某中線式尾礦壩抗震穩(wěn)定性時程分析

馬艷晶(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

作為礦山重要的配套設(shè)施,尾礦庫是否安全運行不僅關(guān)系到礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益,而且直接影響到周邊人民群眾的生命財產(chǎn)安全和周邊環(huán)境。近年來,黨中央、國務(wù)院高度重視尾礦庫安全生產(chǎn)工作,針對切實加強尾礦庫安全生產(chǎn)作出一系列重要指示。按照黨中央、國務(wù)院有關(guān)決策部署,自2007年起由國家安全監(jiān)管總局牽頭,會同國務(wù)院安委會相關(guān)部門全面開展尾礦庫專項整治和綜合治理工作,保證尾礦庫的安全生產(chǎn);2020年由應(yīng)急管理部牽頭印發(fā)的《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案》提到,“自2020年起,在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)正常建設(shè)開發(fā)的前提下,全國尾礦庫數(shù)量原則上只減不增,不再產(chǎn)生新的‘頭頂庫’”。

尾礦壩是一種特殊的構(gòu)筑物,其壩體形態(tài)在尾礦庫使用過程中在不斷發(fā)生變化。國內(nèi)外有很多由于地震作用造成尾礦壩失事的案例。1928年10月1日,智利 Barahon尾礦壩由于地震遭到破壞,400萬t尾礦瀉入山谷,致使45人死亡。1965年3月28日,智利中部發(fā)生7至7.25級地震,距離震中100 km范圍內(nèi)的10座尾礦壩遭到破壞,死亡270多人。1976年7月28日,唐山7.0級大地震中,首鋼大石河尾礦壩與新村尾礦壩雖沒有遭受坍塌性的破壞,但在尾礦壩的局部外坡和上游尾礦沉積灘上產(chǎn)生裂縫、噴砂冒水等災(zāi)害[1-2]。1978年,日本的Mochikoshi 1#尾礦壩由于地震液化破壞,2#尾礦壩在地震后約24 h倒塌,近8萬m3的尾礦和水被釋放出來,給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和人民生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失。2008年5月12日四川汶川地震中,震區(qū)9座尾礦壩出現(xiàn)潰壩或裂縫、滲漏、滑坡等破壞,嚴重影響尾礦庫的正常運行,并對下游人民生命財產(chǎn)造成威脅[3]。

根據(jù)筑壩方式的不同,采用尾砂筑壩的尾礦庫,分為上游式尾礦筑壩法、中線式尾礦筑壩法和下游式尾礦筑壩法,目前國內(nèi)絕大多數(shù)尾礦庫采用上游式尾礦筑壩法,由于中線法尾礦庫具有浸潤線埋深較深,抗震安全性好,本質(zhì)安全性高等特點,已經(jīng)越來越多的被許多企業(yè)和監(jiān)管部門所認可。

根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》,對于1級、2級尾礦壩抗震計算分析主要包括壩坡穩(wěn)定性分析、地震液化分析及地震永久變形分析[4],其中壩坡穩(wěn)定性分析是重要的計算內(nèi)容。本文針對某大型中線式尾礦壩,采用有限元動力時程分析方法,研究其在地震條件下的抗震穩(wěn)定性。

某采用中線式尾礦筑壩法的尾礦庫,堆積壩采用分級后的粗尾砂堆筑,堆積壩平均坡度為1∶3.5。尾礦庫初期壩位于現(xiàn)狀尾礦壩軸線中部,堆積壩底部,為不透水碾壓式土石壩結(jié)構(gòu)。初期壩壩軸線與現(xiàn)狀壩軸線呈一定夾角。初期壩壩高為38.0 m,壩頂寬10.0 m。上游壩面坡比從上至下依次為1∶2.0至1∶3.0不等;壩體下游壩面坡比從上至下依次為1∶2.0至1∶1.5不等。壩上游面設(shè)有黏土斜墻防滲,黏土斜墻底部做齒槽。除斜墻外壩體材料主要采用中風(fēng)化新鮮千枚巖。攔砂壩位于堆積壩下游,為透水堆石壩。初期壩和攔砂壩之間為碎石排滲墊層,厚度為2 m。壩基巖土層為全風(fēng)化千枚巖和中風(fēng)化千枚巖?，F(xiàn)狀壩頂標(biāo)高為270.00 m,壩頂寬40 m,壩高198 m,灘頂高程約為188.00 m。該尾礦壩還要加高至280 m標(biāo)高,總壩高208 m,尾礦庫等別為1等,尾礦壩級別為1級。

2 抗震穩(wěn)定分析方法與評判標(biāo)準(zhǔn)

目前,尾礦壩的抗震計算方法和評判標(biāo)準(zhǔn)基本上是借鑒水工建筑物中的土石壩抗震分析理論與手段。

2.1 靜力分析

靜力分析是進行動力分析的基礎(chǔ)條件,在靜力有限元計算中,工程上經(jīng)常采用鄧肯-張(Duncan-Chang)模型,該模型在進行土石壩等堆石體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析時具有較大優(yōu)勢,在我國得到了較好應(yīng)用,在參數(shù)選取、評價準(zhǔn)則等問題上積累了較多的經(jīng)驗。本次分析采用鄧肯-張E-B模型作為靜力分析本構(gòu)模型,表達式為

