壩坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析與研究

孫健美，趙懷軒

(1. 駐馬店市水利工程局，河南 駐馬店463000; 2. 河南省育興建設(shè)工程管理有限公司，鄭州450000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程建設(shè)與地質(zhì)工作的關(guān)系越來(lái)越密切，如各種大型水庫(kù)的興建，越來(lái)越陡立的邊坡工程，尤其是隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們?cè)讷@得有價(jià)值的礦產(chǎn)品的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的廢渣，因而出現(xiàn)越來(lái)越多的礦壩。這些壩體運(yùn)營(yíng)的好壞，不僅影響到一個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且嚴(yán)重威脅企業(yè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)周?chē)h(huán)境等造成嚴(yán)重污染，后果往往觸目驚心。壩坡防護(hù)工程是集巖土工程、環(huán)境工程、地質(zhì)工程和結(jié)構(gòu)工程于一體的綜合性難題，它既涉及典型的強(qiáng)度與穩(wěn)定問(wèn)題，又包含變形和地下水滲流問(wèn)題，同時(shí)還涉及到抗震、固結(jié)、爆破、環(huán)保等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)越來(lái)越成熟，在壩坡信息分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬研究分析，加以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，從而對(duì)壩坡防護(hù)工程進(jìn)行整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況

某尾礦壩設(shè)計(jì)總壩高90 m，總庫(kù)容3 600 萬(wàn)m3，屬中型庫(kù)。根據(jù)壩高及庫(kù)容綜合判定為三級(jí)水工建筑物。主要由初期壩、尾礦堆積壩及排水系統(tǒng)組成。初期壩為濾水堆石壩( 透水壩) ，高度29 m，堆積壩高度66 m，壩長(zhǎng)980 m，最終堆積標(biāo)高352 m，正在考慮堆積到標(biāo)高370 m 的可能性。尾礦庫(kù)匯水面積2．01 km2，壩內(nèi)設(shè)7個(gè)周邊多孔溢水塔，滿(mǎn)足堆筑標(biāo)高352 m 以下的排水、排洪要求。當(dāng)前總壩高為78 m，為分析和研究繼續(xù)加高至標(biāo)高345 m 及370 m 的可能性，先后有多家公司對(duì)壩體進(jìn)行了3 次勘察，并針對(duì)壩體的穩(wěn)定性開(kāi)展了科技攻關(guān)和技術(shù)研究。

2 巖土工程條件

本尾礦壩采用上游法筑壩，母壩為透水壩，主要由碎石、塊石組成，母巖成分為閃長(zhǎng)巖、蝕變閃長(zhǎng)巖、蝕變閃長(zhǎng)玢巖、矽卡巖及少量紅板巖。紅板巖風(fēng)化程度較強(qiáng)烈，多已風(fēng)化崩解，手捏即碎，其風(fēng)化物充填于碎石之間，閃長(zhǎng)巖多為中風(fēng)化，少量強(qiáng)風(fēng)化，＞2 cm 的顆粒含量約50% ～70%，顆粒直徑一般3 ～30 cm，最大可達(dá)80 cm 以上，以棱角～次棱角狀為主，呈松散～稍密狀，鉆孔孔壁易坍塌掉塊，顆粒級(jí)配不良，分選性較差，顆粒排列基本無(wú)規(guī)律，充填少量黏性土和粉細(xì)砂。各期子壩主要由來(lái)自采礦廠(chǎng)的碎石和尾礦砂、尾礦土組成。

1) 尾粉細(xì)砂紅褐～黃褐色，稍密，飽和。顆粒分選性較差，呈次棱角～亞圓狀，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英、角閃石和云母等，局部具微層理，可見(jiàn)黏性土夾層，偶見(jiàn)碎石，具中等壓縮性。主要分布于碎石層底部，厚度不均，層底標(biāo)高不穩(wěn)定。

2) 尾粉土褐～黃褐色，中密，很濕。土質(zhì)不甚均勻，具微層理，局部夾薄層黏性土或粉細(xì)砂。搖振反應(yīng)中等，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，具中等壓縮性。主要分布于尾粉細(xì)砂層底部，厚度不均，層底標(biāo)高不穩(wěn)定。

3) 尾粉質(zhì)黏土褐～紅褐色，可塑，局部軟塑。土質(zhì)不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粉土或粉細(xì)砂。無(wú)搖振反應(yīng)，土芯切面稍光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，具高壓縮性。主要分布于尾粉土層底部，厚度不均，層底標(biāo)高不穩(wěn)定。

4)尾黏土褐～紅褐色，可塑，局部軟塑。土質(zhì)不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粉土或粉細(xì)砂。無(wú)搖振反應(yīng)，土芯切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，具中等偏高壓縮性。主要分布于尾粉質(zhì)黏土層底部，混合花崗巖上部，厚度不均，層底標(biāo)高不穩(wěn)定。

壩體地下水主要為潛水和上層滯水，根據(jù)壩體地下水長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)資料，壩體地下水位標(biāo)高由母壩的283．70 m到子壩的323． 80 m，壩體相對(duì)高度約78 m，水位高差40．10 m，但是水力梯度并不大，同時(shí)壩體水位隨著壩體的加高有逐年上升的趨勢(shì)。壩體內(nèi)的水體補(bǔ)給主要是放礦補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給，壩體地下水的排泄主要有地面蒸發(fā)和滲流。

