高地震烈度區(qū)干濕結(jié)合筑壩尾礦庫(kù)壩體抗震穩(wěn)定分析

董 垚，李光兆

（銅源國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究有限公司，河北 秦皇島 066000）

關(guān)健詞：尾礦壩；有限元分析；動(dòng)力分析

中國(guó)是一個(gè)礦業(yè)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前尾礦庫(kù)9000余座，尾礦庫(kù)作為具有高勢(shì)能的重大危險(xiǎn)源，一旦潰壩將造成下游大量人員傷亡，同時(shí)還會(huì)嚴(yán)重威脅環(huán)境安全[1，2]。

根據(jù)世紀(jì)大壩委員會(huì)（ICOLD）的分析，在尾礦庫(kù)失事類型中，地震破壞是主要原因之一[3]。自20世紀(jì)初以來(lái)，國(guó)內(nèi)外均發(fā)生過(guò)由地震引起的尾礦庫(kù)事故，如1965年3月智利中部發(fā)生7.25級(jí)地震，該地區(qū)11座尾礦庫(kù)中10座遭到嚴(yán)重破壞，死亡210人[4]；1976年7月28日唐山大地震，天津堿廠尾礦庫(kù)發(fā)生液化破壞，波及范圍0.7km2[5]；2008年我國(guó)略陽(yáng)縣發(fā)生地震，7座尾礦庫(kù)受損嚴(yán)重[6]。作為一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，尾礦壩的動(dòng)力穩(wěn)定性一直是研究人員關(guān)系的重點(diǎn)問(wèn)題。魏作安等[7]以龍都尾礦庫(kù)為例，分析了壩體在地震作用下的位移、空壓分布規(guī)律；王文松等[8]通過(guò)筑壩模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，論證了細(xì)粒尾礦在高地震烈度地區(qū)筑壩的可行性；徐志英等[9]運(yùn)用有限元法分析了德興銅礦4#尾礦庫(kù)地震時(shí)的液化情況和地震穩(wěn)定性。

位于甘肅的某尾礦庫(kù)，地處8度地震區(qū)，尾礦庫(kù)運(yùn)行至設(shè)計(jì)標(biāo)高，但其庫(kù)型條件較好，企業(yè)擬對(duì)該尾礦庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)容，其抗震問(wèn)題成為必須解決的首要問(wèn)題。結(jié)合企業(yè)規(guī)劃及抗震需要，確定壩體擴(kuò)容方案為現(xiàn)狀壩體上游采用濕式排放加高，下游采用干尾礦壓坡加固。這種壩型的抗震穩(wěn)定性是其能否安全實(shí)施的重要因素，對(duì)此深入研究將對(duì)指導(dǎo)高地震烈度區(qū)尾礦庫(kù)建設(shè)具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)該尾礦庫(kù)進(jìn)行三維動(dòng)力計(jì)算，分析了壩體動(dòng)力響應(yīng)、永久變形、動(dòng)力安全系數(shù)等物理量，研究結(jié)果為相似工程提供參考。

1 工程概況

擬擴(kuò)容尾礦庫(kù)初期壩高83.0m，壩頂標(biāo)高1430.0m，壩頂寬12.0m；堆積壩高123.0m，平均坡比1:5.0。尾礦庫(kù)最終堆積標(biāo)高1553.0m，總壩高206.0m，總庫(kù)容約3307.0×104m3，屬二等庫(kù)。為了保證其擴(kuò)容后的抗震穩(wěn)定性，在尾礦壩1480.0m以下采用干尾礦加固尾礦壩，形成干尾礦加固體，平均坡比1:3.5，尾礦庫(kù)模型如圖1所示。

圖1 尾礦庫(kù)三維模型圖

2 研究?jī)?nèi)容

對(duì)干濕結(jié)合尾礦壩進(jìn)行抗震有限元分析，主要涉及采用等效線性模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析；采用沈珠江模型計(jì)算壩體永久變形；采用最小平均安全系數(shù)法[8]進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定判別。

