尾礦庫中后期壩體穩(wěn)定性計(jì)算分析

龍明魁　費(fèi)維水

摘 ?要： 尾礦庫壩體存在潰壩危險(xiǎn)，所以尾礦庫是一座重大危險(xiǎn)源，在國際災(zāi)害事故排名中位列第18 位?？梢姡瑢ξ驳V庫壩安全進(jìn)行研究，并加強(qiáng)監(jiān)管和監(jiān)控，對于防止尾礦庫事故的發(fā)生，保證尾礦庫安全運(yùn)行是極其重要。本文采用MIDAS巖土工程分析軟件，對元江尾礦庫的大壩進(jìn)行三維靜力穩(wěn)定性分析，研究其在靜力作用下的位移、應(yīng)力變化規(guī)律，從而判定其穩(wěn)定性。三維分析時(shí)大壩在正常工況和洪水工況下，在洪水工況下的安全系數(shù)均大于規(guī)范所規(guī)定的最小安全系數(shù)要求，即滿足規(guī)范要求，壩體穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：?尾礦壩：三維建模：靜力穩(wěn)定性：尾礦壩穩(wěn)定性的研究

中圖分類號： TU196????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.034

【Abstract】： Tailings reservoir dam body is in danger of dam failure， so tailings reservoir is a major hazard source， ranking 18th in the international disaster accident ranking. It can be seen that it is extremely important to study the safety of tailings reservoir dam and strengthen supervision and monitoring in order to prevent tailings reservoir accidents and ensure the safe operation of tailings reservoir. In this paper， using MIDAS geotechnical analysis software， the three-dimensional static stability of the dam in Yuanjiang tailings reservoir is analyzed， and the displacement and stress variation of the dam under static force are studied， and its stability is determined. During the three-dimensional analysis， the safety factor of the dam under the normal working conditions and flood conditions is greater than the minimum safety factor required by the specification， that is， the requirements of the specification are met and the dam body is stable.

【Key words】： Tailings dam;?Three-dimensional modeling; Static stability; Research on the stability of tailings dam

0??引言

大壩壩址地段溝谷呈U字型，組成壩址地段的壩基持力層由紅粘土及中等風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成，紅粘土層層厚為2.50～15.00?m，主要分布在溝谷底部，其下基底為中等風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，左、右壩肩為白云質(zhì)灰?guī)r層，壩坡較緩，壩坡穩(wěn)定，壩址地段無不良地質(zhì)作用，地下水富水性較差。大壩初期壩為均質(zhì)土壩，筑壩土體人工填土經(jīng)筑壩碾壓呈稍密狀（中密狀態(tài)），壩底標(biāo)高為1353.00?m，筑壩頂標(biāo)高為1365.50?m，標(biāo)高約為12.50?m，壩長約為157.00?m，壩前砌筑漿砌石防滲護(hù)坡，壩底安置泄水管道，大壩經(jīng)運(yùn)行23年其上并有尾礦堆壩，壩體未發(fā)現(xiàn)任何裂隙及變形現(xiàn)象，壩前尾礦中的地下水位靠近壩底，壩基土及壩體未發(fā)現(xiàn)尾礦水的滲漏現(xiàn)象，目前初期壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。大壩壩體見圖1。

現(xiàn)尾礦堆積壩高8.50?m，壩高21.00?m，增容后壩高增加8米，大壩壩高為29.00?m，初期壩壩內(nèi)坡比為1∶3，壩外坡比為1∶2.5。大壩剖面如圖2所示。

1??理論分析

尾礦壩穩(wěn)定性研究一般是將尾礦壩當(dāng)成邊坡，對其進(jìn)行穩(wěn)定性研究，現(xiàn)采用以下三種方法對尾礦壩進(jìn)行研究分析。分別是極限平衡法、數(shù)值分析法和強(qiáng)度折減法。

1.1??極限平衡法

極限平衡法通常根據(jù)作用于巖土體中潛在滑裂面上塊體沿破壞面的抗剪力與該塊體沿滑裂面的剪切力之比，求得該塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。極限平衡法的一般步驟：先假設(shè)破壞是沿著土體內(nèi)某一確定的滑裂面滑動(dòng)，做一定的假設(shè)消除超靜定性，再根據(jù)滑裂土體的靜力平衡條件和摩爾庫侖破壞準(zhǔn)則計(jì)算沿該滑裂面滑動(dòng)的可能性，即安全系數(shù)的大小或破壞概率的高低，然后系統(tǒng)選取多個(gè)可能的滑動(dòng)面，并計(jì)算其穩(wěn)定安全系數(shù)或破壞概率。安全系數(shù)最低或破壞概率最高的滑動(dòng)面就是最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。

極限平衡法因模型簡單、計(jì)算公式簡捷、可以解決各種復(fù)雜形狀剖面、能考慮各種土質(zhì)、孔隙水壓力以及各種加載形式等優(yōu)點(diǎn)，而在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)然極限平衡法也存在著些局限性：

1、需事先假設(shè)邊坡中存在的滑動(dòng)面;

2、無法考慮土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的作用及其變形協(xié)調(diào)關(guān)系;

3、不能計(jì)算邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移情況

1.2??數(shù)值分析法

數(shù)值分析法60年代被引入到邊坡穩(wěn)定性分析中，其突出特點(diǎn)是有利于處理非線性、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界邊坡的穩(wěn)定性分析。

有限元法是一種十分成熟的數(shù)值方法。它的優(yōu)點(diǎn)是部分地考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小與分布，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過于簡化的缺點(diǎn)，能使我們近似地從應(yīng)力應(yīng)變?nèi)シ治鲞吰碌淖冃纹茐臋C(jī)制，分析最先、最容易發(fā)生屈服破壞的部位和需要首先進(jìn)行加固的部位等。不過有限元法也有著它的不足，在解決大變形和位移不連續(xù)問題以及對于無限域、應(yīng)力集中的問題方面，有限元法還有著一定的局限性。

