考慮滲流作用下尾礦壩穩(wěn)定性分析

李志平，付樂(lè)意

(國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，650031，昆明)

0 引言

在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們一直認(rèn)為尾礦壩只需堆放尾礦渣土、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工時(shí)間長(zhǎng)，沒(méi)有蓄水大壩那樣復(fù)雜，但由于尾礦壩失事后所造成的人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境等嚴(yán)重后果，學(xué)者、專(zhuān)家才開(kāi)始重視尾礦壩研究工作，直到1976年國(guó)際大壩委員會(huì)(LCOLD)才逐漸認(rèn)識(shí)到尾礦壩的重要性，并對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性展開(kāi)專(zhuān)項(xiàng)的研究[1-4]。目前尾礦壩穩(wěn)定性研究主要有3個(gè)方面：尾礦壩滲流穩(wěn)定性[5-6]、壩體靜力穩(wěn)定性[7]、壩體動(dòng)力穩(wěn)定[8]3個(gè)方面。

滲流穩(wěn)定性理論研究方面，在達(dá)西定律基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)了非飽和滲流Richards方程、有限差分法數(shù)值模擬、引入有限元分析法與非穩(wěn)定流有限元計(jì)算方法的發(fā)展，逐漸形成了適用于尾礦壩滲流穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)[7-8]。滲流研究手段方面，主要有理論求解、半工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析3種方法。相比前兩者分析方法，數(shù)值模擬分析方法以其數(shù)值分析理論基礎(chǔ)較為完備、計(jì)算精度較高和研究成本低等特點(diǎn)目前被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。常用到的數(shù)值分析方法有：有限差分法、有限元法和邊界元法等[2,9]，有限差分法是用一系列的差分公式求解微分方程的一種計(jì)算方法，最具表達(dá)性。本文主要從數(shù)值分析的方法進(jìn)行研究尾礦壩滲流穩(wěn)定性及靜力穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)動(dòng)力穩(wěn)定性研究不做過(guò)多介紹。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 尾礦壩工程概況

核桃箐尾礦庫(kù)位于核桃箐溝谷內(nèi)，溝谷總體上西高東低，尾礦庫(kù)采用上游法筑壩，從上游到下游整體部署分為：攔洪壩、排洪隧洞、初期壩、排水井管、集液池、攔污壩及回水設(shè)施等(見(jiàn)圖1)。尾礦壩壩頂標(biāo)高為1 982 m，總壩高148 m，總庫(kù)容量約為2 883.75 萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)為二等庫(kù)，分為初期壩和尾礦堆壩。初期壩為碾壓式堆石壩，筑壩石料為礦山采場(chǎng)廢石，初期壩頂標(biāo)高為1 905 m，壩高為71 m，初期壩內(nèi)有效庫(kù)容229.35萬(wàn)m3，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)218 m，壩頂寬度為5 m，壩前坡比為1:2.25，壩后坡比為11:2.75；尾礦堆壩壩頂標(biāo)高1 982 m，高度為77 m，約占總壩高的1/2，采用尾礦渣堆筑，尾礦堆壩1 905～1 935 m，內(nèi)外坡比為1:2，每級(jí)子壩高度為2 m，壩頂寬2 m；尾礦堆壩1 935～1 982 m，由于考慮溝谷走向按照扇形調(diào)整堆壩軸線(xiàn)，尾礦渣堆筑壩平均坡比為1:6.2。

圖1 尾礦概略圖

1.2 場(chǎng)區(qū)地層巖性

項(xiàng)目區(qū)地層主要為第四系沖洪積(Q4al+pl)卵石層、第四系坡洪積(Q4dl+Pl)含卵石粉質(zhì)黏土層、三疊系中統(tǒng)(T2b)強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，按地層成因、巖性組成及物理力學(xué)性質(zhì)等自上而下分為3層(見(jiàn)圖2)。

圖2 工程地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖

1.2.1 卵石層 灰白色、黃褐色，稍密～中等密實(shí)，卵石粒徑大于20 mm約占28%～70%，卵石層中有25%～35%的黏土及粉砂充填，偶見(jiàn)漂石、塊石，大部分卵石呈亞圓形狀，卵石成分主要以灰?guī)r、砂巖為主，少見(jiàn)玄武巖等。層厚3.0～17.30 m，平均厚4.58 m。

1.2.2 含卵石粉質(zhì)黏土層 棕褐色，稍濕，呈可塑狀，局部為硬塑，干強(qiáng)度中等，韌性為中等，搖振反應(yīng)不明顯；含有約15%～30%卵礫石，呈亞圓形狀。層厚1.20～70.40 m，平均厚22.56 m。

