庫水位對尾礦壩抗震液化穩(wěn)定性的影響分析

周漢民

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

1 引言

近年來，隨著礦山選廠生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及新建尾礦庫征地困難等原因，各地相繼出現(xiàn)了一些高壩大庫，高地震烈度區(qū)的高壩穩(wěn)定性是尾礦壩工程中的關(guān)鍵問題，對此廣大科技工作者、工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究[1-4]。我國90%以上的尾礦壩采用上游法筑壩[5]，這種筑壩方法簡單易行，但壩體沉積密度一般偏低，浸潤線偏高，滲流難以控制，大部分壩體處于飽和狀態(tài)。試驗(yàn)證明飽和尾砂具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對振動荷載非常敏感[6—7]，在地震作用下易發(fā)生液化破壞。位于云南省內(nèi)的某尾礦庫，由于先天選址不合理及入庫尾砂較細(xì)等原因，尾礦庫長期處于高水位運(yùn)行狀態(tài)，壩體內(nèi)浸潤線較高。地震作用下的壩體穩(wěn)定性及液化區(qū)范圍成為了影響該尾礦庫穩(wěn)定的關(guān)鍵問題。本文通過動力時程有限元計算，分析比較了壩體在不同庫水位運(yùn)行工況下靜力滲流場、動力響應(yīng)及液化區(qū)范圍。

2 工程概況

云南某初期壩高30m ,最終設(shè)計壩高115 m。壩體平均坡度1∶5。尾礦堆積壩體由4種材料組成，從上至下依次為尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土和尾黏土。壩基為較薄的粉質(zhì)黏土和泥巖層。由于受庫區(qū)地形條件的限制及公司生產(chǎn)規(guī)模的提高，尾礦堆存上升速度過快，且尾礦平均粒度偏細(xì)，壩體固結(jié)時間短，力學(xué)強(qiáng)度低，造成壩體浸潤線偏高，干灘長度不夠等情況，且該庫庫址位于高地震烈度區(qū)——8度地震設(shè)防，地震液化問題成為了壩體穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題，為此必須進(jìn)行動力有限元分析以確定可能液化區(qū)。

在動力分析中須確定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計地震時程曲線，但往往這是比較困難的。為解決這個問題,本次分析中采用當(dāng)前較常用的人工地震波合成方法——三角級數(shù)法[8]來合成所需的地震時程曲線。依據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》及工程勘察報告取峰值加速度為0.2g，特征周期Tg=0.3s，反應(yīng)譜最大代表值βmax=2.0。按此峰值加速度和現(xiàn)行水工抗震規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜，生成了如圖1所示水平向地震動時程。該地震動時程長度為20 s。

圖1 設(shè)計地震時程曲線

3 理論計算分析

3.1 動力反應(yīng)計算

尾礦壩的地震動力反應(yīng)分析采用基于等價粘彈性模型的等價線性分析方法，該方法采用迭代的方法使計算最終采用的尾砂剪切模量和阻尼比值適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室給出的模量和阻尼比隨應(yīng)變幅變化的非線性曲線。盡管存在一些缺點(diǎn)，但概念明確，應(yīng)用方便，而且在參數(shù)的確定和應(yīng)用方面積累了較豐富的試驗(yàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)用性強(qiáng)，能為工程界所接受。

運(yùn)用有限元方法進(jìn)行動力計算，其控制方程如式(1)所示。

={F(t)}

(1)

3.2 液化分析

本次計算中的地震液化分析可分為兩部分：振動孔隙水壓力計算和地震液化判別。

3.2.1 振動孔隙水壓力

振動孔隙水壓力計算模型采用Seed等人提出的應(yīng)力模型。其孔隙水壓力的表達(dá)式為：

(2)

3.2.2 地震液化判別

目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛評定尾礦壩地震液化可能性的方法為抗液化剪應(yīng)力法，這個方法是由美國Seed等人首先提出的，將不規(guī)則變化的地震剪應(yīng)力隨時間變化概化為一種等效的一定循環(huán)次數(shù)的均勻剪應(yīng)力τav，則可以用同樣的應(yīng)力循環(huán)數(shù)對尾砂樣k進(jìn)行振動三軸試驗(yàn)，測定出引起液化所需的動剪應(yīng)力，或稱抗液化剪應(yīng)力τL。如果某單元τav>τL，則該單元液化；反之，τav<τL，則該單元不液化。分析時用式(3)表示每一單元的抗液化安全系數(shù)(Fs)L：