式中:σm——圍壓;

Pa——大氣壓強;

K——變形模量;

n——模量指數(shù);

Sl——土體單元的應(yīng)力水平(反映材料強度發(fā)揮程度),其表達式為

其中,(σ1-σ3)f為破壞時的偏應(yīng)力,根據(jù)摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則

式中,c、φ分別為黏聚力和摩擦角。

2.2 動力時程穩(wěn)定分析方法

動力穩(wěn)定計算采用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的有限元計算方法,通過靜力和動力計算得到土體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布,并在穩(wěn)定分析中應(yīng)用這些應(yīng)力。

計算得到的有限元應(yīng)力可以被導(dǎo)入到傳統(tǒng)的極限平衡分析,每一個單元應(yīng)力σx,σy和τxy已知,可以計算出每個條塊底部中點的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,一旦每個土條的下滑力和抗滑力都求出來以后,這些力在滑動面上積分,穩(wěn)定系數(shù)可以求出,邊坡安全系數(shù)定義為

式中:ci、φi——單元土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角;

li——單元滑弧面長度;

σi、τi——第i單元滑弧面正應(yīng)力和剪應(yīng)力。

作用于滑弧通過的單元滑動面上的正應(yīng)力σN和剪應(yīng)力τN為

2.3 抗震穩(wěn)定評判標(biāo)準(zhǔn)

對于土石壩抗震穩(wěn)定的極限能力,規(guī)范目前沒有統(tǒng)一判斷標(biāo)準(zhǔn)[5],對于尾礦壩抗震計算也是如此。一般情況下,采用擬靜力穩(wěn)定計算分析時,穩(wěn)定安全系數(shù)Fs＜1.0,則認為壩坡失穩(wěn)。但對于有限元時程穩(wěn)定分析方法,由于穩(wěn)定安全系數(shù)是隨時間不斷變化的,即使穩(wěn)定安全系數(shù)Fs＜1.0也不能說明壩坡一定失穩(wěn)破壞,因此,目前評價動力時程穩(wěn)定性并無明確標(biāo)準(zhǔn)。李國英等[6]認為,若安全系數(shù)小于1.0的累計時間超過2 s,則壩坡失穩(wěn)。

3 計算模型和參數(shù)

對尾礦壩運行至最終標(biāo)高時的抗震穩(wěn)定能力進行分析計算,選取壩體中最大剖面作為典型計算模型斷面。

典型剖面處的尾礦庫主要巖土層分布情況如圖1所示,根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果和工程實際情況,將壩體和庫區(qū)尾砂土層概化為4層,分別為現(xiàn)狀壩體尾砂①、庫內(nèi)尾砂①,尾礦庫加高后下游壩坡堆積的壩體尾砂②,庫內(nèi)沉積灘沉積的庫內(nèi)尾砂②,地基巖土層為強風(fēng)化千枚巖和中風(fēng)化千枚巖,另外還包括初期壩、攔砂壩和排滲墊層。由于初期壩深埋在堆積壩底部,對壩體整體抗震穩(wěn)定性影響甚小,為便于計算,在建模時將初期壩材料概化為一種材料。

圖1 計算剖面

將計算模型進行網(wǎng)格劃分建立有限元模型,有限元模型如圖2所示,有限元模型中總節(jié)點數(shù)3 718個,總單元數(shù)為3 558個。

圖2 有限元模型

關(guān)于加載順序,在有限元模型建立時,將最終狀態(tài)下的整體壩體模型全部反應(yīng)出來,初始應(yīng)力場分析完成后,再考慮利用激活后期加高部分單元(即庫內(nèi)尾砂②和壩體尾砂②)的方式進行各工況下的靜動力分析計算。在計算中以最終穩(wěn)定滲流為依據(jù),加載后對現(xiàn)有壩體各土層固結(jié)的影響作為安全儲備考慮。尾礦壩壩體靠尾砂水力沉積上升,加載速度緩慢,加之壩體庫區(qū)尾粉砂滲透系數(shù)大,計算中不考慮瞬時加載造成的超孔隙水壓力上升及消散問題。

靜力有限元計算中,尾礦壩體材料采用鄧肯-張E-B模型,動力時程有限元計算中,尾砂采用等效線性黏彈性模型。尾砂材料靜、動力計算參數(shù)見表1,Gd/Gdmax-γ和λ-γ關(guān)系曲線見表2。

表1 尾砂材料靜、動力計算參數(shù)

初期壩、攔砂壩及排滲墊層采用當(dāng)?shù)仫L(fēng)化石料碾壓堆筑建成,國內(nèi)學(xué)者對若干堆石材料進行了大量等效動剪切模量與等效阻尼比試驗研究,提出了滿足工程需要最大等效動剪模量關(guān)系、歸一化等效動剪切模量與動剪應(yīng)變關(guān)系[7],本次計算中對于初期壩等材料的動力參數(shù)取值參考其研究成果。

