申家峪尾礦壩地震動力反應分析與研究

高尚青

（國家安全生產監(jiān)督管理總局信息研究院，北京100029）

申家峪尾礦壩地震動力反應分析與研究

高尚青

（國家安全生產監(jiān)督管理總局信息研究院，北京100029）

申家峪尾礦庫為壩高138m的二等庫，由于筑壩工藝改為干堆使壩體結構發(fā)生變化，應對壩體的抗震穩(wěn)定性進行計算和分析。研究工作根據庫區(qū)工程地質環(huán)境、壩體土體物理力學特性，以主壩軸線為剖面建立幾何模型，采用時域上的Wilson-θ逐步積分法，按照等價線性法對尾礦庫壩體進行動力分析，得到了動力狀態(tài)下壩內地震速度、地震加速度、地震位移、主應力、剪切應力及應變、超空隙水壓分布及壩體自振頻率，并結合計算結果對尾礦壩在動力狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行了分析。研究分析表明，在加載EL Centro地震波的情況下，干堆筑壩方式的實施使壩體的抗震穩(wěn)定性提高，有利于尾礦庫的安全運行。

尾礦壩；地震波；動力計算；時程法

尾礦庫的土層是由尾砂顆粒所構成的土骨架和孔隙中的水及空氣組成的。由于尾砂顆粒之間連接較弱，骨架結構具有不穩(wěn)定性，故只有當動荷載及變形很小、土體密實時，土顆粒之間的連結幾乎不會遭到破壞，而土骨架的變形能夠恢復，并且土顆粒之間相互移動所損耗的能量也很小時，才可以忽略塑性變形，認為尾砂處于理想的粘、彈性力學狀態(tài)。隨著動荷載的增大，尾砂顆粒之間的連接逐漸破壞，骨架將產生不可恢復的變形，并且尾砂顆粒之間相互移動所損耗的能量也將增大，尾砂越來越明顯的表現(xiàn)出塑性性能。當動荷載增大到一定程度時，尾砂顆粒之間的連接幾乎完全破壞，尾砂將處于塑性流動或破壞狀態(tài)［1］。

壩體動力反應分析，即是考查壩內在動荷載作用下發(fā)生彈塑性變形的程度，以及考查壩體是否會發(fā)生塑流變形的可能性。

本文通過對申家峪尾礦庫壩體地震動力分析，選取合適的數(shù)學模型和計算方法，為同類型壩體的地震動力分析過程提供參考依據。

1 工程概況

河北金廠峪礦業(yè)有限責任公司申家峪尾礦庫位于唐山遷西縣金廠峪鎮(zhèn)，距遷西縣城30km。申家峪尾礦庫地處山體溝谷，三面環(huán)山，南高北低，北面溝口筑透水堆石初期壩，為山谷型尾礦庫。庫區(qū)出露的地層主要為太古界遷西群古老變質巖系，工

程地質和水文地質條件簡單。尾礦庫原設計壩體標高316m，總壩高114m，設計總庫容為650萬m3。公司于2012年對尾礦庫進行擴建工程，設計堆積標高340m，壩高138m，總庫容1369萬m3，為二等庫。申家峪尾礦庫目前正在實施擴建工程，現(xiàn)狀堆積標高322m。由于放礦筑壩工藝調整，為確保尾礦庫的安全運行，根據《尾礦設施設計規(guī)范》（GB50863-2013）有必要對尾礦庫壩體的抗震穩(wěn)定性進行分析和研究。

2 地震動力非線性分析方法

地震動力分析，可以采用時域法或頻域法。本文采用時域上的Wilson-θ逐步積分法，按照等價線性法進行動力分析［2］。根據等價線性法，具有粘滯阻尼的非線性土體可以簡化為一個等價粘彈性振動體系，地震作用下土體的運動方程見式（1）。

邊界條件為：在基巖面上｛δ｝x=0=0。

采用Wilson-θ逐步積分法求解上述動力方程，按照位移函數(shù)確定的應變-位移關系，得到單元的動應變，再根據應力-應變關系求出各單元的動應力。

采用等價線性化的思想考慮土體的動力非線性性質，其基本做法是：根據選定的剪切模量及阻尼比的初始值G0與ξ0，在頻域或時域上運用波動理論或線性有限元法估計土體的動力反應，經此確定各土體單元的有效應變γeff（通常取最大剪應γmax的0.65倍），然后依據試驗得到的土料G～γ與ξ～γ曲線，估計與當前特征應變水平γeff相應的動力參數(shù)，進而再次進行線性分析，以此類推，不斷迭代至所選用的動力參數(shù)與所取得的有效應變相協(xié)調，最終結果即為土體的非線性動力響應。

3 地震和壩基基巖地震參數(shù)

