礦山尾礦壩滲流及穩(wěn)定性分析

胡逸捷，張麗娜，余祥（東華理工大學建筑工程學院，南昌330013）

礦山尾礦壩滲流及穩(wěn)定性分析

胡逸捷，張麗娜，余祥
（東華理工大學建筑工程學院，南昌330013）

基于滲流耦合及穩(wěn)定性分析理論，采用非線性有限元軟件ABAQUS,對某尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性進行了模擬分析，并與傳統(tǒng)的極限平衡方法運算結果進行對比，得出抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)。模擬得到的穩(wěn)定系數(shù)因考慮了滲流耦合作用,更為安全，同時引入了強度折減法并綜合塑性區(qū)和位移云圖，使得穩(wěn)定系數(shù)的取得更具可靠性。

尾礦壩；穩(wěn)定系數(shù)；滲流；ABAQUS

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.009

1　引言

尾礦壩作為尾礦庫設施的重要組成部分，隱伏著巨大的安全隱患，是事故易發(fā)部位，其穩(wěn)定與否，直接決定了尾礦庫能否正常使用[1]。在各國的礦山事故中，由于尾礦壩工程的失效而引起嚴重危害的事例不勝枚舉，尾礦壩的安全問題已成為尾礦庫安全工作最為重要的內容[2]。目前，工程上對尾礦壩通常簡化成一般邊坡或水壩，采用傳統(tǒng)的極限平衡方法[3]（包括圓弧滑動法、簡布法、畢肖普法等）。極限平衡法雖然原理簡單，但所獲得的成果可靠性不足，反映的信息量也不足。

數(shù)值模擬分析法得益于計算機技術的發(fā)展，近年來逐漸得到推廣，國內外眾多研究機構開發(fā)了如ABAQUS等數(shù)值模擬軟件，使得工程上可更加充分地考慮滲流耦合、復雜邊界等因素，得出可靠的壩體穩(wěn)定系數(shù)及其他信息，為其設計和施工做指導[4，5]。本文基于滲流耦合及穩(wěn)定性分析理論，采用功能強大的非線性有限元軟件ABAQUS對某尾礦壩進行了模擬分析，并與傳統(tǒng)的極限平衡方法運算結果進行對比分析，對尾礦壩滲流及穩(wěn)定性進行了分析。

2　實例分析

2.1工程概況

該尾礦壩按施工時間和作用分為初期壩和后期壩，壩基為中—微風化千枚巖（可視為隔水層），施工前做過清基，巖體完整性較好，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好。兩側為巖性邊坡，未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑裂跡象，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好。

壩頂標高208m，上游庫內水位標高約218.0m，下游水位出溢點約82.0m，會產(chǎn)生滲透力。在穩(wěn)定滲流作用下，對下游壩面（自由面）穩(wěn)定性不利，因此需對下游壩坡進行穩(wěn)定性分析。

壩體自上而下由4個單元層組成：①尾細砂；②尾粉砂，可按簡化的均質砂土層計算，其滲透速率與孔隙比的關系見表1，孔壓與飽和度的關系見表2；③黏土堆石料（初期壩），初步判斷滑面不會穿過該層，對黏聚力和摩擦角放大處理；④中風化千枚巖巖體完整性較好，可視為剛體。

表1　滲透速率隨壓強或孔隙比變化

表2　孔壓與飽和度經(jīng)驗關系

2.2北京理正軟件穩(wěn)定性分析

不考慮地震作用，基于瑞典法、簡布（Janbu）法和畢肖普(Bishop)法，按《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274—2001)中的圓弧滑動法,計算該尾礦壩在穩(wěn)定滲流（人工擬入）作用下安全系數(shù)，滑面采用指定圓心及搜索范圍或自動搜索最危險滑裂面的辦法確定[6-9]。計算簡圖如圖1所示，天地震作用穩(wěn)定滲流期的安全系數(shù)匯總見表3。

圖1　計算簡圖

表3　安全系數(shù)匯總表

2.3ABAQUS滲流及穩(wěn)定性分析

當前壩體處于穩(wěn)定滲流期，按上述工況建立模型，上游壩坡按公式(1)設置孔壓邊界，底部設滲透速率為1.0×10-5m/s的2.5m厚砂石排水層，壩基默認為不透水邊界，網(wǎng)格單元類型為CPE4P（4節(jié)點平面應變孔壓單元），按滲流與應力耦合原理，利用ABAQUS建立非飽和滲流二維模型。

式中,Ph為平均應力，MPa;Yh為單位應力下的水平位移，mm。

通過ABAQUS后，處理模塊獲得的孔壓等值線云圖及飽和度等值線云圖如圖2和圖3所示。

圖2　孔壓等值線云圖

圖3　飽和度等值線云圖

由圖2可知，壩體中同時存在飽和滲流和非飽和滲流，壩體右上角存在負壓，為非飽和區(qū)，其他部位為飽和區(qū)，庫水從上游流至下游，由飽和區(qū)流入非飽和區(qū)。由圖3可知，紅線為浸潤線，浸潤線以下飽和度100%，浸潤線以上飽和度逐漸減小，對應的負孔壓逐漸增大，即基質吸力逐漸增大。浸潤線呈曲線下降，由于初級壩滲透性較差，經(jīng)過初期壩后曲線下降明顯，因大滲透性褥墊層的存在，使得曲線最后坡度變緩，下游溢出點在壩趾以上15.0m左右，符合實際情況。依據(jù)工程資料，利用ABAQUS建立二維邊坡分析模型，根據(jù)塑性區(qū)開展和位移場分布，并運用強度折減原理，獲得尾礦壩穩(wěn)定系數(shù)。

