某上游式尾礦壩抗震有限元分析

鄭長海， 岑威鈞， 趙昱豪

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有尾礦庫1萬余座[1-2]。尾礦庫是一類特殊的結(jié)構(gòu)物，如果在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，可能會成為潛在的高勢能危險(xiǎn)源[3-5]。尤其是高壩大庫，一旦失事，必將對周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)造成損失，對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[6-9]。國際大壩委員會統(tǒng)計(jì)資料表明，尾礦壩失事事故已經(jīng)發(fā)生了數(shù)百起，超過一半的事故與地震有關(guān)[10-12]。我國也發(fā)生過多起特大地震造成的尾礦壩嚴(yán)重失事事件，如1976年唐山大地震中大石河尾礦壩沉積灘發(fā)生液化，出現(xiàn)大量噴水冒砂現(xiàn)象[13]；2008年汶川地震引起了黃家溝尾礦庫子壩發(fā)生潰壩[14]。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)，對設(shè)防烈度Ⅶ度及以上地區(qū)的三等及以上尾礦庫應(yīng)進(jìn)行抗震性能分析，以確保尾礦庫的抗震安全性[15-16]。為此，不少研究人員開展了尾礦砂動力特性和尾礦壩抗震性的相關(guān)研究。楊安銀等[17]利用振動三軸儀研究了尾粉質(zhì)黏土、尾粉土、尾細(xì)砂的動力特性，得出該3種土體的動剪切模量比和阻尼比關(guān)系，并對某尾礦庫進(jìn)行抗震計(jì)算，發(fā)現(xiàn)尾礦土體的動強(qiáng)度指標(biāo)對其抗液化能力有較大影響。王文松等[18]通過相關(guān)計(jì)算發(fā)現(xiàn)動孔隙水壓力的產(chǎn)生和增長會導(dǎo)致尾礦壩的動力安全系數(shù)在地震過程中呈波動下降趨勢。朱遠(yuǎn)樂等[19]利用人工擬合地震波，研究了干堆尾礦庫改建后的動力反應(yīng)和永久變形，發(fā)現(xiàn)利用干堆尾砂能夠有效解決地震區(qū)抗液化問題，并且能夠提升尾礦壩的抗震安全性。高艷平等[20]考慮了60種不同的尾礦壩計(jì)算剖面，對地震作用下壩頂加速度放大系數(shù)進(jìn)行了多因素分析，得出了壩面加速度放大系數(shù)的簡化計(jì)算方法。

本文以北京市某上游式尾礦壩為例，建立尾礦壩有限元計(jì)算模型，對尾礦壩開展地震反應(yīng)計(jì)算，重點(diǎn)分析地震作用下尾礦壩的動位移、加速度、液化區(qū)域、壩坡抗震穩(wěn)定性及地震永久變形，并進(jìn)行相應(yīng)的安全評價。

2 計(jì)算模型及計(jì)算條件

2.1 工程概況與有限元模型

北京市密云區(qū)某上游式尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，庫區(qū)周邊山體穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造。尾礦庫的初期壩為透水堆石壩，壩高27 m，壩體外坡比約為1∶1.75，壩頂寬3.5 m。堆積壩采用上游法尾礦筑壩，最大壩高86 m，總庫容約為462×104m3，為三等庫，場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。結(jié)合尾礦庫實(shí)際堆壩特性及巖土工程勘測資料，為反映地震作用下尾礦壩的最不利情況，沿尾礦庫主溝走向選擇典型計(jì)算剖面。由于尾礦沉積規(guī)律較為復(fù)雜，壩體內(nèi)有夾層，根據(jù)現(xiàn)場鉆探確定壩體材料分區(qū)，如圖1所示。

圖1 北京市密云區(qū)某上游式尾礦庫材料分區(qū)

根據(jù)工程基本情況合理確定計(jì)算域大小，結(jié)合不同的材料分區(qū)進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，以四邊形單元為主，局部輔以三角形單元進(jìn)行過渡。有限元網(wǎng)格劃分見圖2，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 452個，單元數(shù)為3 284個。

圖2 尾礦庫有限元計(jì)算網(wǎng)格及典型節(jié)點(diǎn)

2.2 靜力和動力計(jì)算參數(shù)

根據(jù)尾礦庫現(xiàn)場勘察和土工試驗(yàn)資料，合理確定尾礦壩壩體材料的靜、動力計(jì)算參數(shù)，見表1。

表1 尾礦壩壩體材料的靜力和動力計(jì)算參數(shù)

2.3 地震動輸入

尾礦庫場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震峰值加速度為0.15g，特征周期為0.45 s。根據(jù)相關(guān)抗震規(guī)范，由規(guī)范譜人工擬合地震波加速度時程曲線，如圖3所示，其中豎直方向加速度時程曲線峰值取水平方向峰值的2/3。

3 尾礦壩抗震性能分析

3.1 動位移和加速度反應(yīng)

