尾礦壩穩定性的研究現狀與發展

[摘要]尾礦壩作為工業安全和環境保護重點監測對象，其穩定性至關重要。本文從介紹尾礦壩穩定性的研究現狀入手，分析了滲流穩定、壩體靜力穩定和壩體動力穩定三個因素的研究重點和工程應用性，并為尾礦壩穩定性分析研究和工程設計工作今后發展的方向提出建議。

[關鍵詞]尾礦壩 滲流穩定 壩體靜力穩定 壩體動力穩定

1前言

尾礦庫作為我國安全生產重點監控的對象之一，其壩體的穩定性是影響整個尾礦庫區安全穩定的至關重要的因素。盡管尾礦工程和邊坡同屬于土力學的研究范疇，但相對于邊坡穩定性研究，尾礦壩穩定性研究卻相對較少，對于尾礦壩穩定性的研究主要內容仍然是變形和穩定的問題。就尾礦壩而言，變形與穩定問題所考慮的因素較為復雜，其中主要包括靜力荷載和動力荷載，隨著壩體加高的逐級加載形式，復雜的土體類型與結構，隨時變化的飽和度，滲流和孔隙壓力的存在等。隨著近年來尾礦庫安全事故的發生，許多專家和學者對尾礦壩體穩定性進行了深入的研究和探討，其研究重點主要集中在滲流穩定性、壩體靜力穩定和壩體動力穩定三大方面。

2滲流穩定性

從1856年建立滲流基礎理論(達西定律)以后，滲流理論經過了非飽和滲流的Richards方程、有限差分法數值模擬、引入有限元分析法與非穩定滲流有限元計算法的發展，逐漸形成了適用于尾礦壩滲流穩定分析的理論基礎。

在進行滲流穩定性分析時，浸潤線的位置是影響滲流穩定最為主要的因素，如果浸潤線溢出尾礦壩面或者浸潤線處于臨界狀態，則確定該尾礦庫處于不穩定狀態；一般浸潤線的安全位置主要依據尾礦庫設計文件確定，如果浸潤線位置低于設計高度，則認為該庫滲流穩定。目前對于尾礦壩滲流穩定性研究的手段，除了工程實際勘測外，滲流分析手段主要有理論求解、半工業試驗和數值分析三種方法。

運用理論進行浸潤線計算時，首先要對工程做一個適當的概化，然后運用近似公式進行求解。但其只能適用于簡單均質的工程，面對有土工布、排水褥墊、排水設施和堆積子壩等復雜邊界條件的尾礦庫，在計算理論方面一直未取得實質性的突破，因此該方法局限性較大。

半工業試驗，即根據工程實際按相應比例，人工構筑一個各方面條件均類似于工程的試驗模型，一般用于大型工程科學研究。理論上，半工業試驗是最接近和最真實模擬工程實際的，且數據的測量和收集也是最為直觀和真實的。但是由于其試驗成本過高，一般中小型的尾礦庫滲流穩定分析難以支付如此高額的研究成本，因此未能得到廣泛的運用。

相比較前兩者分析方法，數值分析方法以其數值分析理論基礎較為完備、計算精度較高和研究成本低等特點自20世紀六七十年代在國內就得到較為廣泛的應用。常用的數值分析方法有：差分法、有限元法和邊界元法等。差分法是用一系列差分公式求解微分方程的一種計算方法，最具表達性的為有限差分法。有限元法，是以物質能量作為基礎，把滲流問題轉化為變分問題，再經過離散化從而得到計算解。由于有限元法使用簡單、靈活，尤其在邊界條件上可以不做專門處理，單元的形狀可以隨意變更等優點，如今得到廣泛的應用。伴隨著滲流數值分析方法的成熟，滲流分析軟件也得到逐步發展，現較為成熟的滲流數值計算軟件主要有FLOW-2D、Geo-Studio、ANSYS-APDL等。

3壩體靜力穩定分析

當尾礦壩周邊無強烈震動或者處于非地震時段，則一般認為尾礦壩處于靜力狀態，在進行尾礦壩體靜力穩定分析時類似于含水土體的邊坡穩定性分析，因此尾礦壩靜力穩定分析理論的基礎也是極限平衡理論。

工程設計與評價中常運用極限平衡法(條分法)分析黏性土坡的穩定性。條分法基本原理：將滑動土體豎直分成若干土條，把土條當成剛體，分別求作用于各土條上的圓心的滑動力矩和抗滑力矩，然后求土坡的穩定安全系數Fs。