3 數(shù)值模擬

3．1 原 理

本次計(jì)算采用FLAC 有限元程序的流固耦合模塊進(jìn)行，在每個(gè)堆積階段，先根據(jù)堆積時(shí)間計(jì)算滲流場(chǎng)，得到壩體內(nèi)的孔隙水壓力分布情況，然后根據(jù)孔隙水情況調(diào)整壩體物質(zhì)密度和總應(yīng)力。最后根據(jù)Flac 3D solve fos 開(kāi)始進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)用折減強(qiáng)度的方法，通過(guò)不斷降低摩擦角和黏聚力，直到產(chǎn)生邊坡破壞。摩擦角和黏聚力按照一個(gè)常量因子同時(shí)減小，F(xiàn)LAC 有限元程序按照相同的途徑得到每一組強(qiáng)度參數(shù)，并進(jìn)行計(jì)算，直到找到穩(wěn)定系數(shù)為止。參數(shù)折減的具體辦法如下:

3．2 模型及參數(shù)選取

本次計(jì)算是在考慮了滲流基礎(chǔ)之上的穩(wěn)定計(jì)算。因?yàn)槲驳V壩是后期堆積而成的，周?chē)襟w的初始應(yīng)力對(duì)其穩(wěn)定性影響不大，因此計(jì)算模型的左右邊界以尾礦壩上下限為界，底部向下取到260 m 高程。左右邊界在x 方向固定，下部邊界在x，y 方向同時(shí)固定。根據(jù)勘察的原位測(cè)試、室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，參照以往勘察資料及同類(lèi)尾礦壩勘察經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合尾礦的沉積特點(diǎn)等，綜合確定的尾礦壩內(nèi)各層土的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。

3．3 結(jié) 果

根據(jù)計(jì)算模型及所給的巖土物理力學(xué)參數(shù)，得到各工況下尾礦壩的安全系數(shù)及各工況下壩體最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的情況。

3．4 分 析

從壩高334 m 時(shí)計(jì)算結(jié)果看，壩體最有可能滑動(dòng)的滑面從子壩入口向下，穿尾粉細(xì)砂層、尾粉土( 尾粉質(zhì)黏土) 后，沿尾黏土層向下游擴(kuò)展，整體滑動(dòng)面較深。從計(jì)算結(jié)果看，壩體的穩(wěn)定性在正常運(yùn)行和最高洪水位運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1．26 和1．24，大于規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，洪水位( 安全超高0．7 m) 和正常水位( 安全超高1.0 m) 運(yùn)行穩(wěn)定情況差別較小，其原因從滲流計(jì)算可知，由于本尾礦壩子壩堆積及放礦的特點(diǎn)，庫(kù)內(nèi)水位的升高僅對(duì)浸潤(rùn)線(xiàn)的頂部有較大影響，對(duì)中下部影響較小，從而使得尾礦壩在正常運(yùn)行和洪水位運(yùn)行的整體穩(wěn)定性差別不大。

4 對(duì)比分析

4．1 儀器設(shè)置

為了對(duì)壩體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在勘察鉆孔中埋設(shè)和安裝了試驗(yàn)檢測(cè)儀器，并對(duì)測(cè)試孔設(shè)立標(biāo)志進(jìn)行保護(hù)。主要包括:浸潤(rùn)線(xiàn)觀測(cè)裝置、孔隙水壓力計(jì)、土壓力計(jì)和測(cè)斜管。

4．2 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)儀器廠(chǎng)家調(diào)試后開(kāi)始檢測(cè)，根據(jù)儀器說(shuō)明書(shū)首先測(cè)試初始值，以后每隔30 ～60 d 測(cè)試1 次。

4．3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期檢測(cè)的土壓力、孔隙水壓力以及位移觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算出來(lái)的壩體的應(yīng)力及位移情況，對(duì)兩種不同方法得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的正確性。

4．4 結(jié)果分析

2#鉆孔位置壩體沒(méi)有發(fā)生整體剪切滑移的跡象，受壩體加高和尾礦淤積影響，頂部有整體向外移動(dòng)的趨勢(shì);10#鉆孔位置測(cè)斜管的變形呈現(xiàn)上下小中間大的模式，反映了壩體具有一定程度整體旋轉(zhuǎn)滑移的趨勢(shì)，滑動(dòng)面位置處于33 m 深度處，為尾黏土成分所處位置，與前面計(jì)算得到的滑動(dòng)面位置大致相當(dāng)，驗(yàn)證了計(jì)算推測(cè)的結(jié)果。這進(jìn)一步說(shuō)明該尾礦壩的穩(wěn)定性并不是很高，需要在后期不斷加強(qiáng)監(jiān)測(cè)來(lái)確保安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)尾礦壩的設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行歷史及現(xiàn)狀，定性認(rèn)為該尾礦壩在當(dāng)前壩高(334 m) 正常運(yùn)行是安全的; 數(shù)值模擬計(jì)算得到現(xiàn)高尾礦壩在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行速度狀態(tài)下壩體斜坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1．26 和1．24，滿(mǎn)足《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》( AQ 2006—2005) 不小于1．20、1．10 的要求;數(shù)值模擬計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑面從子壩入口向下，穿尾粉細(xì)砂層、尾粉土( 尾粉質(zhì)黏土) 后，沿尾黏土層向下游擴(kuò)展，最后在1 期子壩附近穿出，整體滑動(dòng)面較深;當(dāng)前壩高的情況下尾礦壩運(yùn)行是安全的。但由于尾黏土層抗剪強(qiáng)度較低，在壩底分布連續(xù)且局部較厚，控制了滑動(dòng)面的深度，在特殊運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)接近于臨界狀態(tài)，尾礦壩整體穩(wěn)定性不是太高，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

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