白山金礦尾砂堆積壩壩體靜力、動力穩定分析研究

單麗影

（吉林省水利水電工程局第五工程處，吉林 長春 130012）

目前，尾礦壩研究主要集中于安全與環境兩個方面。相關研究基本上都是圍繞尾礦壩穩定性以及由潰壩引發出的壩體堆筑、排滲、地震液化、環境污染等展開的。在這些有關尾礦壩穩定性的研究成果中，大多是針對某一特定的尾礦庫，利用公式驗算和借助計算程序，對壩體進行了安全穩定性分析計算。而在這些研究中有關室內試驗研究細粒尾礦堆積壩穩定性的資料基本為空白。就細粒尾礦而言，因其尾礦顆粒細，其力學性質較一般尾礦差，給筑壩帶來更大的困難，增加了壩體滑坡，液化失穩的危險性。到目前為止，系統地對細粒尾礦筑壩穩定性進行研究在國內外基本上是一個空白。本研究選用吉林省白山金礦尾砂堆積壩為目標，對其壩體靜力、動力穩定進行分析，以其為細粒尾礦筑壩穩定性研究提供借鑒。

1 基本方程及計算方法

壩體穩定分析采用瑞典圓弧滑動法。作為平面問題處理，分析這些圓弧內土體繞圓心轉動的穩定性，具體計算時為了方便，通常采用條分法。對于滑動土體中滲流水壓力對壩坡穩定的影響一般采用“等值力矩法”計算。土體破裂面上抗剪強度服從Mohr-Coulomb強度準則。

瑞典圓弧條分法計算壩坡穩定安全系數的表達式為：

式中：ci，φi為裂面上土體的粘結力與內摩擦角；bi為土條寬度；li為滑裂面的長度；γ，γ謖，γm分別為土體的天然容重，浮容重和飽和容重；h1i，h2i，h3i分別為第i土條中浸潤線以上、浸潤線與下游水位之間和下游水位以下土條的高度；αi為第i土條滑弧面中心和瞬時滑弧圓心連線與垂線之間的夾角。

為了分析尾礦壩在7度地震作用下壩坡的穩定性，采用擬靜力法將地震時所產生的水平和豎向地震慣性力作為擬靜力作用在各個土條的重心處，與其它荷載組合進行計算，其穩定安全系數用下式計算：

式中：Qi為作用于土條重心處的地震慣性力，Qi=KhCZGiail；Kh為水平向地震系數；CZ為綜合影響系數，取值0.25；ai為地震加速度分布系數；Gi為計算土條的土重；M0為水平向地震慣性力對圓心的力矩；R為瞬時圓心半徑；Ci，φi為土體在地震作用下的粘滯力和內摩擦角；

2 計算模型、參數選擇、邊界條件

（1）計算模型的建立。計算模型如圖1所示，向庫區內延伸的長度122.8m，用于安全超高6.23m的工況。

圖1 尾礦壩計算模型

（2）參數選擇。在穩定計算過程中，尾礦初期壩壩體材料的靜、動力計算參數按長春有色勘查設計院試驗結果進行取值，堆石的緊密容重為20.5kN/m3，摩擦角34°，凝聚力0kPa；尾壩堆積體材料的靜、動力計算參數按試驗結果進行取值，尾礦的固結容重為14.9kN/m3，飽和容重為17.5kN/m3，由三軸不排水剪試驗得到總應力強度指標為：摩擦角30.3°，凝聚力55.9kPa；由三軸固結排水剪試驗得到有效應力強度指標為摩擦角29.6°，凝聚力12.1kPa。初期壩底碎石容重20.5kN/m3，摩擦角32°，凝聚力5kPa；這三種材料的強度均為有效強度指標。根據設計資料，最高洪水位為795.0m，則相應的干灘長度為122.8m。

（3）計算工況。對于靜力穩定計算，考慮的荷載為壩體自重和孔隙水的浮力。對于動力穩定計算，荷載組合為筑壩期正常洪水位所產生的浮力+壩體自重+地震荷載，在122.8m、341.0m兩種干灘情況下，分別進行穩定計算。

計算中浸潤線位置由滲流數值分析確定，地震荷載當作擬靜力施加到壩體上，水平地震動為0.2g，豎向地震動是水平的2/3。

3 計算結果

圖2 最小安全系數所對應的滑弧圓心和滑弧位置

（1）靜力穩定計算。最小安全系數所對應的滑弧圓心和滑弧位置如圖2所示。由圖2可見，最小安全系數所對應的滑弧均位于初期壩基以下，這表明初期壩地基的穩定性較差，但安全系數均大于規范規定的安全系數允許值1.10（洪水運行）及1.2（正常運行）。

（2）動力穩定計算。最小安全系數所對應的滑弧圓心和滑弧位置如圖3所示。如圖3可見，最小安全系數所對應的滑弧均位于初期壩基以下，這仍表明初期壩地基的穩定性較差，但安全系數均大于規范規定的安全系數允許值1.05（特殊運行）。

圖3 最小安全系數所對應的滑弧圓心和滑弧位置

4 結語

靜力穩定的安全系數和動力穩定的安全系數均大于規范規定的安全系數值，所以可以認為在靜力、動力情況下，吉林省白山金礦尾砂堆積壩壩體均能保持穩定。