基于Atobank的有限元法在尾礦壩滲流及邊坡穩(wěn)定性分析中的應用

孫文杰

摘 要：針對目前尾礦壩邊坡中存在的安全問題，利用Atobank提供的線彈性模型，采用有限元分析理論，對尾礦壩邊坡進行了建模、有限元分析計算，并得了出浸潤線、最危險滑裂面和安全系數(shù)。計算結果表明，用Atobank分析尾礦壩滲流和邊坡的穩(wěn)定性具有一定的實用性和可靠性，進而為尾礦庫的的安全管理提供了一定的參考依據(jù)。

關鍵詞：尾礦壩；有限元；滲流分析；邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號：TV649 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.096

目前，我國有尾礦庫約1 500座。其中，許多尾礦庫已處于中后期服役，尾礦堆積壩形成高邊坡，一旦滑坡失穩(wěn)，就會造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，并嚴重污染環(huán)境。因此，尾礦壩的邊坡安全穩(wěn)定性分析至關重要。

1 有限元理論

1.1 滲流計算原理

滲流計算方法采用有限元法，基本微分方程式及其邊界條件為：

式（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中：h為水頭函數(shù)；Kx、Ky、Kz分別為以空間x、y、z坐標軸為主方向的主滲透系數(shù)；t為滲流時間；Ss為貯水率；ρ為流體密度；g為重力加速度；α為土的壓縮系數(shù)；β為水的壓縮系數(shù)；h0為初始水頭；K為滲透矩陣；n為Γ2的外法線方向；q為Γ2的側向補給量；Γ1為已知水頭值的邊界曲面；Γ2為已知流量值的邊界曲面；H為邊界水頭。

1.2 壩坡穩(wěn)定性分析原理

穩(wěn)定性計算根據(jù)剛體極限平衡理論，采用瑞典圓弧法，計算公式為：

式（8）中：C為固結不排水剪應力強度指標；α為土條底面中點處切線與水平線的夾角；Wk為計算抗滑力時單位寬度土條的質(zhì)量；Dv為某一土條垂直向地震慣性力的總和；Dh為某一土條水平地震慣性力的總和；φ為固結不排水剪應力強度指標；Wh為計算滑動力單位寬度土條的質(zhì)量；Mc為水平向地震慣性力Dh對圓心的力矩；R0為滑弧半徑。

2 實例分析

2.1 某尾礦庫的設計概況

某礦山尾礦庫屬于山谷型濕排尾礦庫，位于選礦廠東側1 km處的山谷內(nèi)。尾礦庫初期壩為碾壓土石壩，初期壩高15 m，堆積壩最大壩高為80 m。尾礦放礦工藝采用了上游式分散放礦，沉積灘的平均坡度為1.0%，設計干灘的長度為200 m，堆積壩的最終邊坡比為1∶4.

初期壩在壩頂標高以上7 m（即壩頂標高以上第三級平臺處），距初期壩中心線34 m處設置了排滲井和排滲管。

2.2 建立有限元模型

采用Atobank對尾礦壩和地基進行了有限元模擬。坐標軸方向為：尾礦壩縱向為x軸正向，豎向為y軸正向。

約束情況為：四周為法向約束、基礎底面為固端約束。

2.3 選取計算參數(shù)

尾礦沉積灘分為4層，從上到下依次為尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土和尾黏土。尾礦壩的材料物理力學指標如表1所示。

2.4 計算工況

計算工況為：正常水位運行工況、洪水位運行工況和特殊（地震）工況。

2.5 計算結果分析

根據(jù)最大壩高典型剖面，采用Atobank有限元軟件和瑞典圓弧法，滲流和穩(wěn)定性計算結果如表2所示。

綜上所述，初期壩在增設排滲設施后，有效降低了尾礦堆積壩的浸潤線。

3 結論

采用有限元法進行尾礦壩滲流和邊坡的穩(wěn)定性分析是可靠、合理的；尾礦庫初期壩增設排滲設施能有效降低尾礦壩的浸潤線，從而提高尾礦堆積壩的邊坡穩(wěn)定性，這對尾礦庫的安全運行起到了至關重要的作用。

參考文獻

[1]徐宏達.我國尾礦庫病害事故統(tǒng)計分析[J].工業(yè)建筑，2001，31（01）：69-71.

[2]王鳳江，王來貴.尾礦庫災害及其工程整治[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2003（03）：76-80.

〔編輯：張思楠〕