由折減系數(shù)FV1，可得到不同折減系數(shù)下任一時刻壩體的等效塑性云圖。當折減系數(shù)為1.550，t=0.7000h時，出現(xiàn)較明顯的貫通區(qū)域，塑性云圖如圖4所示；折減系數(shù)為1.634，t=0.7563h時，塑性云圖如圖5所示；折減系數(shù)為1.641，t=0.7609h時，塑性云圖如圖6所示；折減系數(shù)為1.641時所對應的位移等值云圖如圖7所示。

圖4　FV1=1.550，t=0.7000s的塑性圖

圖5　FV1=1.634，t=0.7563h的塑性云圖

圖6　FV1=1.641，t=0.7609h的塑性云圖

圖7　FV1=1.641對應的位移等值云圖

由圖6圖、圖7可見，當折減系數(shù)為1.641時，在時間t=0.7609h時刻，壩體右上部產(chǎn)生貫通的塑性區(qū)，該區(qū)域的位移也較大，即將產(chǎn)生圓弧滑動面的趨勢。因此，該尾礦壩的安全系數(shù)取1.641。設立頂部節(jié)點點集，以該點水平位移拐彎點作為評價標準，水平位移U1隨FV1（折減系數(shù)）的變化關系如圖8所示，則安全折減系數(shù)為1.629。

圖8　U1隨FV1的變化關系

3　結語

利用北京理正邊坡軟件及ABAQUS軟件，分析得到的尾礦壩穩(wěn)定系數(shù)，均滿足《尾礦庫安全技術規(guī)程》(AQ 2006—2005)中要求的二等尾礦壩按瑞典圓弧滑動計算抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)1.250的標準，以及《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》要求的一級邊坡工程最小安全系數(shù)1.300的標準。其中，后者模擬得到的穩(wěn)定系數(shù)因考慮了滲流耦合作用而偏安全，引入了強度折減法并綜合了塑性區(qū)和位移云圖，穩(wěn)定系數(shù)的取得更具可靠性。

用ABAQUS軟件對該尾礦壩進行模擬，獲得了其現(xiàn)狀浸潤線形狀和位置，浸潤線從上游坡面至下游壩面逐漸降低，流經(jīng)初期壩時下降明顯，溢出點在下游壩趾以上約15.0m處，浸潤線以下是飽和滲流，浸潤線以上是非飽和區(qū)（負壓）。

由此可知，ABAQUS在尾礦壩穩(wěn)定性分析中具有明顯的優(yōu)勢，模擬效果與實際工況相吻合，能獲得豐富的信息量，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)還能夠動態(tài)地獲得尾礦壩安全狀況，在今后的尾礦壩工程分析與評估當中值得推廣運用。但運用該方法時，所需的參數(shù)較多；建立模型時，本構及邊界的選擇也是一項難點工作，在今后的應用中還需要進一步的進行理論研究。

【1】騰志國.關于尾礦壩地震穩(wěn)定性的分析與評價[J]．河北冶金，2003（1）：16-17.

【2】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（1）：69-71.

【3】劉勛，徐順暢.極限平衡條分法中條塊個數(shù)的影響分析[J].山西建筑，2011，37（17）：66-67.

【4】楊輝.邊坡穩(wěn)定分析的有限元極限平衡法原理及程序實現(xiàn)[D].北京：交通大學，2014．

【5】費康.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

【6】施斌.論工程地質中的場及其多場耦合[J].工程地質學報，2013，21（5）：673-680.

【7】曹雄.二維邊坡穩(wěn)定性分析的通用極限平衡法[J].鐵道工程學報，2012(6)：28-33.

【8】黃錦林，鐘志輝，張明飛.基于垂直條分法改進計算式的庫岸滑坡滑速分析[J].山地學報，2012，30（5）：555-560.

【9】鄧東平，李亮.水平條分法下邊坡穩(wěn)定性分析與計算方法研究[J]．巖土力學，2012，33（10）：3179-3188．

Seepage andStability Analysis of TailingDam in M ine

HUYi-jie,ZHANGLi-na,YUXiang
(Civiland ArchitecturalEngineering Department EastChinaUniversityof Technology,Nanchang 330013,China)

Thispaperbasedon the theoryofSeepagecouplingand Stabilityanalysis,taking thepowerfulnon-linearly finiteelement software ABQUS to make simulation analysis of tailing dam,and comparative analysis w ith the results of classical ultimate balance method.The stability factor which is consider seepage coupling effect will much safer,what's more,applying the strength reduction methodand integrating theplasticzoneanddisplacementcontour,thestability factorhavemorereliability.

tailingdam;stabilitycoefficient;seepage;ABQUS

TD742+.2

A

1007-9467（2016）11-0043-03

江西省對外科技合作計劃項目（20141BDH80027）

胡逸捷（1993～），男，江西撫州人，在讀碩士生，從事結構監(jiān)測及耐久性研究。

2016-06-17