分析中采用了典型自然地震波——EL Centro地震波、遷安地震波及根據實際場地條件人工擬合的地震波。通過這三種地震波進行反應成果的對比分析，以充分論證各種地震荷載的動力效應，從而分析確定尾礦壩加高后在動力作用下的穩(wěn)定性。

根據國家地震局編制的中國地震烈度區(qū)劃圖，遷西縣的地震動峰值加速度值為0.10g（g=9.8m/s2），尾礦庫場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。

先對三種地震波按當?shù)貛r土特征進行地震特征化（地震加速度0.10g（g=9.8m/s2）處理，再加載到壩體進行分析。選取地震反應最大的波譜作為動力反應輸入地震波，然后加載到不同標高壩體中進行考查壩體對特征地震波的反應狀況［4］。輸入的地震波時程曲線見圖1～3。

圖1 特征化后EL Centro波

圖2 特征化后遷安波

圖3 特征化后人工波

從圖1～3中可以看出，EL Centro地震波較遷安波地震反應更強烈，因此主要采用EL Centro地震波計算分析尾礦庫擴建終期壩體標高340m時的狀況，壩體計算模型見圖4。

4 動力反應分析

4.1 地震速度

采用特征地震波模擬的壩內節(jié)點地震速度最大值見表1，從輸入三種特征波的計算結果看，壩內的地震速度反應均不是太大。

4.2 地震加速度

表2給出了采用三種地震波模擬的節(jié)點最大地震加速度值。

圖4 壩體340m標高地震特征點位置圖

表1 標高340m特征地震波壩內地震速度表/（m/s）

從計算結果來看，地震中垂直加速度放大較大，約為輸入地震波的1.33倍、1.48倍、1.64倍，可見尾礦壩遭遇到地震時，隨震源越遠，地震反應越弱。

三種波加速度分布的趨勢基本一致，即水平、垂直最大地震加速度的負向加速度均位于壩頂，正向加速度位于沉積灘靠近山體基巖部位或初期壩附近。

4.3 地震位移

表3給出了采用特征波模擬的地震結束時最大位移值。從計算結果看，采用EL Centro波計算的水平方向負向最大位移為0.018m，正向最大位移為0.065m，垂直方向正向最大位移水平負向0.026m，正向0.039m。

表2 標高340m特征地震波壩內地震加速度/（m/s2）

表3 標高340m地震結束時壩體位移結果/m

三種特征波的地震位移分布位置基本一致，即水平方向較大位移位置位于靠近水面的沉積灘面，垂直方向較大位移部位位于沉積灘水域部位，特征地震波下垂直方向位移較水平方向位移有明顯的變化，即在遭遇地震時，尾礦庫的沉積灘面有裂紋或裂縫。采用EL Centro波模擬的地震結束時位移云圖見圖5～6。

圖6 壩體340m標高Y方向地震位移分布圖

4.4 主應力

從地震主應力場的分布云圖看，三種特征波計算的最大主應力場與最小主應力場具有相同的變化趨勢，壩內沉積尾砂底部最大主應力約1839k Pa，最小主應力約1271k Pa。采用EL Centro波模擬的最大主應力與最小主應力分布云圖見圖7、圖8。

從圖7～8主應力分布場來看，靜力狀態(tài)壩內最大主應力σ1為1704k Pa，最小主應力σ3為1179k Pa，地震時由于孔隙水壓增大，壩內浸潤線有所抬升，主應力場相應變小，其中σ1減小了135k Pa，σ3減小了92k Pa，但地震時特征波對主應力場影響較小，反映在地震作用下壩體達到一定變形時，壩體σ1、σ3并未出現(xiàn)異常狀態(tài)。

4.5 剪切應力及應變

地震結束時，三種波最大剪應力、最大剪切應變、XY方向剪應力與XY方向剪切應變亦相差甚微，最大剪切應力約為370.9k Pa，最大剪切應變?yōu)?.0032；XY最大剪切應力為245.6k Pa，XY最大剪切應變?yōu)?.0025。采用EL Centro波計算的最大剪切應力、XY方向剪應力云圖見圖9、圖10。

圖7 340m標高地震大主應力分布圖

圖8 340m標高地震小主應力分布圖

圖9 340m標高地震最大剪應力分布圖

圖10 340m標高地震X、Y方向剪應力分布圖

從動力剪切應力與應變場分布來看，剪切破壞主要發(fā)生在初期壩內坡及壩體與基巖接觸部位，壩內沉積尾砂的剪切破壞水平一般，剪切破壞的形式主要為沉積尾砂的深層移動，但隨著地震波地作用整體指向X、Y的正方向，亦深層剪切移動均向巖體靠近，所以剪切作用下初期壩體較為安全。

4.6 超空隙水壓分布

地震結束時，采用三種特征波模擬的壩內超孔隙水壓的分布規(guī)律基本一致，只在局部范圍略有差別，其中震中波超孔隙水壓分布范圍最大。采用EL Centro波計算的超空隙水壓分布見圖11。

