)擬靜力法計(jì)算的不足。時(shí)程分析法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，可以給出動(dòng)力抗滑穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，較好地分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

有鑒于此，本文采用永久變形分析和地震時(shí)程分析相結(jié)合的綜合分析方法，開展某大型尾礦壩的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，為現(xiàn)場(chǎng)尾礦庫提供更為可靠的穩(wěn)定性判據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)概況

某尾礦庫為山谷型，初期壩由碎石堆積而成；后期壩采用上游法尾砂筑壩，總壩坡比1∶4，子壩每次堆積高度2 m，按0.5 m層厚分層碾壓或夯實(shí)，尾礦在壩前均勻堆放，保持壩體協(xié)調(diào)上升?，F(xiàn)有28級(jí)子壩，每級(jí)子壩高2 m，壩頂寬3 m(圖1)。

圖1 尾礦庫庫區(qū)

現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高約為226.0 m，壩軸線長713 m，總壩高約為74 m，全庫容1 600.00×104m3，堆積壩外坡比約為1∶4.0，干灘長度約為300 m。

尾礦庫排洪方式采用排水井-排水隧洞(排水涵管)。壩體設(shè)有橫縱向排水溝和橫向排滲管。尾礦庫設(shè)有壩體位移觀測(cè)點(diǎn)和浸潤線觀測(cè)孔(圖2)。

圖2 尾礦壩外坡面

3 計(jì)算模型建立

3.1 工程地質(zhì)剖面

根據(jù)勘察報(bào)告給出的最大壩高工程地質(zhì)主剖面建模，各土層分布情況與之一致。見圖3。

圖3 尾礦壩主剖面圖

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

尾礦庫地層由天然地層、尾礦堆積物及人工堆積層構(gòu)成，天然地層、人工堆積層較為簡(jiǎn)單，尾礦堆積物構(gòu)成及分布較復(fù)雜。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，確定計(jì)算參數(shù)如表1所示。

3.3 地震荷載確定

依據(jù)《某尾礦庫項(xiàng)目地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，工程場(chǎng)地基本設(shè)防列度為Ⅶ度(0.10 g)。壩體底部地面地震加速度分別采用工程場(chǎng)地50 a超越概率10%、5%的時(shí)程輸入曲線[5](圖4、5)。

3.4 有限元網(wǎng)格劃分

為反應(yīng)壩體的真實(shí)情況，有限元計(jì)算所采用的模型按1∶100 0的比例進(jìn)行建立。網(wǎng)格劃分見圖6。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦表

圖4 場(chǎng)地地表水平向地震時(shí)程曲線(50 a超越概率10%)

圖5 場(chǎng)地地表水平向地震時(shí)程曲線(50 a超越概率5%)

圖6 現(xiàn)狀壩高有限元網(wǎng)格圖(壩頂標(biāo)高226 m)

3.5 本構(gòu)模型

計(jì)算采用“莫爾-庫倫”模型和“修正UBCSAND”模型。修正UBCSAND 材料模型是基于有效應(yīng)力用塑性理論來模擬液化現(xiàn)象的模型[6]，該模型在2D應(yīng)力狀態(tài)基礎(chǔ)上擴(kuò)展為3D應(yīng)力狀態(tài)，可以進(jìn)行隱式非線性分析。該模型可用于模擬地震荷載作用下砂土液化現(xiàn)象。

3.6 人工邊界

早期動(dòng)力分析計(jì)算中模型邊界條件一般是遠(yuǎn)離計(jì)算區(qū)域設(shè)置固定邊界或自由邊界，這樣的邊界不能模擬無限半空間中波動(dòng)能量的傳播過程，會(huì)導(dǎo)致波動(dòng)能量在模型中反復(fù)反射傳播而影響計(jì)算結(jié)果，計(jì)算精度低，尤其在輸入動(dòng)力荷載時(shí)程較長時(shí)邊界的影響更突出，而且還會(huì)引起計(jì)算不收斂而無法完成動(dòng)力分析[7]。為解決該問題，模型采用較先進(jìn)的粘性邊界，見圖7。

