某尾礦壩穩定性分析及加固措施

葛凱華　唐　菲　左鋒雷

(1.平泉小寺溝礦業有限公司；2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院)

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某尾礦壩穩定性分析及加固措施

葛凱華1唐菲2左鋒雷1

(1.平泉小寺溝礦業有限公司；2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院)

摘要以某尾礦壩為工程背景，應用高精度測量儀器TM30,選設3個GPS控制點和15個觀測點，建立了邊坡地表位移監測網，對尾礦壩進行觀測。根據觀測結果,對尾礦壩進行抗滑樁加固,利用FLAC3D,對抗滑樁結構單元進行數值模擬，分析了抗滑樁在壩體中的受力及分布，指出支護中須加強箍筋配置，施工后的觀測數據體現了支護方案的可行性。

關鍵詞尾礦壩FLAC3D穩定性分析加固

某尾礦庫庫容量約1.7億m3，匯水總面積約7.8 km2。初期壩為堆石壩，透水性良好，壩體縱向長505 m，壩頂寬4 m，上游坡比為1:1.85，下游坡比為1:2，初期壩頂高程76 m，底部高程55 m，壩體高21 m。子壩采用上游法建造，上游坡比1:4.5，堆高145 m。根據設計方案[1-2]，尾礦壩設計標高260 m，由《選礦廠尾礦設施設計規范》(ZBJ1-90)的規定可知，該庫屬于Ⅱ等尾礦庫。為保證尾礦庫的安全運行，需對其進行穩定性監測。

1尾礦壩監測

1.1監測點布設

尾礦壩監測分為水平位移監測與垂直位移監測。尾礦壩壩體邊坡屬土質滑坡類型，垂直位移監測采用測距三角高程，對豎角觀測精度要求較高，故按二等要求進行角度觀測。監測儀器為TM30，測角精度為0.5″，測距精度為0.6 mm+1×10-6D。根據尾礦壩壩體將監測網布置成放射形，根據尾礦壩邊坡的穩定情況,選定了3個基準點15個觀測點。觀測點布置如圖1。

圖1　觀測點布置

1.2監測結果及數據分析

尾礦壩壩體監測周期為一周，也可根據壩體變形因素的變化適當增大或減小。表1為前3次的監測數據(由于篇幅有限，在此僅給出5個點的觀測數據，其他數據見文獻[3])，各點水平偏移與沉降量見圖2。

監測結束后，對數據進行自身精度分析,周期變形量分析及總變形量分析。

由圖2可知,第2次監測時，水平位移量最大為26.6 mm最小為18.4 mm；沉降量最大為-45.7 mm最小為-14.3 mm，第3次監測時，累計水平位移量最大為51.7 mm最小為37.9 mm，偏移方向均為東南；累計沉降量最大為-90.0 mm最小為-28.4 mm。水平位移量與沉降量都很大，表明壩體不穩定，需采取支護措施。

2抗滑樁加固

2.1計算模型建立

為保證所建模型與實際土層相一致，建模前必須詳細了解尾礦壩子壩的材料參數、幾何條件及計算機的實現[4-5]。由于FLAC3D本身在前期建模過程中缺乏一定的靈活性，所以考慮利用有限元軟件ANSYS10.0來建立三維模型，并對模型進行適當的網格劃分，得到其內部節點和單元信息，利用ANSYS-FLAC3D接口程序，將得到的信息轉化為FLAC3D能認讀的格式，此種方法可提高建模效率[6]。輸入到FLAC3D中，解決了FLAC3D復雜三維模型建模困難的問題，極大地提高了工作效率[7]。

在理論計算之前對壩體所處的環境及自身性質等進行適當簡化。根據現場試驗分析報告[1-2]，將壩體材料屬性相近的土層歸并，材料的物理力學參數取相應的加權平均值，材料參數如表2所示。

表1　尾礦壩壩體觀測數據

圖2　各點水平偏移量與沉降量走勢

材料編號密度/(kg/m3)凝聚力/kPa內摩擦角/(°)泊松比剪切模量/Pa體積模量/MPa抗拉強度/Pa有效凝聚力/kPa有效內摩擦角/(°)116005260.381210625001229216705290.31149025001231317006300.3997530001332初期壩19500.5380.2540009000250基巖27506720420.20.011500001600000

模型幾何尺寸簡化如下：下伏基巖為隔水巖層，厚度為100 m；初期壩屬性定為透水性較好的巖層，上游與下游的坡比均簡化為1:2，壩高定為20 m，頂寬4 m，壩體縱向長度為500 m；子壩上游坡比 1:5；干灘坡比1:100。

計算模型采用莫爾-庫侖屈服準則，共劃分為81 345 個節點，74 400個單元。材料分為6組，計算是在不考慮地震、降雨以及人類其他工程活動等因素的影響下的天然工況，自重應力為主要考慮的因素。模型四周設為單向邊界，底部設為固定約束，壩體坡面則設為自由邊界。模型頂板高程取Z=260 m，X軸為邊坡傾向相反方向，取X=614 m,Y軸方向為壩體走向方向,Y=±250 m，計算模型見圖3。