圖11 340m標高震后超孔隙水壓力分布圖

從超孔隙水壓分布來看，只是局部一定范圍達到液化臨界值，但并未形成貫通條帶，故在孔隙水壓消散過程中不會形成貫通性的滑動面，故認為該狀態(tài)并未超過穩(wěn)定的極限狀態(tài)，仍能維持壩體穩(wěn)定。

4.7 壩體自振頻率

壩體地震動力反應強弱與其結構有關。輸入的頻率越接近壩體基本自振頻率，壩體的地震動力反應越強烈［5］。通過對壩內特征點的速度記錄，記錄的特征點速度值，通過對加速度時程曲線的FFT變換，找出幅值譜中反應最大點對應的頻率，即為壩體的自振頻率，計算得到的壩體斷面的自振頻率值見表4，從結果可以看出在輸入地震作用下壩體的地震動力響應不是很強烈，說明壩體在當?shù)靥卣黝l率的地震動力下反應較弱。

表4 壩體自振頻率計算結果

5 結 論

1）根據申家峪尾礦庫的區(qū)域地震地質和場地特征以及《尾礦設施設計規(guī)范》（GB50863-2013）的規(guī)定，提出了三條特征地震波。通過比較，選取EL Centro地震波作為壩體動力反應分析的輸入地震加速度時程。

2）通過對申家峪尾礦壩剖面在340.0m標高下進行動力反應分析，在EL Centro地震波作用下，水平地震反應較垂直地震反應更強烈，地震波在水平方向放大約1.09～1.64倍。

3）從主應力分布及位移云圖來看，尾礦壩不會發(fā)生深大滑動與大變形，340m標高壩體可以承受EL Centro地震波（烈度Ⅵ度，加速度0.1g）的地震，地震反應不強烈，壩體在地震作用下是穩(wěn)定的。

4）通過地震后壩內超孔隙水壓力分布可以看出，由于受地震作用，浸潤線在局部位置會受到抬高，與靜力孔壓曲線對比，大致抬升約0.8m，但超孔隙水壓并未貫通出現(xiàn)，也未形成潛在滑動面，在地震動力作用下仍能滿足相應等別安全灘長與安全超高的要求，壩體穩(wěn)定狀態(tài)仍處于極限平衡狀態(tài)以下。因此，壩體仍是安全的。

5）動力作用下，所選取特征點的震幅均不大，從地震結束后的位移云圖可以看出也僅在水面區(qū)域存在一定的永久變形，但變形量不大，其中水平最大不超過0.076m，垂直不超過0.058m，整體變形未超過靜力變形極值，因此壩體在整體形態(tài)上是完好的。

6）綜上所述，申家峪尾礦庫在標高340m時的壩體能夠抗擊相應烈度的地震，不存在深部滑動和較大變形部位，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］ 蔡嗣經，張棟，何理.地震中尾礦庫液化失穩(wěn)機理及數(shù)值模擬研究［J］.有色金屬科學與工程，2011，2（2）：1-6.

［2］ 王玲玲，何蘊龍.堆石壩地震反應分析［J］.人民長江，2003，34（6）：20-22.

［3］ 鄒德高，徐斌，孔憲京.瑞利阻尼系數(shù)確定方法對高土石壩地震反應的影響研究［J］.巖土力學，2011，32（3）：797-803.

［4］ 王迪，李培良.尾礦庫抗震液化及震后穩(wěn)定性分析［J］.礦業(yè)工程，2014，12（5）：43-45.

［5］ 張榮偉，陳曉東，張力霆.地震作用下大壩動力反應三維有限元模擬［J］.河北水利，2010（8）：35-36.

Seismic dynamical analysis of Shenjiayu tailing dam

GAO Shang-qing
（Information Institute，National Institute for Occupational Safety，Beijing 100026，China）

ShenJia Yu tailing dam is a second class of height 138m.At present，the dam structure were changed because the discharging method instead of dry tailings，so the work of seismic dynamical analysis should be carried out.Based on the geologic condition and physics mechanics parameters of soil layers，the geometric model of the central section of the dam was built.Seismic dynamica state of tailing dam was calculated in process of wilson-θstep-by-step integration and equivalence linear.The tailing dam seismic velocity，seismic acceleration，seismic displacement，the max main stress，the max shear stress and strain，and the max interstitial hydraulic pressure and natural frequency of vibration in the dam were got.The research has shown that the tailings dam stability is improved with the dry tailings under the loading EL Centro earthquake wave，it was favorable for operation safety.

tailing dam；seismic wave；dynamical calculation；time domain method

TV641.2

A

1004-4051（2016）09-0166-05

2015-11-19

高尚青（1974-），男，碩士，2005年畢業(yè)于太原理工大學，現(xiàn)在國家安監(jiān)總局信息研究院工作，主要從事尾礦庫安全技術研究。E-mail：abcgsq123@126.com。