滲流條件下細粒土尾礦庫穩(wěn)定性與加固措施

羅昌泰，李棟偉，吳 霞

(1. 東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013； 2. 南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099； 3. 江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學院 建筑工程學院，江西 贛州 341000)

根據(jù)防洪能力和壩體的穩(wěn)定性，尾礦庫的安全度分為危庫、險庫、病庫和正常庫.在環(huán)境、地質(zhì)、人力破壞等因素的影響下，危庫的整體安全性和穩(wěn)定性最差，最容易產(chǎn)生失穩(wěn).歷經(jīng)常年堆積，尾礦危庫的容量、堆填厚度一般較大，一旦產(chǎn)生失穩(wěn)潰壩，容易造成較大范圍的地質(zhì)災(zāi)害，危及人民生命財產(chǎn)安全[1-2].因此，對尾礦危庫壩體進行維護加固，并對邊坡的穩(wěn)定性進行預(yù)測和監(jiān)控是非常必要的.

現(xiàn)場監(jiān)控量測技術(shù)是一種有效的監(jiān)測技術(shù)，但同時也存在耗時、耗力及現(xiàn)場布置復(fù)雜的缺點，不適合長期實施，目前多用于工后評價.數(shù)值模擬分析技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于土建工程的各個領(lǐng)域，尤其適用于各類復(fù)雜巖土體位移、應(yīng)力、強度和安全系數(shù)的預(yù)測評估，常與現(xiàn)場監(jiān)控量測技術(shù)相互配合應(yīng)用.物理計算參數(shù)的準確性在很大程度上決定了計算結(jié)果的可靠性[3].而為了獲取巖土體的計算參數(shù)，采用相關(guān)規(guī)范、指南、準則中的推薦值進行模擬分析的做法符合計算要求，亦是目前廣泛采用的取值方法.然而，自然界中的巖土體是非常復(fù)雜的[4]，若按照規(guī)范進行賦值，那么將難以保證計算結(jié)果的準確性、合理性及可靠性.

為了解決該問題，對巖土體真實變形、受力特征實施監(jiān)測，并對物理特征進行反演的思想相繼被提出，即反分析.根據(jù)當前的反分析理論，反分析分為位移反分析、應(yīng)力反分析和位移-應(yīng)力反分析[5-6].由于位移在現(xiàn)場實測中容易獲得，亦是較為可靠的變形特征參數(shù)，故基于現(xiàn)場實測位移對力學參數(shù)進行反演的位移反分析方法的應(yīng)用與研究最為普遍.王少杰等[7]基于差分進化法，對在各向異性面上開挖隧洞時的位移反分析相關(guān)問題進行研究，建立了參數(shù)靈敏度、參數(shù)可惟一辨識性及測線布置方案.吳銘輝等[8]利用典型工程案例實測數(shù)據(jù)進行擬合反分析模型參數(shù).為了模擬分析豎向變形軌跡及范圍，ZHANG Z. Z.等[9]以隧道富水破碎帶為對象，基于反分析程序?qū)鷰r的彈性模量進行反演計算，并利用離散元模擬分析程序?qū)ψ冃巫粉櫵惴ㄟM行了修正.為了提高收斂速度，GAO W.[10]基于全局優(yōu)化方法構(gòu)建了一種免疫連續(xù)蟻群優(yōu)化算法，并據(jù)此對巖石參數(shù)反分析算法進行了優(yōu)化修正.劉英棨等[11]為了解決監(jiān)控數(shù)據(jù)難以直觀反饋施工優(yōu)化的技術(shù)難題，基于位移反分析建立了平面有限元模型，并利用應(yīng)力釋放率與荷載偏壓參數(shù)，推導了圍巖偏壓分布公式.

細粒土尾礦壩具有高厚、大容量、大體積特征，采用現(xiàn)場監(jiān)控量測難以實施長期監(jiān)控.若依然采用常規(guī)的規(guī)范法進行參數(shù)賦值，即便使用數(shù)值模擬分析，由于壩體內(nèi)部物理特征的巨大差異，也很難保證分析結(jié)果可靠.為此，筆者提出一種位移反分析方法，以江西省新干縣冷坑沖細粒土尾礦庫壩體邊坡為實際依托，以現(xiàn)場位移實測值為依據(jù)，利用“試湊”式的BMP90位移反分析程序?qū)r體的等效彈性模量和側(cè)壓力系數(shù)進行反演，并將反演結(jié)果應(yīng)用于壩體邊坡穩(wěn)定性、排滲加固措施的數(shù)值模擬分析，以期為細粒土尾礦庫壩體邊坡穩(wěn)定性及加固提供一定的參考和借鑒.

