基于GEO-Studio的某尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定性分析

魏有林 丁成功

（1.酒鋼肅南宏興礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

尾礦庫(kù)作為礦山重要危險(xiǎn)源之一，潰壩事故發(fā)生的案例眾多，給下游庫(kù)區(qū)人民、企業(yè)以及周邊環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難。進(jìn)入21 世紀(jì)，地球已經(jīng)進(jìn)入活躍期，地震發(fā)生頻率和強(qiáng)度都有增高的趨勢(shì)，并且隨著近年來(lái)選礦工藝的改善，越來(lái)越多的細(xì)顆粒尾礦被排入庫(kù)內(nèi)，降低了壩體排滲能力，不利于壩體動(dòng)力穩(wěn)定性的提升。所以開(kāi)展尾礦庫(kù)動(dòng)力穩(wěn)定性相關(guān)的研究對(duì)于礦山安全生產(chǎn)、保護(hù)下游生命財(cái)產(chǎn)安全和周邊環(huán)境具有重要的意義［1-10］。

本文以云南某尾礦庫(kù)為研究背景，運(yùn)用GEOStudio 的QUAKE 分析模塊進(jìn)行尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定性分析，研究了該尾礦壩在地震波作用下的液化情況、加速度響應(yīng)、位移變化、安全系數(shù)的規(guī)律，為同等類型尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)研究提供借鑒。

1 尾礦庫(kù)工程概況

云南某尾礦庫(kù)壩頂標(biāo)高為2 035 m，壩軸線處原始地形最低標(biāo)高為1 975 m，壩高60 m，壩頂寬20 m，全庫(kù)容756.19 萬(wàn)m3，有效庫(kù)容642.78 萬(wàn)m3；最終壩頂標(biāo)高為2 055 m，總壩高80 m，壩頂寬度6 m，總庫(kù)容1 716.49 萬(wàn)m3，有效庫(kù)容1 459.02 萬(wàn)m3，為三等庫(kù)。一期尾礦壩為透水碾壓土石壩（透水堆石斜墻黏土壩），壩體外坡2 000 m 標(biāo)高以上臺(tái)階坡比1∶3.0，2 000 m 標(biāo)高以下臺(tái)階坡比1∶2.0，外坡共設(shè)置5 條馬道，馬道寬2.0 m，分別位于1 985，2 000，2 010，2 025，2 040 m 標(biāo)高。壩體內(nèi)坡臺(tái)階坡比為1∶2.25，每隔15 m 設(shè)置1 條馬道，馬道寬3 m，共設(shè)置4 條，分別位于1 995，2 010，2 025，2 040 m 標(biāo)高。二期采用上游法模袋堆筑子壩，即自2 035 m 標(biāo)高以上采用黏土加一期高2 m 壩體至2 037 m 高程，內(nèi)坡比1∶2.25，外坡比1∶3。2 037～2 055 m 高程采用上游法模袋子壩，尾礦庫(kù)采用模袋法筑壩后，每級(jí)模袋子壩外坡比為1∶4.0，內(nèi)坡比為1∶2.0，壩頂寬18.0 m，底寬36 m，每級(jí)模袋子壩高3.0 m，外坡平臺(tái)寬5.0 m，共6 級(jí)子壩，模袋子壩總高18 m，外坡比約為1∶5.61。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

針對(duì)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀（2 035 m 標(biāo)高）和最終（2 055 m標(biāo)高）典型剖面，依據(jù)該尾礦庫(kù)現(xiàn)狀工程勘察剖面和概化分區(qū)情況，建立數(shù)值計(jì)算模型（圖1）。在建立體模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行GEO-Studio 默認(rèn)網(wǎng)格劃分，現(xiàn)狀壩模型共有3 090 個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 010 個(gè)單元，最終壩模型共有3 441個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 400個(gè)單元。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)基本物理力學(xué)試驗(yàn)及動(dòng)力試驗(yàn)成果進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，材料基本物理參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 地震波

該尾礦庫(kù)所處區(qū)域根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001）確定，抗震設(shè)防烈度為8 度，其峰值加速度和地震持續(xù)時(shí)間為0.20g和20 s，在本次動(dòng)力穩(wěn)定性分析過(guò)程中，選用典型地震波對(duì)其開(kāi)展洪水工況下的尾礦壩穩(wěn)定性分析。理論分析及試驗(yàn)結(jié)果均表明，動(dòng)應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度主要取決于地震水平運(yùn)動(dòng)，故此處動(dòng)力分析僅考慮地震水平運(yùn)動(dòng)的影響。

2.4 邊界條件

?

?

該尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算有限元模型的邊界條件：①初始應(yīng)力狀態(tài)，模型底部邊界水平和豎直方向位移為固定約束，左右兩側(cè)邊界的水平向位移為固定約束，豎直向自由；②動(dòng)力計(jì)算，模型左右兩側(cè)邊界的水平向位移約束改為豎直向約束，水平向自由，地震波由模型底部輸入；③永久變形計(jì)算，模型底部邊界和左右兩側(cè)邊界位移均為固定約束。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 加速度響應(yīng)分析

現(xiàn)狀及最終尾礦壩在地震波作用下最大水平加速度反應(yīng)值如圖2 所示?？梢?jiàn)，在地震波作用下，壩體內(nèi)水平加速度反應(yīng)沿壩高分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，隨著高程增加，水平向最大加速度先減小后變大，在壩頂達(dá)到最大?，F(xiàn)狀壩加速度反應(yīng)值最大值0.29g，放大系數(shù)為1.45，最終壩加速度反應(yīng)值最大值0.32g，放大系數(shù)為1.6，加速度放大系數(shù)在2 倍以下，加速度反應(yīng)較小，對(duì)壩體整體穩(wěn)定影響較小。

3.2 動(dòng)剪應(yīng)力分析

現(xiàn)狀及最終尾礦壩在地震波作用下動(dòng)剪應(yīng)力值如圖3所示。可以看出，地震波作用下動(dòng)剪應(yīng)力隨著高程的增大而增大，隨著峰值加速度的增大而增大；等值線與壩坡面近似平行，最大值位于壩基底部（約200 kPa），在尾粉土及其他土層中，動(dòng)剪應(yīng)力較小（小于200 kPa），也不會(huì)發(fā)生剪切破壞，因此壩體整體是穩(wěn)定的。

3.3 液化區(qū)域分析

現(xiàn)狀及最終尾礦壩在地震波作用下液化區(qū)域如圖4所示?？梢钥闯?，地震波作用下壩體存在不同程度的液化，主要在現(xiàn)狀壩頂區(qū)域和最終壩二期子壩坡腳附近存在一定范圍的液化區(qū)域，在尾礦壩內(nèi)所蓄尾礦土存在較大的液化區(qū)域，尤其在壩頂附近，但尾礦土的液化不影響壩體的整體穩(wěn)定，可以不作處理。最終壩子壩坡腳附近存在部分液化單元，對(duì)壩坡的穩(wěn)定有一定影響，因此，建議對(duì)二期子壩坡腳壩基如30 m 范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)處理?？傮w來(lái)說(shuō)，液化范圍較小，對(duì)壩體穩(wěn)定影響較小。

3.4 地震壩坡穩(wěn)定性分析

現(xiàn)狀及最終尾礦壩在地震波作用下的安全系數(shù)實(shí)時(shí)曲線圖及壩坡動(dòng)力穩(wěn)定最危險(xiǎn)滑弧如圖5、圖6所示?？梢钥闯觯F(xiàn)狀壩最危險(xiǎn)滑弧的安全系數(shù)在5 s 時(shí)刻達(dá)到最小，為1.032；最終壩最危險(xiǎn)滑弧的安全系數(shù)在7.3 s 時(shí)刻達(dá)到最小，為1.017。在動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程中，安全系數(shù)實(shí)時(shí)變化，但安全系數(shù)始終大于1，壩體處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.5 地震永久變形分析

現(xiàn)狀及最終尾礦壩在地震波作用下的永久變形如圖7所示?？梢钥闯觯驳V庫(kù)的永久變形隨著高程的增大而增大，最大值位于壩頂附近，現(xiàn)狀壩體最大永久變形0.39 m，最終壩體最大永久變形0.46 m，最大變形均小于壩高的1%（規(guī)范規(guī)定一般不超過(guò)壩高的1%），壩體變形符合規(guī)范要求。從變形趨勢(shì)可以看出，地震工況下壩體整體呈現(xiàn)向內(nèi)部收縮的趨勢(shì)，最大沉降變形主要發(fā)生在壩頂部位的壩肩位置附近?？傮w而言，地震作用下壩體永久變形較小。

4 結(jié) 論

（1）基于GEO-Studio 有限元軟件進(jìn)行尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果較真實(shí)情況接近，可以為后期尾礦庫(kù)的安全運(yùn)維提供指導(dǎo)，也為其他尾礦壩安全設(shè)計(jì)方案提供參考。

（2）地震波作用下最大水平加速度分別出現(xiàn)在壩頂或其附近，沿高程呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，加速度放大系數(shù)在2 倍以下，加速度反應(yīng)較小，對(duì)壩體整體穩(wěn)定影響較小。

（3）地震波作用下動(dòng)剪應(yīng)力隨著高程的增大而增大，隨著峰值加速度的增大而增大，等值線與壩坡面近似平行，最大值位于壩基底部。

（4）地震波作用下現(xiàn)狀及最終壩體存在局部液化，液化區(qū)主要集中于靠近浸潤(rùn)線的部位，但未形成液化貫通區(qū)域，液化不影響壩體的整體穩(wěn)定。可針對(duì)液化區(qū)域做適當(dāng)處理，提高該處抗液化能力，進(jìn)而增強(qiáng)壩體的動(dòng)力穩(wěn)定性。

（5）地震波作用下現(xiàn)狀及最終壩體穩(wěn)定實(shí)時(shí)安全系數(shù)始終大于1，尾礦庫(kù)壩體整體安全可靠。