壩體動(dòng)力抗震及尾礦動(dòng)力特性分析*

楊安銀，王光進(jìn)，，楊春和，胡 斌，張 超

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院 云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 3.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 4. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

0 引言

我國(guó)大多數(shù)的尾礦壩都采用上游法修建，其浸潤(rùn)線較高，壩體大部分處于飽和狀態(tài)，一些學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出飽和尾礦料具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[1-3]，地震作用下易產(chǎn)生液化。另外，為充分利用就近資源，多數(shù)壩體采用的構(gòu)筑材料無(wú)黏性、少黏性且容易產(chǎn)生地震液化[4]。與此同時(shí)，堆放在尾礦庫(kù)中的礦渣大多是一種未經(jīng)過(guò)風(fēng)化和變質(zhì)作用的孔隙大而密度小并且具有低塑性的細(xì)顆粒，在動(dòng)力荷載作用下極易發(fā)生液化從而喪失強(qiáng)度[5]。為了避免潰壩事故發(fā)生，造成人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，許多學(xué)者對(duì)尾礦及壩體動(dòng)力特性做了廣泛而深入的研究。

褚衛(wèi)瑞[6]通過(guò)對(duì)不同細(xì)粒含量的尾礦砂進(jìn)行固結(jié)不排水振動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了細(xì)粒含量對(duì)尾礦砂動(dòng)力特性的影響；譚凡等[7]對(duì)某尾礦粉土的動(dòng)強(qiáng)度特性與孔壓特性進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)固結(jié)比Kc=1.0時(shí),可采用冪函數(shù)來(lái)描述尾粉土孔壓發(fā)展；固結(jié)比Kc=2.0時(shí),可用對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)模擬其發(fā)展；譚欽文等[8]基于云南迪慶羊拉銅礦的尾礦料，研究了不同粗粒含量尾礦砂的動(dòng)力液化特性，發(fā)現(xiàn)隨著粗粒含量的增加,尾礦砂的動(dòng)強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)；余果等[9]通過(guò)對(duì)人工配成的全尾礦、粗尾礦、細(xì)尾礦進(jìn)行動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，探討了顆粒組成、固結(jié)圍壓、固結(jié)壓力比、動(dòng)應(yīng)力對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響；陳存禮等[10]對(duì)某鉬礦尾礦砂進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)條件下,該尾礦砂達(dá)到破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)力隨有效固結(jié)圍壓和固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大；張超等[11]對(duì)某銅礦的尾礦料進(jìn)行動(dòng)三軸和共振柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動(dòng)剪切模量和阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅的關(guān)系受圍壓影響較??； Geremew和Yanful[12]研究了蒙脫石和高嶺石等黏土礦物對(duì)尾礦動(dòng)力特性的影響；Suazo等[13-14]均采用動(dòng)單剪試驗(yàn)，研究了圍壓、固結(jié)比和密度對(duì)細(xì)粒尾礦動(dòng)強(qiáng)度的影響以及振動(dòng)后的強(qiáng)度變化。

綜上所述，目前大多數(shù)的動(dòng)力特性研究針對(duì)的是尾粉土，多種尾礦料的對(duì)比研究以及對(duì)之內(nèi)在聯(lián)系的研究較少。本文對(duì)四川某尾礦庫(kù)的尾細(xì)砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的動(dòng)力特性進(jìn)行了對(duì)比研究，研究成果可為尾礦庫(kù)的抗震理論分析提供參考，為抗震加固措施提供理論指導(dǎo)。

1 尾礦庫(kù)工程概況

該尾礦庫(kù)為溝谷型尾礦庫(kù)，采用上游法方式筑壩。地貌單元為中山、溝谷相間地形。由于生產(chǎn)需要，該尾礦庫(kù)后期需要接納的尾礦量大大增加，其尾礦庫(kù)的一期設(shè)計(jì)完全不能滿足未來(lái)尾礦的排放需求，因此計(jì)劃對(duì)該尾礦庫(kù)進(jìn)行增高擴(kuò)容，擴(kuò)容高度為55 m，加高后的壩頂平臺(tái)標(biāo)高為2 090 m，最終總庫(kù)容為3 843萬(wàn)m3，最終壩高147 m，為二等庫(kù)。