1 工程概況

1.1 潰壩概況

冷坑沖尾礦庫是江西省新干縣的一個螢石礦尾礦庫，螢石原礦年產(chǎn)量為6×104t，螢石精粉為3×104t，尾礦庫總庫容為7.17×105m3.經(jīng)長年累月堆填，壩體最終堆積高程達190 m，相對堆高達64.9 m，為四等庫.2019年5月，在運行過程中因庫底排水斜槽發(fā)生斷裂垮塌，造成尾砂和尾廢水泄露.泄露后在庫尾形成塌陷坑，經(jīng)測算潰泄方量約5.00×104m3.

1.2 尾礦庫風險因素

該礦所排放的螢石尾砂顆粒粒徑極細，多為尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土.通過鉆孔取得原尾礦砂樣進行粒度成分分析，結(jié)果如表1所示.

表1 尾礦砂樣粒度成分統(tǒng)計表 %

分析發(fā)現(xiàn)粒徑大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為31.83%，屬于典型的細粒尾礦[12].細粒尾礦庫的普遍特征是透水性極差，浸潤線不易降低，導致振動液化，且軟泥層中可能存在較高的超孔隙水壓力，抗剪強度很低，致使壩體結(jié)構(gòu)的靜、動穩(wěn)定性弱于一般尾礦，病害率偏高[13-14].

事故發(fā)生時，冷坑沖尾礦庫沒有新的尾砂漿液排放,周邊亦無其他地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生.根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，全年豐水期(4— 6月)降水量占全年的59.5%，易形成洪澇災(zāi)害.事故發(fā)生前，當?shù)剡B續(xù)降雨累計天數(shù)達到18 d，降雨使得庫區(qū)積水無法及時排出庫外，浸潤線持續(xù)升高，導致尾礦壩體強度降低，加之如果洪水漫頂，壩體將被沖刷破壞而失穩(wěn).只有水位降落和上升歷時越長，水力梯度的變化幅度越小，對滲流安全影響才越小[15].因此，浸潤線升高是導致壩體失穩(wěn)的主要風險因素，事故的發(fā)生導致該尾礦庫處于危庫狀態(tài).

2 壩體初始穩(wěn)定性與滲流分析

為了對事故發(fā)生之前的壩體穩(wěn)定性和滲流進行分析，采用Midas GTS NX有限元分析軟件進行模擬推算.該軟件操作界面簡潔，模型庫功能分析齊全，內(nèi)置的FS模塊具有優(yōu)越的流-固耦合分析計算能力，運算時解的穩(wěn)定性與收斂性較好[16].

2.1 穩(wěn)定性分析

尾礦庫堆積壩的高度為64.9 m，初期壩至庫尾的長度約為458.0 m.通過鉆探手段發(fā)現(xiàn)，尾砂分層為尾中砂、尾細砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土，以下為花崗斑巖.采用二維模型進行模擬分析.網(wǎng)格劃分單元總數(shù)為789個，節(jié)點數(shù)量為1 092個，如圖1所示.圖中1#-6#位置分別為干砌塊石初期壩、尾中砂層、尾細砂層、尾粉土層、尾粉質(zhì)黏土層和原花崗巖山體.

圖1 模型網(wǎng)格劃分

與粗粒土相比，正常固結(jié)條件下的細粒土層的結(jié)構(gòu)更加致密，應(yīng)力、位移傳遞更加有效[17].因此，在2#-5#位置的網(wǎng)格劃分更加緊密，1#、6#位置的網(wǎng)格單元數(shù)量與2#-5#的數(shù)量比為1 ∶1.3.根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，認為在滑坡體周圍0.5～1.5倍坡高范圍外不受滑坡的影響，因此網(wǎng)格劃分的橫向長度取1.5倍的坡高.實際計算時認為網(wǎng)格邊界上不存在應(yīng)力傳遞與水頭，選擇摩爾-庫倫應(yīng)力準則，不設(shè)置固定的迭代次數(shù)，視應(yīng)力分配達到平衡為基本原則，并由軟件自行運算[18].考慮到滑坡垮塌事故已經(jīng)發(fā)生，因此可以確定破裂面的位置，故選擇應(yīng)力極限平衡法對應(yīng)力進行分配迭代.經(jīng)運算后發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)為1.125 0.根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》可知，重要工程邊坡的安全系數(shù)取值應(yīng)達到1.3～1.5，因此該尾礦庫安全系數(shù)不符合要求，在現(xiàn)有的地質(zhì)條件下極易發(fā)生垮塌災(zāi)害.