在尾礦壩壩腳和壩頂兩處選取典型節(jié)點(diǎn)A點(diǎn)(高程277.0 m)和B點(diǎn)(高程336.3 m)進(jìn)行動位移特性分析，節(jié)點(diǎn)具體位置見圖2。圖3為輸入的地震波加速度時程曲線。圖4為壩面典型節(jié)點(diǎn)動位移時程曲線。由圖4可見，隨著地震加速度的往復(fù)變化，節(jié)點(diǎn)動位移相應(yīng)地也呈波動變化規(guī)律。兩個節(jié)點(diǎn)峰值位移出現(xiàn)的時刻大致相同，其中壩腳A點(diǎn)的水平和豎直向動位移極值分別為0.63和0.08 cm，壩頂B點(diǎn)的水平和豎直向動位移極值分別為6.39和0.72 cm?？梢?，隨著壩高的增加，動位移不斷增大。另外，由于慣性作用而產(chǎn)生的運(yùn)動延遲效應(yīng)，高處節(jié)點(diǎn)動位移極值出現(xiàn)時間比低處滯后。

圖3 計(jì)算輸入的地震波加速度時程曲線

圖4 尾礦壩壩面典型節(jié)點(diǎn)A、B的動位移時程曲線

圖5為壩體加速度等值線分布圖。由圖5可見，尾礦壩壩體加速度分布總體上呈現(xiàn)出隨著壩高的增加逐漸增大的一般規(guī)律。水平向加速度從壩腳處的1.50 m/s2波動增大至壩頂?shù)?.06 m/s2，相應(yīng)的壩頂加速度放大系數(shù)為2.71；豎直向加速度從壩腳處的1.00 m/s2波動增大至壩頂?shù)?.64 m/s2，相應(yīng)的壩頂加速度放大系數(shù)為2.64。從加速度大小和放大系數(shù)上來看，水平向加速度和放大系數(shù)均大于豎直向，可見水平向地震反應(yīng)更為顯著，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 尾礦壩壩體加速度等值線分布(單位：m/s2)

3.2 液化可能性分析

圖6為地震結(jié)束時出現(xiàn)的液化區(qū)域，由圖6可知，壩體內(nèi)液化區(qū)主要出現(xiàn)在灘面淺表層(尾粉土和尾細(xì)砂)區(qū)域，基本是在壩體浸潤線下方靠近浸潤線的區(qū)域，主要是因?yàn)榇瞬糠滞馏w處于飽和狀態(tài)，在地震荷載作用下超孔隙水壓力增大而引起液化，隨著地震荷載的持續(xù)作用，液化區(qū)在水平方向并未延伸到壩坡處，因此尾礦壩壩體整體是安全的。

圖6 地震結(jié)束時壩體液化區(qū)域

3.3 壩坡抗震穩(wěn)定性

采用有限元極限平衡法，對地震過程各時刻進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，得到壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線，如圖7所示。由圖7可見，在地震荷載往復(fù)作用下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)呈波動變化，最小值為1.09，大于規(guī)范允許值。

圖7 尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線

在地震荷載的往復(fù)作用下，當(dāng)滑動體的加速度超過屈服加速度時會產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形。圖8為地震過程中尾礦壩壩體永久變形量累積曲線。由圖8可見，累積變形曲線呈階梯狀上升，永久變形量不斷增加，地震結(jié)束時到達(dá)最大值，其值為11.95 cm。

圖8 地震過程中尾礦壩壩體永久變形量累積曲線

4 結(jié) 論

本文對某尾礦壩進(jìn)行了抗震安全性計(jì)算，分別從壩體動位移、加速度、液化區(qū)域、壩坡抗震穩(wěn)定性及地震永久變形等方面進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)地震作用下，尾礦壩動位移包絡(luò)值總體上從壩基至壩頂逐漸增大，其水平向和豎向極值均出現(xiàn)在壩頂，分別為6.39和0.72 cm；壩體動位移值較小，壩體地震反應(yīng)在合理范圍內(nèi)。

(2)地震作用下，尾礦壩加速度等值線總體分布合理，加速度隨著壩高的增大而增大，且呈波動變化特性，壩頂水平向和豎向加速度極值分別為4.06和2.64 m/s2，相應(yīng)的放大系數(shù)分別為2.71和2.64。

(3)地震作用過程中，尾礦壩壩體動孔壓不斷積累，至地震結(jié)束時刻達(dá)到最大值，相應(yīng)的壩體液化區(qū)域主要出現(xiàn)在距壩坡頂約150 m的灘面尾粉土和尾細(xì)砂帶的局部范圍內(nèi)，局部液化對整個壩體安全性的影響不大。

(4)震前壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.98，地震作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)發(fā)生波動變化，最小值為1.09，出現(xiàn)在地震開始之后的12.6 s，與地震加速度峰值有一定的對應(yīng)關(guān)系；震后壩體累積變形量為11.95 cm，不會出現(xiàn)整體滑塌現(xiàn)象。