某尾礦壩的有限元計算分析

楚金旺

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

某尾礦壩的有限元計算分析

楚金旺

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

基于壩體分區分層填筑和壩體材料非線性，采取材料分區和逐級施加荷載的方式建立尾礦壩有限元計算模型，并進行計算分析。計算結果表明該尾礦壩的變形與應力與尾礦壩的復雜地形地質條件相適應，分布較為復雜；各分區與壩基之間的變形基本協調，應力從壩頂到壩基逐漸增大，應力分布符合一般規律。剪應力水平小于1.0，未發現剪切破壞單元，但壩基含礫粉質粘土層的剪應力水平相對較高。

尾礦壩； 鄧肯- 張模型； 非線性； 應力； 位移； 剪應力水平

1 前言

某尾礦庫是我國一個大型礦山綜合開發利用項目的配套工程，主要包括尾礦壩、庫內排洪設施、上游攔排洪設施和回水設施等。該尾礦壩總壩高135m，一期壩為堆石透水壩，壩頂標高2 410m，壩高95m，二期壩為一期壩采用堆石料下游法加高30m，壩頂標高2 440m，三期壩為上游法尾礦水力充填筑壩，最終壩頂標高2 450m。

2 計算原理

該尾礦壩一期壩、二期壩采用堆石料筑壩，三期壩采用尾礦水力充填法筑壩，堆石料和尾礦的變形不僅隨荷載的大小而變化，還與加荷的應力路徑相關，應力應變關系呈現明顯的非線性。鄧肯- 張非線性模型公式簡單，參數物理意義明確且容易獲取，為應用最廣泛的模型之一。其中E—ν模型以切線彈性模量Et和切線泊松比νt作為計算參數[1～2]，切線彈性模量表達式為：

(1)

切線泊松比為：

(2)

(3)

對于卸載情況，采用回彈模量Eur進行計算：

(4)

式中：pa——單位大氣壓力；

S——剪應力水平，反映材料強度發揮程度；

K、n、Rf、G、F、D、Kur、nur——模型參數，可根據三軸試驗資料整理而得[3～4]。

3 計算模型

3.1 計算參數

根據尾礦壩壩址工程地質、一期堆石壩、二期堆石壩和三期尾礦堆積壩填筑情況對壩體進行分區，由室內三軸試驗得到壩體、壩基的鄧肯E—v模型計算參數，見表1。

表1 壩基壩料鄧肯- 張E—v模型計算參數

3.2 壩體填筑加載過程與網格剖分

根據材料分區和填筑過程，荷載采用逐級施加的方式。按照壩基、一期壩、一期壩內尾礦、二期壩、二期壩內尾礦、三期尾礦堆壩順序，將尾礦壩及壩基分為39級加載。加載過程模擬和網格剖分見圖1。

圖1 壩體填筑加載過程模擬

4 有限元計算分析

根據上述有限元計算原理、模型參數和加載過程，對該尾礦壩進行了有限元計算分析，尾礦壩的位移、應力和應力水平的最大值見表2。

表2 尾礦壩有限元計算結果(最大值)

4.1 變形

正常水位工況下，尾礦壩向下游方向的水平位移最大值為75.0cm，出現在壩體下游2 335m高程與壩基相接處，向上游方向的水平位移最大值為24.0cm，出現在庫區2 400m高程附近尾粉質粘土與尾粉砂相接處；豎直向最大沉降為290.3cm，出現在尾粉質粘土庫區2 390m高程附近處。壩軸線剖面的水平位移最大值為55.0cm，位于河床壩段的2 340m高程處，豎向位移最大值為250.0cm，位于河床壩段的2 350m高程處。尾礦壩正常水位工況下變形等值線圖見圖2a、圖2b。

洪水工況下尾礦壩變形與正常水位工況相比，水位的上升使變形有所增大，但由于水位上升較低，數值變化甚小，其分布規律與正常水位時分布規律一致。向下游方向的水平位移最大值為75.0cm，出現在壩體下游2 335m高程與壩基相接處，向上游方向的水平位移最大值為24.5cm，出現在庫區2 400m高程附近尾粉質粘土與尾粉砂相接處；豎直向最大沉降為291.1cm，出現在尾粉質粘土庫區2 390m高程附近處。壩軸線剖面的位移分布規律與正常水位時期基本一致，由于上升水位較低，數值基本不變。尾礦壩洪水工況下變形等值線圖見圖2c、圖2d。

