基于地質勘查與數值模擬的尾礦壩穩定性研究

李克達 陳冬華 王樹達

(1.華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000； 2.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧 阜新 123000)

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基于地質勘查與數值模擬的尾礦壩穩定性研究

李克達1陳冬華1王樹達2

(1.華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000； 2.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧 阜新 123000)

以擬建石門溝尾礦庫壩為研究對象，采用有限元數值模擬軟件ADINA，建立了三維數值模型，并結合尾礦庫地質勘查資料，分析了尾礦壩的穩定性，結果表明：擬建尾礦壩穩定性系數為4.35，壩體對其材料抗剪強度要求并不高，可因地制宜，就地選用庫區內兩側山體中的巖石作為壩體材料。

尾礦壩，地質勘查，數值模擬，穩定性

0 引言

我國存在8 000余座大規模尾礦庫，壩體滑坡等事故頻發，對國家、企業、人民的財產甚至是生命造成重大威脅[1,2]。因此，對尾礦庫壩體進行準確的穩定性分析和科學評價具有重要意義。隨著計算機有限元仿真技術的發展，使尾礦壩穩定性分析更趨于多元化。ADINA作為大型非線性有限元仿真軟件，具有良好的人機交互界面，對于非線性復雜問題求解易于收斂[3]。文中以石門溝尾礦庫擬建初期壩為研究對象，進行水文、地質勘查，確定壩體數值模擬計算參數，通過ADINA數值模擬手段進行穩定性分析，為擬建尾礦壩提供理論依據。

1 工程概況

灤平縣道意誠黃金選廠擬建石門溝尾礦庫位于灤平縣五道營鄉五道營村石門溝內，為山谷型尾礦庫。初期壩為透水堆石壩，壩頂標高630 m。根據擬建的建(構)筑物規模、功能特征，同時依據GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)和AQ 2006—2005尾礦庫安全技術規程的有關規定，可知擬建的建(構)筑物工程重要性為一級，場地復雜程度為二級，地基復雜程度為二級，尾礦庫為四等庫，工程勘察等級屬甲級。擬建尾礦庫庫區位于相對獨立的山谷之中，溝底縱坡度較緩，水文地質條件簡單，壩區發生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的可能性小，尾礦庫采用干堆，對下游地下水環境影響較小。尾礦庫下游2 km范圍內，無重要設施，無全國和省重點保護名勝古跡；避開了地質構造復雜、不良地質現象嚴重區域；尾礦庫下無有開采價值的礦床；周圍無鐵路、水庫、高壓線路等。

2 尾礦庫地質勘查

2.1 地形地貌勘查

本區地處燕山山脈中段，為低山區，尾礦庫所在的溝谷中，地勢北高南低，海拔高程在569 m～811 m之間。擬建尾礦庫為山谷型尾礦庫，尾礦庫溝谷走向為近于南北。溝谷橫斷面呈“V”形，主溝谷長約120 m，西側支溝為大牛圈子溝，溝谷長約210 m。谷中有一正在運行的尾礦庫，壩頂標高約為607 m，壩底標高約為595 m,初期壩高12 m,為四等庫。庫區兩側山體高處基巖裸露，植被發育一般。東側為狼洞溝，溝谷長約280 m，溝谷較窄，兩側山體植被覆蓋較好，新建尾礦庫主溝谷內局部被第四系覆蓋，溝口較窄，庫區兩側山體傾角約40°～75°，兩側山體第四系覆蓋層較薄,山頂巖石基本裸露。庫區溝谷及兩側植被較發育，植被以松樹為主，植被覆蓋率可達80%。

2.2 地質構造

3 尾礦壩穩定性的數值仿真分析

3.1 模型的建立

根據實際勘查結論及室內實驗結果，確定數值模擬材料參數如表1所示。以擬建初期壩尺寸為依據，將其輸入有限元軟件ADINA中，建立3D數值仿真模型。材料選用摩爾庫侖模型，模型臨空面為自由約束，側面采用水平約束，底面采用固定約束，并采用應力導入法平衡模型地應力。