(Fs)L=

(3)

式中：N為等效周數(shù)。

Seed根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為取不規(guī)則地震動剪應(yīng)力中最大振幅的65%作為規(guī)則波的振幅，即取τav=0.65τmax是合適的，此時地震的等效循環(huán)次數(shù)按其震級可取表1所列數(shù)值。

表1 等效循環(huán)次數(shù)

4 計算模型及參數(shù)

4.1 計算剖面

本文選取尾礦壩最危險斷面作為計算模型，圖2為有限元網(wǎng)格圖。尾礦堆積壩高為最終堆積標(biāo)高115m，材料至上而下依次為尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土、尾黏土和泥巖。計算范圍為：左右寬共687m，底部取至泥巖層30m。采用4節(jié)點(diǎn)等參單元，斷面共5661個單元，5669個節(jié)點(diǎn)。在壩頂及壩坡處設(shè)置1#、2#兩個歷時點(diǎn)，用于記錄動力分析中的動力響應(yīng)。邊界的約束情況是：底面固定，上表面為自由面，不施加任何約束，垂直面上靜力計算中施加垂直于各個面的鏈桿，動力計算中施加平行于各個面的鏈桿。

圖2 有限元計算模型

4.2 材料及模型參數(shù)

動力計算中采用不排水有效應(yīng)力法，即認(rèn)為在短暫的地震作用下，孔隙水來不及排出，從而不發(fā)生孔壓的擴(kuò)散和消散。

(3)

式中，Pa為大氣壓力，σ3c為固結(jié)壓力。

表2 尾礦壩動力學(xué)計算參數(shù)表

液化區(qū)判別采用剪應(yīng)力對比法，分析中考慮尾砂顆粒組成以及孔隙比等情況，在參數(shù)選取上參考文獻(xiàn)[9]中極細(xì)砂的試驗(yàn)結(jié)果，等效循環(huán)系數(shù)下的液化應(yīng)力如圖3所示。

圖3 大平掌尾砂動強(qiáng)度參數(shù)

5 有限元計算結(jié)果及分析

5.1 靜力計算結(jié)果

靜力條件下壩體滲流場為正常水位及洪水位運(yùn)行工況下考慮各種排滲措施起作用時的穩(wěn)定滲流，如圖4和圖5所示。

圖4 正常運(yùn)行工況下滲流場

圖5 洪水位運(yùn)行工況下滲流場

5.2 動力計算結(jié)果

根據(jù)以上動力參數(shù)對尾礦壩進(jìn)行了動力有限元分析，得到了尾礦壩在8度地震作用下的地震響應(yīng)及液化區(qū)。

5.2.1 動力響應(yīng)

圖6為壩頂及壩坡處1#、2#歷時點(diǎn)的水平向加速度反應(yīng)時程曲線。

從圖中看出，2#歷時點(diǎn)地震反應(yīng)加速度分布大于壩頂1#歷時點(diǎn)的反應(yīng)，這與土壩的地震反應(yīng)加速度分布上大下小是不相同的。從尾礦壩和土壩的幾何形狀不同、尾礦壩夾有起減震作用的“軟弱”夾層等特點(diǎn)來分析也可得出這樣的結(jié)論[10]。

根據(jù)計算結(jié)果，該尾礦壩地震加速度放大系數(shù)較小，正常工況下與洪水位運(yùn)行工況下壩頂加速度峰值相對于輸入加速度峰值放大1.3倍，而兩種工況下的地震加速度曲線分布基本一致。

5.2.2 液化分析

該尾礦壩在正常運(yùn)行+8度地震和洪水運(yùn)行+8度地震兩種工況下的液化區(qū)如圖7、圖8所示。從圖中可看出液化區(qū)主要分布于兩處：庫內(nèi)水面線以下和下游壩坡坡腳處。對比兩種工況，洪水位運(yùn)行工況下液化區(qū)要比正常水位運(yùn)行時大的多。正常水位運(yùn)行工況下液化區(qū)主要位于下游壩坡處，深度約為5m，而洪水運(yùn)行工況下除庫內(nèi)水面線以下出現(xiàn)大部分液化區(qū)外，下游壩坡處也有較大的液化區(qū)，平均深度約為10m。