圖2 位移等值線圖(位移單位:cm)

圖3 主應力等值線圖(主應力單位:MPa)

4.2 應力

正常水位工況下，尾礦壩第一主應力最大值為2.54MPa，第三主應力最大值為0.89MPa，均發生在二期壩體底部壩軸線位置附近。壩軸線剖面的第一主應力極值為2.40MPa，第三主應力極值為0.80MPa，均出現在河床壩基。尾礦壩正常水位工況下主應力等值線圖見圖3a、圖3b。

洪水工況下，第一、第三主應力分布規律與正常水位時期基本一致。第一主應力最大值為2.54MPa，第三主應力最大值為0.89MPa，均發生在二期壩體底部壩軸線位置附近。壩軸線剖面分布規律與正常水位時期基本相似，第一主應力極值為2.40MPa，第三主應力極值為0.80MPa，均出現在河床壩基。尾礦壩洪水工況下主應力等值線圖見圖3c、圖3d。

4.3 剪應力水平

正常水位和洪水位兩種工況下，剪應力水平分布規律基本一致，最大值均約為0.84，位于壩體下游壩基2 310m高程處，尾礦庫區內最大值為0.72，壩體內未發生剪切破壞。兩種工況下，壩軸線剖面剪應力水平分布規律基本一致，從壩頂到壩基逐漸增大，最大值約為0.80，未發生剪切破壞。尾礦壩剪應力水平等值線圖見圖4。

圖4 典型剖面剪應力水平等值線圖

5 結論

(1)尾礦壩的變形與應力分布較為復雜，這與尾礦壩的復雜地形地質條件相適應，如上游壩坡由于尾礦庫的充填減小了堆石的泊松效應，使得大壩向上游的水平位移較小；由于尾礦的力學性質參數較低，尾礦的沉降大于堆石壩本身的沉降值，最大變形位于尾礦庫內。

(2)尾礦壩計算的最大沉降變形為297.4cm，其中堆石壩的最大沉降變形為255.0cm，分別占壩高的2.2%和1.8%，大壩各分區與壩基之間的變形基本協調。尾礦壩的應力從壩頂到壩基逐漸增大，應力分布符合一般規律。大主應力最大值為2.55MPa，小主應力最大值為0.90MPa，位于堆石壩底部的覆蓋層內。

(3)尾礦壩的剪應力水平均小于1.0，尚未發現剪切破壞單元。但是壩基特別是含礫粉質粘土層的剪應力水平相對較高，這與含礫粉質粘土層天然孔隙率較高而力學參數較低有關。

[1] 王勖成，邵 敏．有限元法基本原理和數值方法[M]．北京：清華大學出版社,1997．

[2] 錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算(第二版)[M]．北京：中國水利水電出版社，1996.

[3] 曹林衛，彭向和，李 德．變形場和滲流場耦合作用下的尾礦壩靜力穩定性分析[J]．重慶建筑大學學報，2007，29(5).

[4] 殷宗澤．高土石壩的應力與變形[J]．巖土工程學報，2009，31(1)．

Finite element calculation and analysis of a tailings dam

The finite element calculation model of tailings dam was established and evaluated based on the dam fill in different partitions and layers and nonlinear materials by material partition and loading step by step. The calculation results show that the complex distribution of deformation and stress of the tailings dam adapts to complex topographic and geological conditions, the deformation between the partitions and the dam foundation is basically coordinated, the stress increases gradually from the top of the dam to dam foundation, and the stress distribution accords with the general law. The shear stress level is less than 1.0, and no shear failure unit has been found. However, the shear stress level of the gravel silty clay layer in the dam foundation is relatively high.

tailings dam; Duncan-Zhang model; nonlinear; stress; displacement; shear stress level

TD926.4+1

A

2017-- 06-- 14

楚金旺(1977-)，男，山東禹城人，高級工程師，從事尾礦庫設計工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0065-- 04