運用條分法對土條進行方程求解時，該方程為未知數多于方程組的超靜定方程，因此需要對超靜定方程進行假設已知條件。根據假設已知條件的不同，極限平衡法可以分為瑞典條分法、簡化畢肖普法、簡布法和不平衡推力法等多種方法，在我國土坡設計和穩定性評價中多以瑞典條分法作為參照標準。

在進行壩體靜力穩定分析時，除了上述理論計算方法外，主要還有半工業試驗和數值分析方法。進行壩體靜力穩定性分析半工業試驗與滲流穩定分析類似，由于成本過高在設計和工程評價中難以得到廣泛的推廣。數值分析方法則得到許多設計和科研工作者的青睞。多數進行尾礦壩靜力穩定分析的數值分析原理基本類似，主要是先選取初始折減系數F，對巖體強度參數C和①值進行折減，將折減后的強度參數(C’和φ’值)作為新材料參數輸入，進行計算。若收斂，則表示巖土體仍處于穩定狀態，然后再進一步折減，直到系統計算不收斂，意味著土體破壞，此時對應的折減系數稱為穩定安全系數。

目前，被運用到尾礦壩靜力穩定分析的數值分析方法有許多，不僅包括常見的有限單元法(FEM)、離散單元法(DEM)和顆粒流分析法(PFC)，還包括不連續變形分析法(DDA)、邊界元法(BEM)、無界元(IDEM)、遺傳進化算法和人工神經網絡評價法等，其代表性應用程序主要有北京理正、ANSYS、PFC和FLAC(FLAC-2D、FLAC-3D)等。

4壩體動力穩定分析

尾礦壩體動力穩定分析不同于靜力穩定分析，主要考慮的是尾礦壩在震動條件下產生的飽和砂土液化、孔隙水壓變化、不規則波作用及巖土體動力學參數對壩體的動力穩定性影響。一直以來，成功地運用天然沉積砂土的動力學特性替代尾礦砂，提出了能夠有效適用于尾礦砂的非線性動力模型和彈塑性模型。在不斷地研究與探索動荷載作用下孔隙水壓的發展和飽和砂土液化對尾礦壩抗震影響機理中，逐漸積累了尾礦壩體動力穩定分析的巖土體研究基礎。

擬靜力法分析尾礦壩體動力穩定性在前期研究和工程設計工作中較為常見，然而隨著尾礦壩動力穩定研究工作的不斷深入，傳統的擬靜力法已不能較好地滿足壩坡震動計算，產生了結合地震工程學、巖土動力學、工程地質學和流體力學等多學科的理論分析方法。由于尾礦壩動力穩定研究涉及的理論學科多、內容范圍廣，目前主要采用理論研究、試驗研究和數值分析相結合的方法。

在理論研究方面，動力反應分析法一直是研究尾礦壩體動力穩定的主要手段，從擬靜力法、剪切片法、有限元法到有效應力法均有針對震動作用下尾礦壩可能發生的變形、裂縫、滑動和液化的研究，積累了大量的研究經驗。針對尾礦壩動力穩定的試驗研究有許多，包括尾砂巖體動力本構模型試驗、尾砂震動沖擊試驗和半工業試驗等，但由于大型試驗的耗資過大，往往在研究過程中采用試驗與數值分析相結合的方法。

數值分析方法隨著理論研究的發展而更新。數值分析方法的研究從未間斷過，從擬靜力法到有效應力法都顯示了其局部的適用性，往往我們在進行尾礦壩動力穩定分析時仍要使用兩種或兩種以上的分析方法來充分論證。隨著近年來顆粒流數值分析方法的發展和推廣，也有學者運用該方法進行尾礦壩動力穩定分析，取得了不錯的試驗效果。就目前而言，較為常用的數值分析軟件主要有ANSYS—LSDYNA、ANSYS-APDL和Geo—Studfo等。

5展望

縱觀國內外尾礦壩體穩定性研究的現狀，考慮到尾礦壩安全事故頻發，尾礦壩作為影響工業安全和環境保護的重要因子，其研究深度仍然有待改進，本文認為可以在以下幾個方面進行重點突破：(1)隨著尾礦砂越來越細和尾礦砂靜一動力學參數的改變，在今后研究工作中應首先加強尾礦砂靜一動力學本構模型試驗，完菩尾礦砂靜一動力學參數研究。(2)在進行相應研究時，應著重結合物理試驗和數值分析試驗結果，相互參照和補充，以此來增強研究結果的精確性。(3)工業的發展伴隨著尾礦壩筑高的增加，以往集中在中低筑壩動力穩定分析的研究已不能滿足工程需要，亟需在該領域深入研究。

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