2.2 滲流浸潤線與穩(wěn)定性分析

為分析不同浸潤線高程所對應(yīng)的安全系數(shù)，需要根據(jù)水頭狀態(tài)計算浸潤線分布情況.在Midas GTS NX計算中找出尾礦庫的浸潤線(孔隙水壓力p為0的線)，根據(jù)壩頂與臨時排洪設(shè)施的高程差，確定正常水頭H=71.5 m，洪水期水頭H=73.5 m.圖2和3分別為尾礦庫當前和洪水期浸潤線計算云圖，其中白色部分為孔隙水壓力為0時的等值線區(qū)域，即浸潤線.對比圖2、3，可知浸潤線整體稍微降低.

圖2 尾礦庫當前浸潤線分布云圖

圖3 尾礦庫洪水期浸潤線分布云圖

利用Midas GTS NX軟件中“應(yīng)力-滲流-穩(wěn)定”計算模塊，分別計算水頭H=71.5、73.5 m時壩體的滲流安全系數(shù)，計算結(jié)果分別如圖4、5所示，其中F為安全系數(shù)，d為位移.

圖4 H=71.5 m時壩體滲流安全系數(shù)計算結(jié)果

圖5 H=73.5 m時壩體滲流安全系數(shù)計算結(jié)果

對比圖4、5可知：水頭增高導致浸潤線持續(xù)抬升；在滲流狀態(tài)下，土體內(nèi)部的孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，使得土體抗滑力減?。煌瑫r，土體內(nèi)部含水率增大，土體容重也將增大，加大了邊坡的下滑力，致使安全系數(shù)有所下降.經(jīng)計算，水頭H=71.5、73.5 m時的安全系數(shù)分別為1.012 5和0.938 2.可見，連續(xù)降雨導致浸潤線持續(xù)抬升，弱化了壩體邊坡的整體抗滑力，加大了滑塌風險.

3 排滲加固

3.1 方案選擇與布置

基于前述分析，本次隱患處理不僅需著重增設(shè)排滲設(shè)施降低浸潤線外，還需對壩體進行加固處理以增強壩體強度.表2、3分別為常見的排滲和壩體加固措施.

結(jié)合該尾礦庫細粒尾砂滲透系數(shù)低的特性，對比表2、3可知：在排滲方面，水平排滲和輻射井排滲的效率更高，且施工便利；在固壩方案中，鉆孔碎石樁、抗滑樁支擋法和輻射井加固法均適用.綜合考慮排滲和固壩效果，同時兼顧施工便利性，選擇輻射井為本項目的除險加固措施.圖6為輻射井的三維模型示意圖.圖7為輻射井的平面布置示意圖.

輻射井由豎井、水平排滲管和導水管組成，豎井為鋼筋混凝土圓柱形結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場配筋，并分節(jié)澆筑.成型后逐節(jié)下沉至設(shè)計高程，然后再封底就位.

表2 常見排滲措施

表3 常見壩體加固措施

圖6 輻射井模型示意圖

圖7 輻射井平面布置示意圖

根據(jù)壩體范圍和浸潤線高程，需布置3個輻射井，即1#、2#和3#輻射井，井身高度分別為23、25和27 m，內(nèi)徑均為3 m.導水管采用Φ114的鋼管，長度分別為78、80和98 m，坡度為1%.水平排滲管設(shè)置3層，管長50 m，縱坡為5%，且每層垂直間距為4 m.

3.2 排滲加固效果

采用Midas GTS NX軟件對排滲效果進行模擬分析，以掌握浸潤線的變化狀態(tài).本次模擬分析主要考慮輻射井的支擋、加筋和固結(jié)作用.采用三維模型計算加固后壩體的穩(wěn)定性.圖8為建成的數(shù)值計算網(wǎng)格模型，其中單元數(shù)為137 352個，節(jié)點數(shù)為125 199個.

圖8 數(shù)值計算網(wǎng)格模型

圖9為輻射井施工后浸潤線位置變化云圖.圖10為輻射井施工后滲流穩(wěn)定性云圖.

