某尾礦壩壩體穩定性分析

文 興 ,陳 星

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

某尾礦壩壩體穩定性分析

文 興 ,陳 星

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

采用摩擦公式和抗傾覆公式等原理,建立了壩體計算模型,對某尾礦庫漿砌石壩主壩體進行了穩定性計算分析,得出壩體抗滑穩定性系數和壩體抗傾覆穩定性系數,提出了增強該尾礦壩安全性的建議,對類似漿砌石壩的壩體穩定性計算和分析有較好的參考價值。

尾礦壩;漿砌石壩;穩定性分析

某尾礦壩主壩位于下水灣下游溝口,初期壩為漿砌石壩,壩頂標高為 +367.5 m,壩高 34 m,壩頂寬 10.3 m,壩頂軸線長 133.5 m,壩外坡比為1∶0.37,內坡比為 1∶0.1。建壩時,上游緊貼壩面設有底寬 15.0 m,頂寬 5.0 m,高 20.0 m的堆石體,壩底埋置 1根直徑 500 mm排水管。壩基為灰巖,壩體兩側嵌入灰巖層中。壩面基本平整,壩體構筑情況良好,壩體外坡尚無坍塌跡象。

1 壩體穩定性計算原理及依據

根據《砌體結構設計規范》(GB5003-2001)、土力學和水工建筑物等相關要求,采用摩擦公式及抗傾覆公式對壩體進行穩定分析。其壩體抗滑穩定系數 K的規定見表1。

表1 壩體抗滑穩定系數

壩體抗滑穩定性計算公式為:

式中:K——按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數;

f——滑裂面上的摩擦系數;

ΣW——作用于滑動面以上的力在鉛直方向投影的代數和;

ΣP——作用于滑動面以上的力在水平方向投影的代數和。

根據《砌石壩設計規范》(SL25-2006),漿砌石壩級別為 2級,抗滑穩定性系數 K最小取 1.05。

2 壩體穩定性分析

2.1 計算模型的建立

根據該尾礦庫工程地質勘察報告等資料,主壩采用不透水漿砌石壩,壩體頂寬 10.3 m,外坡坡比1∶0.37,內坡坡比 1∶0.1,壩體總高度為 34 m,壩基嵌入基巖下 2 m。壩體計算模型見圖1。

圖1 漿砌石壩體計算模型

2.2 計算參數的選取

計算參數選取見表2。

表2 尾礦及其它筑壩材料物理力學性能

2.3 墻后總壓力計算

由于漿砌石壩壩后尾砂含水,故壩體內側總壓力為總土壓力 Ea和水壓力 Ew之和,受力強度分布見圖2。

圖2 壩體內側受力強度分布

(1)尾砂主動土壓力。采用庫倫土壓力理論計算壩體內側尾砂主動土壓力。由于壩后尾砂分層分布,需進行分層計算。在計算下分層尾砂壓力時需將上部尾砂厚度換算為與計算層重度相同的當量厚度 h′,然后再按一層尾砂分別計算深度為 h′(計算層頂面)和 h′+h(計算層底面)的土壓力。

根據庫侖理論[1],計算得各分層的主動土壓力系數分別為:

尾粘土:Ka1=0.893;

尾粉砂:Ka2=0.489;

尾粉土:Ka3=0.803;

圖2中 A、B、C、D、E 4點處壓力強度分別為:

A點:PaA=0

B點,分界面以上:

分界面以下:

C點,分界面以上:

尾砂的主動土壓力合力 Ea=3252.66 kN/m。

(2)靜水壓力。計算公式為:

式中:rw——水的容重,9.8 kN/m3;

H——水位以下的墻高,28 m。則:Ew=3841.6 kN/m。

(3)尾砂主動土壓力作用點位置。設 Ea作用點距墻底高度為 Hc,則:

(4)壩體內側總壓力在 X、Y方向的分力:

2.4 漿砌石壩自重及重心計算

(1)漿砌毛石壩自重。將壩體按圖2劃分為 2部分,漿砌毛石容重按 22 kN/m3計算,則漿砌毛石壩體自重 G=12749.4 kN。

(2)壩體重心 X0坐標。將壩體劃分為 2部分,以 O點為原點,各分塊 X坐標為:

則壩體重心 X0=GiXi/G=14.7 m。

2.5 揚壓力計算

式中:l——壩底寬度 25.67 m;

α——揚壓力折減系數,取 0.4。

則:U=1408.77 kN。

3 計算結果及結論

3.1 抗滑穩定性計算

壩后水平分力使墻沿底部接觸面滑移,壩后垂直分力及壩體自重產生摩擦力抵抗滑移。抗滑穩定系數為[2]:

式中:μ——土對壩體基底的摩擦系數,根據水工擋土墻設計規范,當基巖為硬質巖石時,可取μ=0.6;

δ——墻背與填土之間的摩擦角,其值可由試驗確定 ,取δ=2°。

計算得:Kc=1.01＜1.05,故壩體的抗滑穩定性不滿足規程要求,處于極限平衡狀態。

3.2 抗傾覆穩定性計算

如圖2,在土壓力及靜水壓力作用下,壩體有可能產生沿壩趾 O點向外轉動的失穩,因此需進行抗傾覆計算。抗傾覆穩定系數為[3]:

式中:Xf——以圖2中 O點為原點,作用在壩體上總壓力的 X坐標,Xf=24.19 m;

Yf——以圖2中 O點為原點,作用在壩體上總壓力的 Y坐標,Yf=11.28 m;

XU——以圖2中 O點為原點,作用在壩基揚

壓力的 X坐標,XU=17.1 m;

計算得:Ko=1.86＞1.5,故壩體的抗傾覆穩定性滿足要求。

通過對該尾礦壩砌石壩壩體的穩定性計算分析,得出壩體抗滑穩定性系數為 1.01,小于規程要求的 1.05,處于極限平衡狀態;壩體抗傾覆穩定性系數為 1.86,滿足規程要求。建議對壩體進行加固處理[4],并堅持監測監控[5],以防止安全事故發生。

[1]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計算 (第二版)[M].北京:水利電力出版社,1994.

[2]楊航宇,等.公路邊坡防護與治理 [M].北京:人民交通出版社.2003.

[3]舒安平.邊坡穩定性分析方法評述[J].巖土工程界,2000,5(5).

[4]陳其付.瑯琊山銅礦尾礦壩穩定性分析[J].采礦技術,2010,10(2):43-44.

[5]胡 軍,胡 珊.尾礦壩自動化安全監測系統設計與實現[J].礦業研究與開發,2010,30(2):90-93.

2010-09-14)

文 興 (1981-),男,甘肅慶陽人,工程碩士,工程師,主要從事礦山安全、巖土工程監測等方面研究工作,Email:wenxing0618@163.com。