2 動(dòng)力響應(yīng)特性

用QUAKE/W有限元分析軟件計(jì)算該尾礦壩分別在EI Centro地震波、汶川地震波和人工地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性。該尾礦庫(kù)所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，地震的時(shí)間間隔均為0.02 s，其地震波持續(xù)時(shí)間均設(shè)為30 s。

2.1 邊界條件與網(wǎng)格劃分

圖1為數(shù)值模擬計(jì)算剖面圖，壩體右側(cè)采用豎向約束、水平自由的邊界，即U≠0,v=0；基礎(chǔ)底部采用水平、垂直雙向約束，即U=0,V=0。幾何模型與有限元網(wǎng)格劃分與靜力計(jì)算相同，壩體采用最不穩(wěn)定壩體(即沿谷底的計(jì)算剖面)增高擴(kuò)容后最終壩高2 090 m，該高程時(shí)的浸潤(rùn)線埋深采用剛好滿足規(guī)范規(guī)定最小安全系數(shù)時(shí)的臨界浸潤(rùn)線埋深，而堆高至2 090 m時(shí)壩體的臨界浸潤(rùn)線埋深值為25.0 m。該尾礦庫(kù)的干灘長(zhǎng)度長(zhǎng)期保持在350 m，而其二期設(shè)計(jì)的終期屬于二等尾礦庫(kù)，滿足規(guī)范要求的最小干灘長(zhǎng)度100 m。同時(shí)選取堆積壩中部點(diǎn)A和最終壩高時(shí)壩坡頂點(diǎn)B為特征點(diǎn)。隨著距子壩距離的增加，尾礦主要為尾細(xì)砂(筑壩材料)，尾粉土和尾粉質(zhì)黏土。壩體動(dòng)力計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析

圖2為EI Center地震波、汶川地震波、人工地震波作用下特征點(diǎn)A,B的水平位移時(shí)程曲線。對(duì)比分析可知特征點(diǎn)A,B的水平位移時(shí)程曲線幾乎相同，B曲線的波峰、波谷稍提前于A曲線。特征點(diǎn)B的峰值水平位移稍大于特征點(diǎn)A的峰值水平位移。人工地震波作用下峰值水平位移最大，汶川地震波作用下峰值水平位移最小。

圖1 計(jì)算剖面圖Fig.1 Calculated section view

巖土名稱容重/(KN·m-3)黏聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)動(dòng)剪切模量/(G·MPa-1)Gmax非線性參數(shù)模量系數(shù)k模量指數(shù)n動(dòng)泊松比堆石21.710.037.0500--0.20尾細(xì)砂18.90.033.5-1 3210.530.27尾粉砂19.20.031.5-1 2760.510.29尾粉土19.88.530.0-1 1840.500.35尾粉質(zhì)黏土19.210.519.5-1 0530.480.34微風(fēng)化石灰?guī)r22.535.040.01 000--0.19

圖2 特征點(diǎn)A,B水平位移時(shí)程曲線Fig.2 Time-lapse curve of horizontal displacement of characteristic points A and B

圖3為人工地震波作用下特征點(diǎn)A,B的絕對(duì)加速度時(shí)程曲線，絕對(duì)加速度隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)基本相同，A曲線的波峰、波谷較早于B曲線。從壩中到壩頂水平向絕對(duì)加速度峰值有減小的趨勢(shì)。

圖3 特征點(diǎn)A,B水平向絕對(duì)加速度時(shí)程曲線Fig.3 Time-lapse curve of absolute accelerationof feature points A and B horizontally

圖4(a)～(c)分別為EI Center地震波、汶川地震波、人工地震波作用安全系數(shù)時(shí)程曲線與輸入的地震波加速度的對(duì)比圖。由圖4可知，地震作用過(guò)程中瞬時(shí)安全系數(shù)呈波動(dòng)降低的趨勢(shì)。最小安全系數(shù)與輸入的EI Center地震波的峰值基本呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，而汶川地震波和人工合成地震波作用下兩者無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。最小安全系數(shù)與輸入地震波的峰值呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，并非普遍的現(xiàn)象。