圖9 施工后浸潤線位置變化云圖

圖10 輻射井施工后滲流穩(wěn)定性云圖

由圖9可知，輻射井施工后，壩體內(nèi)部的浸潤線快速下降，孔隙水壓力消散較快.由圖10可知，滲流安全系數(shù)的模擬分析結(jié)果為1.323 4，較排滲加固前有顯著提高.

4 壩體邊坡穩(wěn)定性模擬分析

基于BMP90位移反分析程序來獲取壩體邊坡的力學參數(shù)，即以邊坡位移實測值為反演依據(jù)，對邊坡的等效彈性模量和側(cè)壓力系數(shù)進行反演，并將反演結(jié)果應(yīng)用于有限元數(shù)值計算中.根據(jù)GB 50021—2001的有關(guān)規(guī)定，同時考慮到現(xiàn)場監(jiān)控量測任務(wù)重、設(shè)備不足等因素，實際監(jiān)測時僅對邊坡的下滑位移進行監(jiān)測，精度為0.1 mm.共設(shè)置3個監(jiān)測點，分別位于1#、2#和3#輻射井的左側(cè)，距離排滲井的水平距離均為3 m.BMP90反分析軟件的基本原理是通過不斷地調(diào)整參數(shù)取值，最終使得實測值與擬定值的差值滿足某種容許范圍，此時擬定值視為可用[19]，即

式中：R為容許范圍值；K1為位移擬定值，mm；K2為位移實測值，mm.

4.1 反分析結(jié)果

根據(jù)GB 50021—2001的規(guī)定，初步?jīng)Q定將觀測時間定為30 d.由于實際施工中諸多因素的不利影響，最終實際觀測得到24 d的實測值.表4為反分析結(jié)果.

表4 反分析結(jié)果

由于全體樣本取值的波動幅度較大，因此從數(shù)理統(tǒng)計角度考慮[20]，與求取全體樣本的平均值相比，選擇樣本值波動趨于平穩(wěn)階段的樣本平均值會更加合理.分析表4可知，從第21天開始側(cè)壓力系數(shù)波動趨于平穩(wěn)，故選擇第21-24天的平均值為0.57；從第20天開始等效彈性模量波動趨于平穩(wěn)，故選擇第20-24天的平均值為650.97 MPa.

4.2 模型建立與結(jié)果分析

分別在模型左右兩側(cè)、底部施加x、y方向的約束，地表為自由邊界，假定邊坡為均質(zhì)的彈塑性體，并遵循摩爾-庫倫準則[21-22].網(wǎng)格模型見圖8.首先采用GB 50021—2001給出的V級邊坡土體計算參數(shù)進行位移計算；然后采用由位移反分析得到的側(cè)壓力系數(shù)和等效彈性模量進行位移計算.將監(jiān)控量測所得實測位移與位移的有限元計算值進行對比分析.計算結(jié)果如表5所示.由表5可知：通過反分析所得計算結(jié)果比根據(jù)規(guī)范給定參考值的計算結(jié)果更為接近實測值，這說明通過反分析所得計算結(jié)果更加真實有效；1#、2#和3#監(jiān)測點的位移值逐漸下降，這是因為1#監(jiān)測點距離凹陷坑最近，也就是距離自由變形邊界最近，因此其位移值最大；模擬分析結(jié)果小于實測結(jié)果，這是因為在模擬分析時，在模型左右兩側(cè)、底部施加了x、y方向的約束.

表5 位移計算值與實測值對比 mm

綜上，壩體邊坡經(jīng)加設(shè)排滲井后，浸潤線明顯下降，數(shù)值模擬分析和實測結(jié)果也表明壩體邊坡整體趨于穩(wěn)定，表明加固措施有效可行.

5 結(jié) 論

1) 細粒土尾礦庫透水性差，浸潤線不易降低，導致振動液化，在超孔隙水壓力的作用下，壩體結(jié)構(gòu)的靜、動穩(wěn)定性弱于一般尾礦.

2) 輻射井排滲系統(tǒng)能有效降低細粒土尾礦庫內(nèi)浸潤線，同時發(fā)揮加固、排滲作用，能夠較快穩(wěn)定壩體邊坡，防止垮塌.

3) 位移反分析是以實測位移值為依據(jù)，對土體的計算參數(shù)進行反演，避免了規(guī)范法賦值的不足，因而所得模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果更加吻合.