有限元在尾礦堆積壩體穩定性分析中的應用

張 新

（貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550003）

在實際生產過程中，舊堆場的閉庫之后，尾礦資源所開發利用時，需挖方運移所產生的邊坡大多在10-25m 間，但當遇到由于施工場地狹窄，不具備放坡條件的邊坡，此類尾礦壩體邊坡的支護形式、坡高比如何選擇，在相關的邊坡技術規范里沒有明確的規定，并且計算方法至今還不成熟，計算高度也大大超過了規范要求。所以對尾礦邊坡的高切坡研究是具有指導和參考價值的。

1 工程地質概況

（1）場區概況。某尾礦堆場堆積物為生產所產生的廢棄尾礦，初始壩為堆石濾水壩，壩頂寬度5m，壩頂高程894m。尾礦堆場總體呈南東—北西塊狀展布，長約1200m，平均寬約700m，高度約75，面積約90 萬m2，填埋高程870m～942m，有效庫容約2875 萬立方米，目前尾礦堆積高程約930m，筑有8 級子壩。目前尾礦堆積高程約925m，如圖1 所示。

圖1 尾礦堆場壩體局部

（2）尾礦物理參數選取。從現場勘察取得的74 個尾礦樣，對所采取的尾礦樣用于指標及分類試驗、強度試驗、有效孔隙確定和透水性測試，并且取樣4 件一組對其進行固結不排水（CU）靜三軸剪切試驗，固結不排水剪為試樣先進行飽和（采用反壓飽和）、其飽和度大于97%厚分別在不同周圍壓力100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下進行固結，固結完成后在不排水條件下試驗分別按不同圍壓100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下，施加軸向壓力進行剪切直至破壞。據測試結果得出下表：試驗結果統計表如下：

表1 試驗數據統計表

2 Midas GTS數值模型建立

2.1 軟件介紹

Midas GTS 數值模擬分析軟件是目前國內主流的一款適用于大型邊坡模擬的數值分析工具，其軟件自帶國內外各種經典的本構模型，滿足任何工況下的模擬分析，并且軟件的可靠度已經通過國家權威機構認定，在本次模擬計算中，為了方便對邊坡進行設計與內力驗算，決定采用彈性力學經典的分析方法-結構—荷載法。本次模擬的尾礦大型壩體邊坡由于具有遇水膨脹的特性性，因此在進行結構分析時，將結構的熱傳遞單元DC3D6 轉化為其對應的結構分析3D stress 單元類型，即C3D6R，錨桿鋼筋由熱傳遞單元DC1D2 轉化為結構分析單元Truss 單元類型，即T3D2。

2.2 邊界條件的設置

下面對尾礦在重力荷載的靜壓力下二維穩態受荷模型的邊界條件處理如下。

其中，Tport為壩體內邊界進出口溫度；T0為壩體外界環境溫度。為便于模擬結果的對比，并且根據以往的相似模擬實驗溫度值，并考慮到施工工況的影響，將壩體外界環境與入口處初始溫度設置為 22℃。

（2）巷道內外墻壁邊界條件。根據以往模擬經驗，本次模型的邊界條件將壩體結構內側與外側圍巖接觸面按第三類邊界條件處理，數學表達式如下：

（3）位移邊界。根據假設，巖體兩側側壓力相等，因此邊界條件設置為對稱邊界，即限制Y 軸和Z 軸的旋轉自由度，與X 軸的位移自由度。

2.3 分析步設置

在Midas GTS幾何模型材料及網格劃分完畢后，選用靜力分析步中的邊坡靜力分析。根據經驗將總計算步長設為1500，增量為1；初始條件下將所有節點溫度設置為25℃，并且從第一步開始開始加載，增量為1，并將前面計算分析得到的溫結果加載到有限元分析的模型之中。數值模型建下圖2所示。

圖2 數值模型建

3 計算結果分析

圖3 天然工況下最大剪應變云

圖4 天然工況下總位移云

圖5 降雨工況下最大剪應變云

圖6 降雨工況下總位移云

計算結果分析：總體上看壩體盡管高度較高，但是總體相對穩定；由上面模擬計算可知，尾礦邊坡的主要剪應變集中區域在邊坡的后緣，這是由于在堆積過程中后面坡度較前緣陡很多，并且堆積較松散；相反由于前緣坡度減緩所以剪應變小，沒有形成明顯的滑裂帶。在應變圖上可以看出滑坡前緣有局部地區剪應變值較大，這是因為滑坡前緣臨空，受到后緣和中段較大的下滑力作用，且地層分界差異較大。

從圖中可以看出，自然條件下滑坡的最大剪切應變為0.13，降雨條件下的剪切應變為0.35。隨著剪切應變值的增加，地質滑坡的穩定性大大降低。模型在自然條件下的上部巖土的剪切應變基本為0.06，在降雨條件下模型的上部巖土的剪應變值基本上為0.1，表明在降雨條件下，雨暈增加。

Midas gts 中的位移云圖看到尾礦壩體在不同位置的變化。這里需要說明的是，云圖中的位移值不是實際的滑坡位移值，而是尾礦礦物在多次降低指標后尾礦壩體破裂時形成的位移，這與現實中滑坡的真實位移不一致。在不同的收斂指標下，計算步驟不同，最終位移值也不同。因此，位移云圖仍然是研究滑坡穩定性和變形破壞的重要內容。

4 計算結果與現行規范計算結果校核

在充分考慮地質研究區域野外原位測試、室內常規試驗、直剪試驗等各種試驗條件的基礎上，并結合各層巖土的天然重度γ、飽和重度γsat、粘聚力c 和內摩擦角φ、水下粘聚力c 和水下內摩擦角φ，分別分析正常運行狀態與洪水運行狀態（飽和狀態）時，尾礦堆積壩的穩定性，依據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2002）5.2.3，采用瑞典圓弧滑動法，在不考慮地質邊坡變化荷載影響的情況下，用“理正巖土計算5.0 版”算各坡體的穩定性，計算時考慮了地下水的滲透力，并采用瑞典條分法結合總應力法：

表2 壩體穩定分析計算成果表

因《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006-2005）中3 級壩體的抗滑穩定最小安全系數（瑞典圓弧滑動法）在正常運行下為1.20，在洪水運行下為1.10，由表12 可看出該尾礦堆積壩不論是正常運行時還是洪水運行時壩體的抗滑穩定安全系數均大于規范要求。

5 結論與建議

（1）通過計算結果可看出，該初始壩的抗穩定性較好，安全系數較高，這與有限元計算結果相吻合。

（2）由模擬計算可知降雨工況下，尾礦壩體最大剪應變急劇增大，因此應警惕暴雨對壩體穩定性的影響。

（3）本文的三維模型效果較好，其建模參數和網格劃分以及計算結果均可以作為相同類型項目作為參考。

（4）建議干堆尾礦邊坡必須控制堆積高度（小于25m），并沿整個坡體面均勻分布堆積；必須布置排滲設施，隨時保持堆積頂部工作面的平整；應在坡頂工作面前沿臨空面后退30m 設安全警戒線；雨季（下暴雨）必須停止進行尾礦的堆填作業，將人員及機械設備退后至安全警戒線以外；對壩體進行變形觀測、浸潤線的觀測以及初始壩的滲流進行檢測，定期（每增加二級）對壩體穩定性進行復核驗算；壩體在做堆積時嚴格采用設計的上游坡和下游坡比；進一步完善壩面排水溝和植被覆蓋或綠化、壩肩截水溝、觀測設施。