1.2.3 強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r 灰白色、灰褐色、褐黃色，部分地段為灰?guī)r夾頁(yè)巖，層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，巖體破碎，風(fēng)化程度強(qiáng)～中等，巖芯呈短柱狀～柱狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄至中厚層狀構(gòu)造，可見(jiàn)溶孔、溶槽等溶蝕現(xiàn)象，巖溶較發(fā)育。

1.3 初期壩填料、尾礦壩堆料

初期壩填料取自礦山采場(chǎng)廢石，采石場(chǎng)石料主要為中風(fēng)化灰?guī)r。采用鋪料厚度為80 cm，碾壓遍數(shù)為8遍的施工工藝。

尾礦壩材料按照粒徑大小及塑性指數(shù)不同分為尾粉土①、尾粉土②兩部分。尾粉土①的粒徑的中值粒徑d50=0.028 8～0.039 5 mm，平均值為0.032 8 mm，不均勻系數(shù)Cu=17.08～21.7，平均值為19.8，尾礦顆粒分布不均；曲率系數(shù)Cc=1.12～1.81，平均值為1.37。尾粉土①的顆粒級(jí)配良好。

尾粉土②的粒徑的中值粒徑d50=0.021 9～0.022 2 mm，平均值為0.022 0 mm，不均勻系數(shù)Cu=14.5～17.2，平均值為15.7，尾礦顆粒分布不均；曲率系數(shù)Cc=0.97～1.16，平均值為1.03。尾粉土②的顆粒級(jí)配良好。

1.4 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

2 二維有限元法分析

采用RocScience slide軟件對(duì)尾礦壩壩高程為1 905 m、1 935 m、1 982 m時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，建立二維模型(見(jiàn)圖3)，考慮滲流狀態(tài)、非滲流狀態(tài)，計(jì)算得出尾礦壩穩(wěn)定性，結(jié)果如表2。

圖3 二維計(jì)算模型圖

表2 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

1)當(dāng)尾礦壩堆至1 905 m時(shí)，此時(shí)尾礦壩高度為71 m，在非滲流作用下尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范的要求分別為1.840和1.701處于穩(wěn)定狀態(tài)，在滲流作用下尾礦壩的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.680和1.656，分別降低了0.16和0.345，穩(wěn)定性系數(shù)下降百分比為8.69%和20.28%；采用Bishop法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)比Janbu法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)高約1.45%～8.17%。

2)尾礦壩堆至1 935 m時(shí)，此時(shí)尾礦壩高為101 m非滲流作用下尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.787和1.621，在滲流作用下尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.525和1.368，分別降低了0.257和0.253，穩(wěn)定性系數(shù)下降14.38%和15.60%；采用Bishop法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)比Janbu法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)高約10.24%～11.48%。

3)當(dāng)尾礦壩堆至1 982 m時(shí)，此時(shí)尾礦壩壩高為148 m，在非滲流作用下尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.680和1.632，尾礦壩處于穩(wěn)定狀態(tài)，在滲流作用下尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.496和1.368，尾礦壩處于穩(wěn)定狀態(tài)，非滲流作用下穩(wěn)定性系數(shù)相比滲流作用下的穩(wěn)定性系數(shù)分別降低了0.184和0.264，穩(wěn)定性系數(shù)下降10.95%和16.18%，因此滲流作用對(duì)尾礦壩的影響較大，同時(shí)隨著尾礦壩堆壩高度的增加，滑動(dòng)面逐漸變長(zhǎng)，滑動(dòng)面圓弧位置上移。

3 三維有限差分法分析

采用邁達(dá)斯軟件Midas GTS/NX對(duì)尾礦壩建立三維地質(zhì)模型，并采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)尾礦壩在1 905 m、1 935 m、1 982 m時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，并考慮天然狀態(tài)和滲流狀態(tài)具體如下。

3.1 天然狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

對(duì)尾礦壩天然應(yīng)力狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果分析也同樣分為3個(gè)部分進(jìn)行，具體如下。

1)尾礦壩堆壩高度為1 905 m時(shí)，此時(shí)尾礦初期壩完成，壩內(nèi)堆滿(mǎn)尾礦渣。在不考慮外力的作用下，對(duì)其進(jìn)行初始應(yīng)力、位移分析結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 最大位移量云圖(天然)

圖5 XY方向剪應(yīng)力增量(天然)

當(dāng)尾礦壩高程為1 905 m，壩高71 m時(shí)，天然應(yīng)力狀態(tài)下最大的位移量為8.79 cm，位于壩后尾礦堆積區(qū)；初期壩左側(cè)壩肩處出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生了塑性變形。

2)尾礦壩堆壩高度為1 935 m時(shí)，此時(shí)尾礦壩整體高度為101 m，在天然應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 最大位移量云圖(天然)