2??三維建模

尾礦庫大壩設(shè)計(jì)圖用Midas/GTS建立三維模型，模型有117016個(gè)四面體單元，59194個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型共劃分了9種材料，模型初期壩中的堆石壩的材料為碎石;黏土壩的材料為覆土;模型的第一層尾礦材料為尾中砂;模型第二層尾礦材料為尾粉土;模型第三層尾礦的材料為尾粉質(zhì)粘土以上5種材料的網(wǎng)格單元尺寸都是3?m。模型地層材料為紅粘土，網(wǎng)格單元尺寸為6?m;模型基層材料為紅粘土，模型山體材料為石灰?guī)r，其網(wǎng)格單元尺寸都為12?m。

2.1??大壩有效正常工況下靜力穩(wěn)定分析

（1）大壩的位移計(jì)算結(jié)果圖如圖3計(jì)算得到最大整體位移為4.74528×10–2?m，位移變化范圍為4.74528×10–2～0?m。

（2）大壩的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示，計(jì)算結(jié)果圖如圖4～6所示。

2.2??大壩全應(yīng)力正常工況下靜力穩(wěn)定分析

（1）大壩的位移計(jì)算結(jié)果圖如圖7計(jì)算結(jié)果最大整體位移為4.74545×10–2，位移變化范圍為4.74545×10–2～0?m。

（2）大壩的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示，計(jì)算結(jié)果圖如圖8～10所示。

3??計(jì)算結(jié)果分析

正常工況和洪水工況靜力計(jì)算結(jié)果對比分析，如表4所示。

由表4可知，洪水工況和正常工況下的安全系數(shù)相比較，洪水工況下計(jì)算得到的安全系數(shù)相對較小，洪水工況下的安全系數(shù)比正常工況下的小4.5%，說明浸潤線對尾礦壩的穩(wěn)定性影響比較顯著。分析其原因可知，由于洪水工況下，浸潤面以上和以下的土體都趨于飽和狀態(tài)，土體含水量增加，引起土體容重增加而粘聚力和內(nèi)摩擦角減小，導(dǎo)致土體的抗滑力減小而安全系數(shù)降低;洪水工況下的整體最大位移大于正常工況下的整體最大位移，分析其原因可知，洪水工況下，土體趨于飽和狀態(tài)，土體含水量增加，土顆粒間相對摩擦力減小，導(dǎo)致土體沉降量增大。尾礦壩大壩在正常工況和洪水工況下的靜力計(jì)算結(jié)果表明，尾礦壩大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4??結(jié)論

4.1??正常工況

大壩計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)為1.57031，根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB50547-2013），大于規(guī)范中所要求的正常工況運(yùn)行下最小安全系數(shù)1.20，滿足規(guī)范要求，因此壩體是穩(wěn)定。

從上述分析中可以看出，在地震作用下，尾礦壩壩體產(chǎn)生了一定的變形，尾礦壩的壩頂處的位移都不算太大，且沿四周呈輻射狀逐漸散開。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于在地震循環(huán)荷載下，尾礦的強(qiáng)度逐漸減小，發(fā)生塑性變形。

從上述圖片中可以看出：尾礦壩在相同方向的兩種不同地震波的作用下加速度最大的位置分布基本一致，皆位于尾礦的中心附近，且沿四周呈輻射狀逐漸減小。

4.2??洪水工況

大壩在洪水工況下計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)為

1.36958，根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB50547—2010），大于規(guī)范中所要求的洪水工況運(yùn)行下最小安全系數(shù)為1.10，滿足規(guī)范要求，因此壩體處于穩(wěn)定。

從上述分析中可以看出，在地震作用下，無論是采用反應(yīng)譜法還是時(shí)程分析法，尾礦壩的壩頂處的位移都不算太大，且沿四周呈輻射狀逐漸散開，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于在地震循環(huán)荷載下，尾礦的強(qiáng)度逐漸減小，發(fā)生變形。

由上述圖片中可以看出：尾礦壩在相同方向的兩種不同地震波的作用下加速度最大的位置分布基本一致，皆位于尾礦的中心附近，且沿四周呈輻射狀逐漸減小。

參考文獻(xiàn)

李作章， 徐同升， 穆魯生， 等. 尾礦庫安全技術(shù)[M]， 北京： 航空工業(yè)出版社， 1996.

Anon.A review of damtailings dam failures.International Water Power， 2001， 53（5）： 40-42.

羅建林， 牛躍林， 孫浩剛.?圓弧條分法在尾礦庫安全評價(jià)中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2006， 2（3）： 85-87.

袁兵， 王飛躍， 金永健， 等.?尾礦壩潰壩模型研究及應(yīng)用[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2008 ， 4： 169-172.

李宏儒， 胡再強(qiáng)， 等.?金堆城尾礦壩加高方案數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué)， 2008， 29（4）： 1138-1142.

張?zhí)鞂??土坡穩(wěn)定分析和土工建筑物的邊坡設(shè)計(jì)[M].?成都： 成都科技大學(xué)出版社， 1987.

林曉烽.?邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述[J].?建材發(fā)展導(dǎo)向（下）， 2015（7）： 8-9.

黃堅(jiān)明， 馮東培.?邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述[J]. 2014（21）： 1-2.

勤成， 邵敏.?有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].?北京： 清華大學(xué)出版社， 2002： 38-258.

張有天.?巖石高邊坡的變形與穩(wěn)定[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 1999： 117-293.