從兩種工況下庫內(nèi)水面線以下液化區(qū)來看，由于庫內(nèi)干灘長度的減少使得在洪水運(yùn)行條件下庫內(nèi)水面線以下尾砂液化區(qū)較正常運(yùn)行條件下要大的多。圖中液化區(qū)位于洪水位以下對于壩體的穩(wěn)定性暫不產(chǎn)生影響，但如果地震工況發(fā)生在超洪水位運(yùn)行情況下，液化區(qū)將進(jìn)一步向壩坡靠近，嚴(yán)重威脅壩體穩(wěn)定性。

從兩種工況下下游壩坡坡腳處液化區(qū)來看，由于洪水運(yùn)行條件下浸潤線較高，使得下游坡腳處的尾砂更容易發(fā)生液化，范圍也更大，目前壩體內(nèi)部滲流場是按照各種排滲措施均能產(chǎn)生較好排滲效果情況下模擬的，但隨著使用年限的增長，可能使排滲設(shè)施發(fā)生堵塞，浸潤線抬高，液化區(qū)有進(jìn)一步向上游發(fā)展的趨勢。

洪水運(yùn)行+8度地震工況條件下下游壩坡可能發(fā)生較大規(guī)模的淺層滑動，影響壩體的整體穩(wěn)定性。為了安全，必須降低水位，嚴(yán)格控制壩體內(nèi)浸潤線。

圖6 不同庫水位工況下的壩頂動力響應(yīng)

圖7 正常運(yùn)行+地震工況下液化區(qū)圖(等值線為剪應(yīng)力比)

圖8 洪水運(yùn)行+地震工況下液化區(qū)圖(等值線為剪應(yīng)力比)

6 結(jié)論

通過上述計算及分析，形成幾點(diǎn)認(rèn)識：

1)在8度地震條件下,尾礦壩的地震反應(yīng)加速度分布總的來說是壩下部的反應(yīng)大于壩頂?shù)姆磻?yīng)，且加速度放大系數(shù)最大值較小。

2)從壩體正常水位及洪水位運(yùn)行兩種工況下的動力反應(yīng)及液化區(qū)判斷來看，8度地震條件下，壩體可能發(fā)生較大規(guī)模的淺層滑動。因此，嚴(yán)格控制庫內(nèi)干灘長度及運(yùn)行水位、及時排出壩體內(nèi)滲水，降低浸潤線，對于高地震烈度區(qū)尾礦庫的安全顯得尤為重要，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范中關(guān)于干灘長度控制和庫內(nèi)運(yùn)行水位的要求。

3)在高地震烈度區(qū)，若采用上游法堆積尾礦壩，需要進(jìn)行充分論證并采取可靠的技術(shù)措施，特別是有效的壩內(nèi)排滲設(shè)施及嚴(yán)格的庫內(nèi)運(yùn)行水位控制等要素。

[1] 徐斌.飽和砂礫料液化及液化后變形與強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[2] 潘建平. 尾礦壩地震反應(yīng)分析及抗震措施研究[J].礦冶工程,2009,29(5):5-8.

[3] 徐志英,沈珠江. 高尾礦壩的靜、動應(yīng)力非線性分析和地震液化穩(wěn)定性[J]. 華東水利學(xué)院學(xué)報,1980(4):59-75.

[4] 徐志英,沈珠江. 地震液化的有效應(yīng)力二維動力分析方法, 華東水利學(xué)院學(xué)報, 1983(3)：1-14.

[5] 徐宏達(dá).我國尾礦庫病害事故統(tǒng)計分析[J].工業(yè)建筑，2001,31(1)：69-71.

[6] 阮元成，郭新.飽和尾礦料靜、動強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報，2004，35(1)：67-73.

[7] 陳敬松.張家生，孫希望.飽和尾礦砂動強(qiáng)度特性試驗(yàn)結(jié)果與分析[J].水利學(xué)報.2006，37(5)：603-607.

[8] 牛志國, 李同春, 王亞莉. 基于水工設(shè)計反應(yīng)譜的人工地震波合成[J]. 河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007，35(3)：262-266.

[9] Kramer. Geotechnical earthquake engineering[M].1996.

[10] 王漢強(qiáng)，沈樓燕，吳國高.固體廢物處置堆存場環(huán)境巖土技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.