圖7 最大剪應(yīng)力增量云圖(天然)

可以看出，當(dāng)尾礦壩高程為1 935 m，壩高101 m時(shí)，天然應(yīng)力狀態(tài)下最大的位移量為16.29 cm，尾礦堆壩壩底處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并發(fā)生了塑性變形。

3)尾礦壩堆壩高度為1 982 m時(shí)，此時(shí)尾礦壩整體高度為148 m，在天然應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 最大位移量云圖(天然)

圖9 XZ方向剪應(yīng)力增量(天然)

可以看出，當(dāng)尾礦壩高程為1 982 m，壩高148 m時(shí)，天然應(yīng)力狀態(tài)下最大的位移量為23.73 cm，主要位于尾礦壩頂；剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以知道，尾礦壩堆至最終高度時(shí)，1 905 m和1 935 m臺(tái)階處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并發(fā)生了塑性變形。

3.2 滲流狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

滲流作用下的數(shù)值計(jì)算分析同樣分為3個(gè)步驟進(jìn)行，具體如下。

1)當(dāng)尾礦壩高1 905 m時(shí)，考慮滲流狀態(tài)下尾礦壩整體的穩(wěn)定性，并對(duì)其位移量和應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，如圖10、圖11。

圖10 最大位移量云圖(滲流)

圖11 XY方向剪應(yīng)力增量(滲流)

滲流狀態(tài)下尾礦壩的最大位移量為21.45 cm，位于尾礦壩初期壩臺(tái)階上；在左側(cè)壩肩應(yīng)力較集中且發(fā)生了塑性變形。

2)尾礦壩高度為1 935 m時(shí)，此時(shí)的水位高度上升，對(duì)尾礦壩進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析其位移和應(yīng)力的分布情況，見(jiàn)圖12、圖13。

圖12 最大位移量云圖(滲流)

圖13 XY方向剪應(yīng)力增量(滲流)

可以看出尾礦壩高為1 935 m時(shí)，滲流狀態(tài)下最大位移量為28.27 cm，位置仍然位于尾礦壩初期壩臺(tái)階處；隨著水位的上升，尾礦壩右側(cè)壩肩出現(xiàn)輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)尾礦壩高度為1 982 m時(shí)，此時(shí)尾礦壩已經(jīng)到達(dá)最終高度148 m，尾礦壩中水位相應(yīng)的會(huì)有升高，對(duì)整個(gè)尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算并分析位移應(yīng)力的情況見(jiàn)圖14、圖15。

圖14 最大位移量云圖(滲流)

圖15 XY方向剪應(yīng)力增量(滲流)

可以看出尾礦壩高1 982 m時(shí)，考慮滲流情況下最大位移量為35.42 cm，XY方向剪應(yīng)力增量，剪應(yīng)力在尾礦壩左側(cè)壩肩的集中區(qū)變大，并產(chǎn)生塑性變形。

3.3 二維有限元法、三維有限差分法的綜合分析

通過(guò)二維有限元法分析，尾礦壩堆至1 935 m、1 905 m、1 982 m時(shí)，隨著高度的增加，滑動(dòng)面逐漸變長(zhǎng)，滑動(dòng)面圓弧位置上移，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，但是穩(wěn)定系數(shù)K滿(mǎn)足規(guī)范要求，解決了尾礦壩的整體性安全問(wèn)題。

二維有限元法分析無(wú)法說(shuō)明的是尾礦壩內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，通過(guò)三維有限差分法分析則解決了這個(gè)問(wèn)題，回答了某一壩高條件下，最大位移量是多少，哪個(gè)方向剪應(yīng)力增量，何處應(yīng)力集中區(qū)變大，并產(chǎn)生塑性變形等問(wèn)題。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)核桃箐碾壓尾礦壩穩(wěn)定性進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論。

1)在不同壩高條件下，采用二維有限元法分析計(jì)算時(shí)，考慮滲流作用下穩(wěn)定性系數(shù)比不考慮滲流作用下穩(wěn)定性系數(shù)降低，滲流作用對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性影響大；采用Bishop法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)比Janbu法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)高。

2)在不同壩高條件下，采用三維有限差分法計(jì)算，天然狀態(tài)下尾礦壩最大位移量比滲流狀態(tài)下尾礦壩最大位移量小，滲流作用對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性影響大。

3)通過(guò)二維有限元法分析，得到尾礦壩的整體穩(wěn)定系數(shù)，利用三維有限差分法分析計(jì)算，得出尾礦壩在不同壩高時(shí)的最大位移量、應(yīng)力集中和塑性變形位置，2種方法相結(jié)合可以得到尾礦壩的整體穩(wěn)定性以及整個(gè)壩體不同位置的應(yīng)力應(yīng)變狀況。