圖4 安全系數(shù)時(shí)程曲線與地震波曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of the time-course curve of the safety factor and the seismic wave curve

圖5(a)～(c)分別為EI Center地震波、汶川地震波、人工地震波作用后該尾礦庫(kù)液化區(qū)域分布情況。對(duì)比分析可知液化區(qū)域主要分布在尾礦庫(kù)中后部范圍內(nèi)，且呈間斷性分布，距子壩不同距離處液化深度也存在差異，該區(qū)域絕大部分為尾粉質(zhì)黏土，庫(kù)尾尾水覆蓋的淺層尾礦料液化最為嚴(yán)重。由圖5(a)可知EI Center地震波作用下該尾礦壩液化危害最高，位于初期壩的浸潤(rùn)線的出水口也有小部分土體液化，應(yīng)引起足夠重視，針對(duì)性地加強(qiáng)排滲設(shè)施以及實(shí)施相應(yīng)的壩體加固措施。

圖5 液化區(qū)域分布Fig.5 Distribution map of the liquefaction area

圖6～7分別為3種地震波作用下的安全系數(shù)時(shí)程曲線與滑移面計(jì)算結(jié)果。由圖可知安全系數(shù)最小值分別出現(xiàn)在第3.9 s,第3.9 s,第10.1 s，分別為1.18(EI Center波),1.324(汶川波),1.212(人工波)，根據(jù)《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2006—2005) 的規(guī)定，對(duì)于處于洪水工況下的二級(jí)尾礦壩，當(dāng)采用瑞典圓弧法計(jì)算時(shí)，壩體抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為1.15，壩體基本處于安全狀態(tài)，地震作用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)明顯滑移，EI Center地震波作用下該尾礦壩的安全系數(shù)最小且稍大于1.15，且液化區(qū)域分布面積最大危害最高，需引起足夠重視，應(yīng)采取相應(yīng)加固措施，比如加強(qiáng)壩體排滲，盡量降低浸潤(rùn)線，防止壩坡出現(xiàn)液化；對(duì)子壩及外層粗砂進(jìn)行碾壓，提高尾礦壩體的密實(shí)度等。

圖6 安全系數(shù)時(shí)程曲線Fig.6 Time-course curve of safety factor

圖7 滑移面計(jì)算結(jié)果Fig.7 Slip surface calculation result

3 動(dòng)力特性試驗(yàn)

由以上數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)液化區(qū)域主要分布在庫(kù)內(nèi)中后部的尾水覆蓋區(qū)，而不是庫(kù)內(nèi)中、前部；EI Center地震波作用下壩體安全系數(shù)較小，壩體存在動(dòng)力安全隱患。為探究液化區(qū)域的分布原因以及為該尾礦庫(kù)的動(dòng)力抗震措施提供理論指導(dǎo)，因此對(duì)該庫(kù)內(nèi)尾礦進(jìn)行動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)分析其動(dòng)力特性尤為必要，另外尾礦動(dòng)力特性是分析其數(shù)值模擬動(dòng)力參數(shù)的基礎(chǔ)，下文主要分析各尾礦的抗液化強(qiáng)度。考慮到基本囊括該庫(kù)內(nèi)尾礦，實(shí)驗(yàn)選取3個(gè)典型位置的尾礦，隨著深度的增加圍壓增大，尾礦越不易液化，因此選取干灘前部，干灘中后部，尾水覆蓋區(qū)中前部表層尾礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由顆分試驗(yàn)知道3種尾礦分屬尾細(xì)砂(筑壩材料)，尾粉土，尾粉質(zhì)黏土。尾細(xì)砂、尾粉砂均位于干灘前部，考慮尾細(xì)砂為主要筑壩材料，且兩者粒徑組成相近，動(dòng)力特性差別較小，從而選擇了尾細(xì)砂，基本囊括該庫(kù)內(nèi)尾礦。選取的3種尾礦的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖8。