2.2抗滑樁布置方案

根據設計規范，初期壩體抗滑樁選單排布置，截面為圓形，截面積為3.14m2，間距取8m,根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》(DZ/T 0219—2006)，樁身釆用預應力混凝土，強度為C40。選普通硅酸鹽水泥(42.5R),縱向受拉鋼筋采用HRB335級(二級)帶助鋼筋，直徑取25 mm，鋼筋凈距取200 mm；樁身鋼筋混凝土保護層厚度為80 mm,采用封閉式箍筋布置，直徑取14 mm，間距400 mm,樁長15 m，錨固深度5 m[8]。布置圖如圖4。

圖3　計算模型

圖4　抗滑樁的整體布置

2.3樁內力計算

抗滑樁內力計算如圖5～圖8所示。

圖5　抗滑樁樁身內力Fy圖

圖6　抗滑樁樁身內力Mz圖

圖7　抗滑樁樁身內力Fz圖

從圖5～圖8中可知：

(1)位于左、右兩側抗滑樁上的剪力、彎矩大小基本相同，而位于中間位置布設的抗滑樁由于左右抗滑樁對其的擠壓作用，剪力、彎矩值稍微偏小，反映出在樁身內力圖中各樁的內力曲線近乎重合。

圖8　抗滑樁樁身內力My圖

(2)抗滑樁位于兩端的單元與中間單元的剪力反向，說明抗滑樁在滑坡推力和周圍巖土體主動土壓力的共同作用下，處于近似雙向受剪狀態。同時，抗滑樁剪力的最大值出現在嵌固段中間部位和樁頂至剪力為零處的中間位置,所以，這些部位都應該加強箍筋配置，以提高抗剪能力。

(3)在滑體推力作用下，樁身彎矩呈現反對稱分布。彎矩值最大出現在錨固面上下3 m處，以及樁頂以下上下2～3 m處，說明樁在此處所受到的彎曲作用比較大，該處是抗滑樁相對薄弱的位置，因此，在此處上下5 m范圍的樁體是配置抗彎鋼筋的重點。

2.4抗滑樁加固后效果對比

抗滑樁于第3次監測后開始施工，施工期間進行了3次測量，當施工完成后開始第7次觀測，觀測數據如表3，各點水平偏移量及沉降量見圖9。

由表3及圖9可知，壩體支護前3次的累計水平位移量最大為51.7 mm，支護后的3次監測中，累計水平位移量最大為14.9 mm；壩體支護前3次的最大累計沉降量為39.3 mm，支護后的3次累計沉降量最大為14.3 mm，支護效果很理想。

3結論

(1)應用高精度測量儀器TM30對尾礦壩進行觀測，選設3個GPS控制點和15個觀測點，建立了邊坡地表位移監測網，觀測結果表明壩體不穩定，并針對尾礦壩工程特性采取抗滑樁加固。

(2)利用有限元軟件ANSYS10.0建立三維模型，并將數據輸入到FLAC3D中，利用抗滑樁結構單元分析其在壩體中的受力情況，指出支護中加強箍筋的位置以及抗彎鋼筋的配置。

(3)根據模擬結果進行施工，施工后壩體觀測數據體現了支護的有效性，該支護方案成功應用后，有效地加強了某尾礦壩的穩定性。研究成果對尾礦壩的安全監測與結構支護設計提供了理論指導及借鑒。

表3　觀測數據

圖9　初期壩各點水平偏移量與沉降量走勢

參考文獻

[1]大連理工大學土木水利學院.某尾礦庫選礦廠尾礦壩內尾礦砂試驗研究報告[R].大連：大連理工大學土木水利學院，2004.

[2]大連理工大學土木水利學院.某尾礦庫選礦廠尾礦壩滲流試驗與計算分析報告[R].大連：大連理工大學土木水利學院，2004.

[3]葛凱華.某尾礦壩穩定性分析及加固措施研究[D].鞍山：遼寧科技大學,2015.

[4]鄭筱彥.抗滑樁支擋作用的數值模擬研究[D].武漢:武漢理工大學,2005.

[5]Ghose M K, Sen P K. Investigation of soil engineering properties for safe design and construction of the iron ore tailing dam[J]. Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 2001,8(6):318-326.

[6]廖秋林,曾錢幫,劉彤,等.基于ANSYS平臺復雜地質體FLAC3D模型的自動生成[J].巖石力學與工程學報,2005,24(6):1010-1013.

[7]吳明,傅旭東,劉歡.邊坡穩定分析中的強度折減法[J].土工基礎,2006,20(1):49-52.

[8]中國地質調查局.DZ/T0219—2006滑坡防治工程設計與施工技術規范[S].北京：中國標準出版社，2006.

(收稿日期2015-09-03)

葛凱華(1989—)，男，工程師，碩士，067512 河北省承德市平泉縣。