4 地震動輸入

根據(jù)本工程地震安評報告,以地震危險性分析得到的基巖峰值加速度和反應(yīng)譜作為人工合成地震動的目標(biāo)函數(shù),結(jié)合適應(yīng)工程場地區(qū)域地震活動特征的強度包絡(luò)函數(shù),采用擬合目標(biāo)函數(shù)的三角級數(shù)疊加法,分別合成工程場地50年超越概率63%、10%、2%和100年超越概率63%、10%、2%各3個時程樣本(分別對應(yīng)三組不同的隨機相位),共計18個加速度時程。時程采樣步長為0.02 s,目標(biāo)加速度反應(yīng)譜在0.04～6.0 s內(nèi)取57個控制點,合成時程的反應(yīng)譜與目標(biāo)譜之間的相對誤差小于5%,離散時間點數(shù)為2048。地震時長40.96 s,步長0.02 s。

表2 動剪切模量比Gd/Gdmax與阻尼比λ計算值

取100年2%的3條相互獨立的地震動時程,作為本次動力計算的場地地震分析的水平地震動輸入,峰值加速度0.143 6 g,時程曲線如圖3所示。

圖3 人工合成地震波加速度時程(100年2%)

另外,由于本工程尾礦庫等級較高,為安全起見,在進行尾礦壩地震穩(wěn)定分析時,同時考慮水平向地震動和豎向地震動作用,豎向地震加速度時程與水平向地震加速度時程相同,將加速度峰值取為水平向的2/3。

5 動力穩(wěn)定計算結(jié)果與分析

5.1 計算結(jié)果

在地震過程中,壩體中各應(yīng)力分量都是變化的,因此由廣義剪應(yīng)力來綜合反映各單元受到的往復(fù)剪切作用。圖4所示為計算模型在地震動作用下動剪應(yīng)力峰值分布等值線圖,可以看出,在三條地震波作用下,壩體內(nèi)峰值動剪應(yīng)力水平基本在200～300 kPa,均出現(xiàn)在壩底附近。

圖4 峰值動剪應(yīng)力分布等值線圖(kPa)

在考慮水平向地震動和豎向地震動同時作用下,在三條地震加速度時程工況下計算模型的邊坡動力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線如圖5所示。其中1#地震波作用下,最大安全系數(shù)為2.981,最小安全系數(shù)為0.754,其中安全系數(shù)小于1.0的累計時間為0.64 s;在2#地震波作用下,最大安全系數(shù)為2.959,最小安全系數(shù)為0.947其中安全系數(shù)小于1.0的累計時間為0.52 s;在3#地震波作用下,最大安全系數(shù)為2.875,最小安全系數(shù)為0.771,其中安全系數(shù)小于1.0的累計時間為0.22 s。

圖5 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線

5.2 穩(wěn)定性判別

通過上述計算可以看出,在三條地震過程中某一時刻,壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)有小于1.0的情況出現(xiàn),但由于時間極短,安全系數(shù)小于1.0的累計時間均未超過2s,因此判斷不會造成邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,該尾礦壩滿足地震穩(wěn)定性要求。

6 結(jié)論

本文采用動力有限元計算方法,通過建立數(shù)值模型對某中線式尾礦壩的抗震穩(wěn)定性及判別標(biāo)準(zhǔn)進行了分析,基本結(jié)論如下:

(1)基于地震反應(yīng)分析,對于尾礦壩壩坡抗震穩(wěn)定性,當(dāng)采用動力有限元時程分析方法時,提出將安全系數(shù)小于1.0的累計時間小于2 s作為尾礦壩抗震穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)。

(2)以某中線式尾礦壩為例進行了計算分析,在三條地震波作用下,同時考慮水平向和豎向地震動作用時,尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0的累計時間分別為0.64 s、0.52 s、0.22 s,累計時間均小于2 s,初步可判定該尾礦壩滿足地震穩(wěn)定性要求。另外,從計算結(jié)果可以看出,由于地震波動的隨機性,不同地震波作用下,尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0的累計時間差別非常大,為保證尾礦壩安全,應(yīng)按照有關(guān)要求選擇多條與工程場地相適應(yīng)的地震波分別進行計算。

(3)為確保尾礦庫安全運行,應(yīng)加強尾礦庫安全管理工作,對現(xiàn)有的位于強震區(qū)的尾礦壩應(yīng)采取一定的抗震措施,如適當(dāng)增加干灘長度,加強壩體排滲,降低浸潤線等措施;在新建尾礦庫時,必須關(guān)注壩址選擇工作,應(yīng)避開活動斷層,選擇基巖穩(wěn)定、覆蓋層薄及土層條件好的壩址。

對于尾礦壩抗震計算還應(yīng)包括地震液化分析和地震永久變形分析,采用有限元時程分析方法計算并判斷尾礦壩抗震穩(wěn)定性后,還應(yīng)結(jié)合地震液化分析和地震永久變形分析結(jié)果,對尾礦壩整體地震安全性進行綜合評價。