圖7 粘性邊界結(jié)構(gòu)示意圖

4 尾礦壩地震動(dòng)力分析

4.1 動(dòng)力分析工況

考慮到同時(shí)遭遇設(shè)計(jì)頻率的洪水和設(shè)防烈度地震的幾率太小，設(shè)計(jì)頻率的洪水不易形成穩(wěn)定的浸潤線，尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算特殊運(yùn)行工況中地震荷載不再與設(shè)計(jì)頻率洪水位的滲透壓力組合。在尾礦壩的地震動(dòng)力計(jì)算中按尾礦庫正常水位工況進(jìn)行計(jì)算。

4.2 特征周期計(jì)算

尾礦壩形態(tài)與土層材料離散性的特征決定了尾礦壩的模態(tài)形狀較多，顯然絕大多數(shù)的振型模態(tài)都是次要可忽略的，但為在振型疊加時(shí)取得更高的精度，在計(jì)算中取50階進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出，壩體在不同標(biāo)高下的固有振型周期如下表2所示。

表2 尾礦壩特征周期計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3 壩體永久變形分析

4.3.1 分析方法

壩體在地震荷載作用下的永久變形分析采用直接積分法，在各個(gè)地震時(shí)程荷載作用下的時(shí)間步驟按尾礦壩模型的特征周期的10%～20%選取。以現(xiàn)狀壩高工況為例，現(xiàn)狀壩高的尾礦壩場(chǎng)地自振卓越周期為0.973 s，那么計(jì)算時(shí)間步增量取0.2 s，計(jì)算荷載總時(shí)程63 s，總的計(jì)算步驟為315步。由于篇幅限制，只以基本烈度下(50 a超越概率10%)的永久變形分析為例。

4.3.2 初期壩頂

初期壩壩頂結(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的最終永久變形(塑性變形)約為0.14 m(圖8)。

圖8 初期壩頂位移

4.3.3 堆積壩(壩高30 m、50 m和灘頂)

(1) 標(biāo)高30 m的壩坡結(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的最終永久變形(塑性變形)約為0.24 m。

(2) 標(biāo)高50 m的壩坡結(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的最終永久變形(塑性變形)約為0.35 m。在地震時(shí)程前半段，壩體位移振蕩較明顯，土體結(jié)構(gòu)已破壞并出現(xiàn)了塑性變形，塑性變形在荷載時(shí)程的后半段不斷累積。

(3) 灘頂標(biāo)高結(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的最終永久變形(塑性變形)約為0.24 m。受鞭梢效應(yīng)影響，該點(diǎn)在地震荷載作用下一直在原位置左右振蕩，位移較對(duì)稱。由于豎向荷載小，因而塑性變形相對(duì)較小。

(4) 從位移對(duì)比圖9發(fā)現(xiàn)，在地震荷載作用下，壩體總高中部上下的土層在地震荷載以及上部土體的荷載綜合作用下塑性變形較大，易發(fā)生土體失穩(wěn)。初期壩上方一定范圍內(nèi)土體在初期壩的作用下塑性變形較小。

4.3.4 位移云圖分析

圖10為基本烈度水平地震荷載作用下的土體水平變形情況。從圖中可以看出：

(1) 粘性邊界在一定范圍內(nèi)對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果有一定影響，但從標(biāo)記出的初期壩下位移結(jié)果(0.004 m)可知，模型邊界已足夠大，沒有影響到重點(diǎn)計(jì)算區(qū)域的結(jié)果，能夠滿足要求。

