赤泥堆場(chǎng)靜動(dòng)力試驗(yàn)與穩(wěn)定性分析研究

高 翔朱永濤張少雄

(1.河北省水利工程局，河北 石家莊 050000；2.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050000)

赤泥是氧化鋁冶煉過程中產(chǎn)生的高堿性工業(yè)廢渣，含氧化鐵較多，呈棕紅色。我國(guó)赤泥堆存量逐年遞增，赤泥堆場(chǎng)的規(guī)模也逐漸增大，其安全穩(wěn)定性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地震是造成赤泥堆場(chǎng)和尾礦庫事故的第二大原因。因此非常有必要對(duì)赤泥堆場(chǎng)和尾礦庫的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)對(duì)尾礦庫地震動(dòng)力響應(yīng)的研究主要采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法。崔冠哲等[1]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)尾礦庫地震動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行研究，認(rèn)為尾礦庫的動(dòng)力響應(yīng)與作用地震波的加速度峰值成負(fù)相關(guān)的關(guān)系，永久位移隨著高程的增加而變大，存在高程效應(yīng)。曹進(jìn)海等[2]針對(duì)尾礦壩的動(dòng)力響應(yīng)問題，基于完全非線性動(dòng)力分析理論,利用有限差分軟件FLAC3D，分析計(jì)算了尾礦壩地震響應(yīng)，獲得了尾礦壩在地震作用下的加速度放大系數(shù)、動(dòng)位移、有效應(yīng)力及庫區(qū)液化的動(dòng)力響應(yīng)特性。張力霆等[3]基于ABAQUS二次開發(fā)，采用有效應(yīng)力法對(duì)尾礦壩進(jìn)行三維動(dòng)力反應(yīng)及液化分析，計(jì)算了正常運(yùn)行尾礦壩在水平地震波影響下的加速度、動(dòng)剪應(yīng)力、動(dòng)孔壓增長(zhǎng)模式及液化區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)。尹光志等[4]綜合采用時(shí)程分析法、整體變形分析法(等效節(jié)點(diǎn)力法和軟化模量法)、極限平衡法等方法，以小打鵝尾礦庫為例，分析了該高堆尾礦壩的永久變形和動(dòng)力穩(wěn)定性。結(jié)果表明：尾礦壩的地震永久變形與一般土石壩的存在差異，其水平方向的永久變形大于豎直方向的永久變形，且永久變形與壩高不一定成單調(diào)遞增關(guān)系。

本文采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)山西省趙家墕赤泥堆場(chǎng)動(dòng)力穩(wěn)定開展研究，首先利用土工試驗(yàn)測(cè)定赤泥的基本物理性質(zhì)、鄧肯-張本構(gòu)參數(shù)、動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)模量和阻尼比等相關(guān)參數(shù)，為赤泥堆場(chǎng)的動(dòng)力穩(wěn)定數(shù)值模擬提供支撐。采用時(shí)程分析法對(duì)地震作用下的赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)力分析，研究赤泥堆場(chǎng)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和永久變形，對(duì)動(dòng)力穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。本文研究成果可為干法赤泥堆場(chǎng)的安全穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)，也可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

本文所研究的赤泥堆場(chǎng)采用濾餅干法堆存工藝，最大壩高153m，平均外坡比1∶4。堆場(chǎng)共有8個(gè)填筑區(qū)，按順序依次填筑。赤泥堆筑方法是從堆場(chǎng)上游逐漸向下游逐級(jí)臺(tái)階式堆放，赤泥的堆放采用自下向上分層碾壓的方式，晾曬、碾壓應(yīng)分壩段均衡進(jìn)行，并始終保持向攔擋壩方向1%的坡度坡，使雨水能順暢排至下游。赤泥堆場(chǎng)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 赤泥堆場(chǎng)設(shè)計(jì)

赤泥堆場(chǎng)所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.40s。

2 赤泥材料靜動(dòng)力分析參數(shù)試驗(yàn)

為確定赤泥堆場(chǎng)材料的動(dòng)彈性模量和動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)赤泥材料進(jìn)行了靜、動(dòng)力參數(shù)試驗(yàn)。赤泥試樣控制干密度為1.40g/cm3。

2.1 赤泥材料常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)

2.1.1 界限含水率試驗(yàn)

對(duì)樣品分別進(jìn)行比重和界限含水量試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)以及壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。通過試驗(yàn)得到赤泥塑性指數(shù)為21.7，屬于黏土。