表1 各土層參數

3.2 模擬結果分析

通過有限元后處理結果文件提取水平位移云圖，如圖1所示。可見初期壩頂具有向下滑移趨勢，但位移很小，最大僅為7 mm，其他位置穩定性良好。豎向位移最大值為5 mm，云圖分析結果與水平位移結論相同，云圖略。

從坡腳到壩頂均勻選取A～F 6個觀測點，提取對應點水平位移及豎向位移數值，并繪制成曲線圖如圖2,圖3所示。無論水平位移還是豎向位移，坡腳位移值均很小，但后期該位置的變形必須重點關注，坡腳的破壞很可能會導致整體壩體的滑塌。位移坡頂處E點的水平位移和豎向位移值為最大，而最靠近坡頂的F點卻不是最大，這是由于模型仿真分析所施加的約束導致的。總體上，壩體的水平位移和豎向位移值均在容許值范圍之內，表明擬建壩體穩定性很好。

進一步采用強度折減法對壩體穩定性進行分析，在仿真軟件材料參數輸入界面中逐次對壩體材料粘聚力及摩擦角進行折減，直至對應壩體臨界狀態，將折減前后抗剪強度參數相除，獲取的比值即為對應壩體安全系數，得出安全系數為4.35，穩定性滿足要求[4,5]。

由擬建壩體材料參數可見，維持壩體穩定的抗剪強度要求并不高，壩體填筑材料可根據“因地制宜，就地取材”的筑壩原則，擬建尾礦庫初期壩材料可采用庫區內兩側山體中的巖石，但需預先將覆蓋在山體表層的第四系松散覆蓋層及強風化層剝離，采用新鮮巖石塊體筑壩，如筑壩材料不足，可采用附近露天采礦場所剝離的新鮮廢石補充。

4 結語

通過采用現場勘查結合有限元數值模擬的手段，對擬建石門溝尾礦庫壩穩定性進行研究，得出結論如下：1)通過詳細的巖土勘查，確定了石門溝尾礦庫的地形地貌、水文地質構造等相關信息，為壩體穩定性分析提供了基礎資料;2)通過數值仿真建立了三維數值仿真模型，分析結果表明擬建尾礦壩穩定性很好，安全系數為4.35;3)結合尾礦壩數值模擬參數分析可知，擬建壩體對其材料抗剪強度要求并不高，可因地制宜，就地選用庫區內兩側山體中的巖石。

[1] 陳冬華.尾礦壩邊坡地質勘查及穩定性研究[J].山西建筑,2016,42(11):83-85.

[2] 鄭 欣,李全明,許開立.考慮變量相關性的尾礦壩坡失穩潰壩概率計算方法[J].中國安全生產科學技術,2015,11(2):23-27.

[3] 張淑坤,楊 逾,李永靖,等.老采空區對地表公路安全穩定性影響研究[J].中國安全科學學報,2014,24(12):57-62.

[4] 趙尚毅,鄭穎人,時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報,2002,24(3):343-346.

[5] 連鎮營,韓國城,孔憲京.強度折減有限元法研究開挖邊坡的穩定性[J].巖土工程學報,2001,23(4):407-411.

Stability study of the tailings dam based on the geological exploration and numerical simulation

Li Keda1Chen Donghua1Wang Shuda2

(1.514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China;2.SchoolofCivilEngineering&Transportation,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Taking proposed Shimen ditch tailing dam as the research target, the paper applies finite element numerical simulating software ADINA, establishes tri-dimension numerical model, and analyzes the tailing dam stability by combining with tailing dam geology survey data. Results show that: the proposed tailing dam stability coefficient is 4.35, the dam has little demand for its material shearing-resisting strength, which will be suitable for selecting lateral rock as the dam material.

tailing dam, geological survey, numerical simulation, stability

1009-6825(2017)11-0094-03

2017-02-08

李克達(1980- )，男，工程師

P624

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