3 地震作用

尾礦壩動(dòng)力計(jì)算時(shí)，采用固定邊界的無(wú)質(zhì)量地基模型，在固定邊界無(wú)質(zhì)量地基模型中，通過(guò)直接在尾礦壩上輸入地震加速度時(shí)程來(lái)模擬地震效應(yīng)。庫(kù)區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)基本加速度0.20g，特征周期為0.4s，阻尼比以5%計(jì)。地震波加速度時(shí)程曲線如圖2所示，圖中加速度峰值為單位加速度。

圖2 順河向加速度時(shí)程曲線

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 動(dòng)力響應(yīng)

考慮地震作用，輸入地震波對(duì)壩體的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，不同標(biāo)高特征節(jié)點(diǎn)信息及加速度響應(yīng)情況見(jiàn)表1。

表1 特征節(jié)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)信息表

在特征地震波的作用下，庫(kù)區(qū)頂部E點(diǎn)三個(gè)方向放大系數(shù)分別為5.40、5.18、和4.83。三個(gè)方向的加速度響應(yīng)隨位置增高而變大，壩體越高，加速度響應(yīng)現(xiàn)象越明顯，這是由于加速度地震波從下到上傳播，且在傳播過(guò)程中沿高度逐漸放大，在壩頂鞭稍效應(yīng)響應(yīng)最大。順河向（X向）加速度最大，這是由于尾礦壩下游方向臨空，在水平向振動(dòng)剛度較小。

4.2 永久變形

尾礦庫(kù)運(yùn)行至最終堆積標(biāo)高1553.0m時(shí)永久變形計(jì)算結(jié)果如表2所列。尾礦壩x向永久變形為0.115m，出現(xiàn)在干尾砂壓坡體坡體表面；y向永久變形左右兩側(cè)基本呈對(duì)稱狀態(tài)，左右岸變形量基本相等；z向變形最大量位于堆積壩下游側(cè)，計(jì)算最大變形量為0.556m，約占?jí)胃叩?.261%。

表2 尾礦壩1553.0m高程地震作用下永久變形量

4.3 動(dòng)力穩(wěn)定

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)時(shí)程法的動(dòng)力安全系數(shù)的取值沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?；谟邢迒卧▌?dòng)力分析的直接結(jié)果是求得壩體和地基土層中地基反應(yīng)，包括反應(yīng)加速度、動(dòng)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。由于動(dòng)剪應(yīng)力隨震動(dòng)時(shí)間而不同，壩坡的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也是時(shí)間的函數(shù)。

在沖擊荷載作用下，壩坡在瞬間進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)并不一定徹底破壞，本研究采用最小平均安全系數(shù)法[10]作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壩坡地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，其表達(dá)式為：

Fd=Fs-0.65（Fs-Fd0）

式中：Fd為動(dòng)安全系數(shù)，F(xiàn)s為靜安全系數(shù)，F(xiàn)d0為地震瞬時(shí)最小安全系數(shù)。

尾礦壩主剖面邊坡動(dòng)力安全系數(shù)時(shí)程曲線如圖3所示，最小平均安全系數(shù)為1.071，平均安全系數(shù)為1.315，以最小平均安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足安全系數(shù)要求。

圖3 動(dòng)力安全系數(shù)時(shí)程曲線

5 結(jié)論

本文以位于高烈度地震區(qū)的某干濕結(jié)合尾礦庫(kù)為例，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析，結(jié)論如下。

（1）尾礦壩加速度響應(yīng)現(xiàn)象隨壩高增高而劇烈，鞭稍效應(yīng)明顯。

（2）尾礦庫(kù)地震作用下庫(kù)區(qū)頂部沉降量最大，且呈層狀分布。

（3）尾礦壩在動(dòng)力條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)能滿足規(guī)范要求，最小平均安全系數(shù)法較之平均安全系數(shù)法更為保守，更有利于安全。

（4）在高烈度地震區(qū)域尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容工程中，可采用下游干尾礦貼坡加固，上游濕排加高的方法，提高壩體抗震性能。