表1 赤泥比重和界限含水量試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 滲透試驗(yàn)

赤泥試樣滲透試驗(yàn)結(jié)果見表2，由試驗(yàn)結(jié)果可知赤泥材料透水性較小。由于赤泥材料為擾動(dòng)試樣，本試驗(yàn)按上述密度重塑土樣，由滲透試驗(yàn)獲得滲透系數(shù)。

表2 赤泥材料的滲透系數(shù)

2.1.3 壓縮實(shí)驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)依然采用重塑試樣進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 赤泥重塑土樣的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2.2 非線性靜力試驗(yàn)

對(duì)赤泥材料進(jìn)行鄧肯-張E-B本構(gòu)模型參數(shù)試驗(yàn)，設(shè)定三軸試驗(yàn)圍壓為100kPa、200kPa和300kPa，測(cè)量了靜力條件下的黏聚力和內(nèi)摩擦角、ε1/(σ1-σ3)-ε1關(guān)系、偏應(yīng)力載荷下體應(yīng)變和B-σ3關(guān)系。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了鄧肯-張E-B本構(gòu)模型7個(gè)參數(shù)，參數(shù)具體值見表4。

表4 鄧肯-張本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 動(dòng)力試驗(yàn)

在給定的動(dòng)應(yīng)力和不排水條件下，按1Hz的振動(dòng)速率對(duì)試樣軸向施加動(dòng)應(yīng)力幅的循環(huán)荷載，測(cè)定其動(dòng)模量和阻尼比的變化規(guī)律，直至試樣破壞。試樣破壞判定標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)孔隙水壓力等于側(cè)向壓力或軸向應(yīng)變?nèi)_(dá)到5%。

赤泥材料的動(dòng)模量、動(dòng)阻尼比試驗(yàn)在不同固結(jié)應(yīng)力比(Kc=σ1/σ3=1.0、1.5、2.0)條件下，分別采用三種圍壓(σ3=100kPa、200kPa和300kPa)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)固結(jié)變形穩(wěn)定后的試樣由小到大逐級(jí)增加動(dòng)荷載，在垂直振動(dòng)三軸儀上直接測(cè)定出動(dòng)軸向應(yīng)力σd和可恢復(fù)的動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)興，計(jì)算得出動(dòng)黏聚力cd、動(dòng)內(nèi)摩擦角φd、動(dòng)剪切模量Gmax和阻尼比λ。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 赤泥材料動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果

3 赤泥堆場(chǎng)動(dòng)力穩(wěn)定模型

3.1 模型建立

依據(jù)地形資料和設(shè)計(jì)資料建立赤泥堆場(chǎng)動(dòng)力穩(wěn)定三維分析模型，見圖2。采用四面體網(wǎng)格對(duì)赤泥堆場(chǎng)模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸大小為20m，網(wǎng)格總數(shù)10235個(gè)，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 赤泥堆場(chǎng)模型

圖3 模型網(wǎng)格劃分

3.2 模型參數(shù)

采用鄧肯-張本構(gòu)模型描述赤泥材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在數(shù)值模型中輸入鄧肯-張參數(shù)，設(shè)置動(dòng)彈模量和阻尼比。

依據(jù)赤泥堆場(chǎng)所在區(qū)域的地震參數(shù)，采用2個(gè)實(shí)測(cè)地震波和1個(gè)人工合成地震波進(jìn)行模擬，地震持續(xù)時(shí)間為35s。根據(jù)尾礦庫所在場(chǎng)地特性，實(shí)測(cè)地震波采用ElCentro地震波和Taft地震波，按設(shè)計(jì)峰值加速度和振動(dòng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整得到地震時(shí)程曲線。根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50191—2012)規(guī)定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成1個(gè)人工地震波。3個(gè)地震波時(shí)程反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的關(guān)系見圖4。從圖4中可以看出，3個(gè)地震波反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜吻合較好，表明地震波選取較為合理。

圖4 選用地震波反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

4 動(dòng)力穩(wěn)定模擬結(jié)果分析

4.1 非線性靜力分析

對(duì)赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行三維非線性靜力計(jì)算得出赤泥堆場(chǎng)各單元靜應(yīng)力水平，見圖5。從圖5中可以看出，赤泥堆場(chǎng)在靜力作用下各個(gè)單元靜應(yīng)力水平都小于1，最大值為0.81，表明赤泥堆場(chǎng)在靜力作用下可以保證穩(wěn)定。