圖8 3種典型尾礦的級(jí)配曲線Fig.8 Gradation curve of three typical tailings

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)剪模量與阻尼比特性試驗(yàn)是動(dòng)力反應(yīng)分析的基本依據(jù)之一，這些關(guān)系反映了在動(dòng)荷載作用下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非線性與粘滯性特征。如圖9為圍壓400 kPa時(shí)尾礦動(dòng)剪切模量比G/Gmax、阻尼比D與動(dòng)剪應(yīng)變幅γ關(guān)系曲線。由圖9可知，當(dāng)γ<10-5時(shí)不同尾礦料的G/Gmax與γ的關(guān)系曲線差別不大；當(dāng)γ>10-5時(shí)G/Gmax隨γ的增大而減小，對(duì)于同1個(gè)動(dòng)剪應(yīng)變幅值，尾粉質(zhì)黏土的動(dòng)剪模量比最大，尾粉土的其次，尾細(xì)砂的最小。γ=10-5是不同尾礦料的動(dòng)剪模量比與動(dòng)剪應(yīng)變幅關(guān)系曲線是否出現(xiàn)差別的分界點(diǎn)。由圖9可知，當(dāng)γ<10-5時(shí)，不同尾礦料的D與γ的關(guān)系曲線差別不大；當(dāng)γ>10-5時(shí)D隨γ的增大而增大，對(duì)于同1個(gè)動(dòng)剪應(yīng)變幅值，尾細(xì)砂的阻尼比最大，尾粉土次之，尾粉質(zhì)黏土最?。沪?10-5是不同尾礦料試樣的阻尼比與與動(dòng)剪應(yīng)變幅關(guān)系曲線是否出現(xiàn)差別的分界點(diǎn)。

圖9 動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變幅的關(guān)系Fig.9 Relationship between dynamic shearmodulus ratio, damping ratio and shear strain amplitude

圖10(a)為固結(jié)比Kc=1.0圍壓σ3=200 kPa時(shí)3種尾礦的動(dòng)剪應(yīng)力Td與破壞振次Nf關(guān)系曲線。由圖10(a)可知，圍壓、固結(jié)比和振次相同時(shí)尾細(xì)砂的動(dòng)強(qiáng)度最大，尾粉質(zhì)黏土的動(dòng)強(qiáng)度最??；達(dá)到相同的動(dòng)剪應(yīng)力尾細(xì)砂所需振次最多，尾粉質(zhì)黏土最少，又由于其位于尾水覆蓋區(qū)的庫(kù)內(nèi)中后部，常處于飽和狀態(tài)，更易液化，導(dǎo)致液化區(qū)域主要分布于庫(kù)區(qū)中后部，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。由圖10(b)可知，相同動(dòng)應(yīng)力幅值作用下隨著圍壓的增大 ，尾礦的動(dòng)強(qiáng)度顯著提高；隨著圍壓的增大尾礦達(dá)到破壞所需的振次越多。

圖10 動(dòng)剪應(yīng)力與破壞振次關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between dynamic shear stress and failure vibration times

圖關(guān)系曲線Fig.11 Relationship line of

圖12 G0～σ′關(guān)系曲線Fig.12 Relationship line of G0～σ′

4 結(jié)論

1)在洪水工況下，該尾礦壩最小安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，基本處于安全狀態(tài)。

2)最小安全系數(shù)與輸入地震波的峰值呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，并非普遍的現(xiàn)象。

3)尾礦的動(dòng)壓縮彈性模量的倒數(shù)與動(dòng)軸向彈性應(yīng)變之間的關(guān)系為直線關(guān)系，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，平均有效應(yīng)力與動(dòng)剪切彈性模量的關(guān)系為直線關(guān)系。

4)尾粉質(zhì)黏土抗液化強(qiáng)度、初始動(dòng)剪切彈性模量較低應(yīng)優(yōu)化尾礦排放工藝，使其盡量沉積到庫(kù)尾。