(2) 在此地震荷載作用下，壩體坡面中上部的水平位移變形較大，易發(fā)生土體滑坡。

4.4 壩體地震穩(wěn)定性分析

壩體地震穩(wěn)定性計(jì)算采用時(shí)程+SRM法。SRM法即強(qiáng)度折減法，可以滿足平衡力條件、協(xié)調(diào)條件、本構(gòu)方程和邊界條件的要求，較為真實(shí)地模擬邊坡破壞形態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)條件，得到邊坡最小安全系數(shù)及邊坡破壞性狀的詳細(xì)信息，此外破壞過程是自動(dòng)完成的，不需假定破壞面。50 a超越概率10%和5%的安全系數(shù)時(shí)程計(jì)算結(jié)果見圖11～12。

圖9 堆積壩不同標(biāo)高位移對(duì)比

圖10 尾礦壩位移云圖

圖11 現(xiàn)狀壩高安全系數(shù)時(shí)程曲線(50 a超越概率10%)

圖12 現(xiàn)狀壩高安全系數(shù)時(shí)程曲線(50 a超越概率5%)

由圖11～12可知，壩體在地震荷載作用下安全系數(shù)有較大波動(dòng)，某些時(shí)刻安全系數(shù)小于0.5，出現(xiàn)小量計(jì)算不收斂時(shí)刻。從安全系數(shù)時(shí)程曲線可知，壩體的安全系數(shù)在1.2上下波動(dòng)，雖然后期數(shù)值有減小的趨勢(shì)，但壩體的穩(wěn)定性系數(shù)大于1，壩體處于基本安全狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備不足。

5 主要結(jié)論和建議

5.1 主要結(jié)論

(1) 尾礦壩的地震響應(yīng)與尾礦壩壩體的特征周期、地震波的特性有密切關(guān)系。相同壩體狀態(tài)在輸入不同特性的地震荷載作用時(shí)，尾礦壩的地震響應(yīng)截然不同，有較大差異。

(2) 壩體在地震荷載作用下均出現(xiàn)了不同程度的塑性變形，且塑性變形不斷累加，影響壩體的整體穩(wěn)定性。

(3) 尾礦壩在現(xiàn)狀壩高狀態(tài)下，遇到與計(jì)算所用的2條地震波(50 a超越概率10%和5%)類似的地震荷載作用，壩體基本穩(wěn)定，剛剛滿足規(guī)范要求；若遇到罕見地震的地震荷載作用時(shí)，壩體將有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 在地震荷載作用下，灘頂及靠近最高子壩一定范圍內(nèi)的下部地層有液化現(xiàn)象，對(duì)壩體的穩(wěn)定性不利。

5.2 建議

(1) 對(duì)現(xiàn)有初期壩進(jìn)行加固，提高初期壩在壩整體穩(wěn)定性方面的作用；對(duì)初期壩后淺層的透鏡體及粘質(zhì)粘土層采取改良、加固等技術(shù)措施。

(2) 改善筑壩材料的力學(xué)性能，改進(jìn)筑壩工藝；采取有效的排滲措施，降低現(xiàn)狀壩體的浸潤線高度，從而改善土層的力學(xué)性能，減小地震液化范圍。

(3) 增大正常運(yùn)營狀態(tài)下的干灘長度，使壩后大范圍內(nèi)沉積尾礦粗顆粒，從而增大土層的滲透系數(shù)、改善壩體的自振特性和性能。

(4) 確保在線監(jiān)測(cè)設(shè)施可靠性，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)準(zhǔn)確，密切監(jiān)控尾礦庫安全狀態(tài)。

[1] 劉漢龍,費(fèi)康,高玉峰.邊坡地震穩(wěn)定性時(shí)程分析方法[J].巖土力學(xué),2003,24(4):553-560.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50863-2013)[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2013.

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程(AQ2006-2005)[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006.

[4] 張力霆.地震作用下某尾礦壩三維動(dòng)力穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山,2013,42(6):121-125.

[5] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(DL5073-2000)[S].中國電力出版社,2001.

[6] 胡再強(qiáng),李紅儒,陳存禮.栗西尾礦壩地震反應(yīng)分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38(9):215-221.

[7] 薄景山,徐國棟,景立平.土邊坡地震反應(yīng)及其動(dòng)力穩(wěn)定性分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2001,21(2):116-120.