圖5 赤泥堆場(chǎng)靜應(yīng)力水平

4.2 動(dòng)力反應(yīng)分析

對(duì)3個(gè)地震波作用下赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行了動(dòng)力反應(yīng)分析，選取壩高最大的Ⅲ區(qū)和Ⅵ區(qū)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表6。由表6可知，Ⅲ區(qū)壩頂水平方向加速度放大系數(shù)最大為1.58，豎直方向加速度放大系數(shù)最大為1.36；Ⅵ區(qū)壩頂水平方向加速度放大系數(shù)最大為1.89，豎直方向加速度放大系數(shù)最大為1.39。Ⅵ區(qū)整體的動(dòng)力反應(yīng)大于Ⅲ區(qū)的動(dòng)力反應(yīng)，由于Ⅵ區(qū)壩體臨空面長(zhǎng)度為654m，Ⅲ區(qū)壩體臨空面長(zhǎng)度為366m，壩坡均為1∶4，較大的臨空面長(zhǎng)度造成Ⅵ區(qū)壩體動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)較大。

表6 壩體動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算結(jié)果

4.3 永久變形分析

對(duì)3個(gè)地震波作用下最終堆積標(biāo)高時(shí)赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行了永久變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。從計(jì)算結(jié)果對(duì)比來看，3個(gè)地震波計(jì)算出的最大永久變形分布規(guī)律相似，最大值相差不大，計(jì)算結(jié)果沒有明顯的離散性。赤泥堆場(chǎng)永久變形以豎向沉降變形為主，水平變形相對(duì)較小。由于三種地震波下壩體變形特征相似，在此僅給出ElCentro地震波下的壩體位移云圖，見圖6～圖8。由此可知，水平位移較大的部位均出現(xiàn)在各區(qū)堆壩的頂部附近區(qū)域，水平兩個(gè)方向的位移值基本相等；豎向沉降變形較大的部位發(fā)生在Ⅵ區(qū)壩頂和Ⅵ區(qū)壩頂附近，此處赤泥堆積厚度較大，因此豎向沉降較大。

表7 赤泥堆場(chǎng)永久變形 單位：m

圖6 赤泥堆場(chǎng)水平方向(平行壩軸線)永久變形

圖7 赤泥堆場(chǎng)水平方向(垂直壩軸線)永久變形

圖8 赤泥堆場(chǎng)豎向永久變形

5 結(jié) 語

本文對(duì)山西趙家墕尾礦赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行了動(dòng)力穩(wěn)定研究，首先對(duì)赤泥材料進(jìn)行了靜、動(dòng)力試驗(yàn)研究，得到赤泥材料的靜力和動(dòng)力基本力學(xué)參數(shù)；然后對(duì)赤泥堆場(chǎng)的動(dòng)力穩(wěn)定進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到非線性靜力、動(dòng)力反應(yīng)和永久變形等特征指標(biāo)，總結(jié)如下。

5.1 赤泥材料靜、動(dòng)力試驗(yàn)

采用鄧肯-張本構(gòu)模型描述赤泥材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對(duì)赤泥材料進(jìn)行靜力和動(dòng)力試驗(yàn)，得到了赤泥材料的基本物理力學(xué)參數(shù)和鄧肯-張本構(gòu)模型7個(gè)參數(shù)，為進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定數(shù)值模擬提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5.2 動(dòng)力反應(yīng)分析

選取Elcentro地震波、Taft地震波和人工合成地震波對(duì)赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析，得到各個(gè)堆積區(qū)域的壩體動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)。結(jié)果表明：壩頂水平加速度放大系數(shù)最大為1.89，壩頂豎向加速度放大系數(shù)最大為1.36。加速度放大系數(shù)均在合理范圍之內(nèi)，赤泥堆場(chǎng)壩頂總體反應(yīng)不大。

5.3 永久變形分析

選取Elcentro地震波、Taft地震波和人工合成地震波對(duì)赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行永久變形模擬，得到不同地震波作用下赤泥堆場(chǎng)水平方向和豎直方向永久變形。結(jié)果表明赤泥堆場(chǎng)在地震作用下的變形以豎向沉降為主，最終壩高時(shí)赤泥堆場(chǎng)豎向最大變形為0.50m，水平方向變形較小，赤泥堆場(chǎng)永久變形總體不大。