高地震烈度區干濕結合筑壩尾礦庫壩體抗震穩定分析

董 垚，李光兆

（銅源國際工程設計研究有限公司，河北 秦皇島 066000）

關健詞：尾礦壩；有限元分析；動力分析

中國是一個礦業大國，據統計，我國目前尾礦庫9000余座，尾礦庫作為具有高勢能的重大危險源，一旦潰壩將造成下游大量人員傷亡，同時還會嚴重威脅環境安全[1，2]。

根據世紀大壩委員會（ICOLD）的分析，在尾礦庫失事類型中，地震破壞是主要原因之一[3]。自20世紀初以來，國內外均發生過由地震引起的尾礦庫事故，如1965年3月智利中部發生7.25級地震，該地區11座尾礦庫中10座遭到嚴重破壞，死亡210人[4]；1976年7月28日唐山大地震，天津堿廠尾礦庫發生液化破壞，波及范圍0.7km2[5]；2008年我國略陽縣發生地震，7座尾礦庫受損嚴重[6]。作為一個地震多發國家，尾礦壩的動力穩定性一直是研究人員關系的重點問題。魏作安等[7]以龍都尾礦庫為例，分析了壩體在地震作用下的位移、空壓分布規律；王文松等[8]通過筑壩模型試驗及數值模擬，論證了細粒尾礦在高地震烈度地區筑壩的可行性；徐志英等[9]運用有限元法分析了德興銅礦4#尾礦庫地震時的液化情況和地震穩定性。

位于甘肅的某尾礦庫，地處8度地震區，尾礦庫運行至設計標高，但其庫型條件較好，企業擬對該尾礦庫進行擴容，其抗震問題成為必須解決的首要問題。結合企業規劃及抗震需要，確定壩體擴容方案為現狀壩體上游采用濕式排放加高，下游采用干尾礦壓坡加固。這種壩型的抗震穩定性是其能否安全實施的重要因素，對此深入研究將對指導高地震烈度區尾礦庫建設具有重要意義。本文通過對該尾礦庫進行三維動力計算，分析了壩體動力響應、永久變形、動力安全系數等物理量，研究結果為相似工程提供參考。

1 工程概況

擬擴容尾礦庫初期壩高83.0m，壩頂標高1430.0m，壩頂寬12.0m；堆積壩高123.0m，平均坡比1:5.0。尾礦庫最終堆積標高1553.0m，總壩高206.0m，總庫容約3307.0×104m3，屬二等庫。為了保證其擴容后的抗震穩定性，在尾礦壩1480.0m以下采用干尾礦加固尾礦壩，形成干尾礦加固體，平均坡比1:3.5，尾礦庫模型如圖1所示。

圖1 尾礦庫三維模型圖

2 研究內容

對干濕結合尾礦壩進行抗震有限元分析，主要涉及采用等效線性模型進行動力時程分析；采用沈珠江模型計算壩體永久變形；采用最小平均安全系數法[8]進行動力穩定判別。

3 地震作用

尾礦壩動力計算時，采用固定邊界的無質量地基模型，在固定邊界無質量地基模型中，通過直接在尾礦壩上輸入地震加速度時程來模擬地震效應。庫區的抗震設防烈度為Ⅷ度，場地類別為Ⅱ類，設計基本加速度0.20g，特征周期為0.4s，阻尼比以5%計。地震波加速度時程曲線如圖2所示，圖中加速度峰值為單位加速度。

圖2 順河向加速度時程曲線

4 計算結果

4.1 動力響應

考慮地震作用，輸入地震波對壩體的動力響應進行分析，不同標高特征節點信息及加速度響應情況見表1。

表1 特征節點動力響應信息表

在特征地震波的作用下，庫區頂部E點三個方向放大系數分別為5.40、5.18、和4.83。三個方向的加速度響應隨位置增高而變大，壩體越高，加速度響應現象越明顯，這是由于加速度地震波從下到上傳播，且在傳播過程中沿高度逐漸放大，在壩頂鞭稍效應響應最大。順河向（X向）加速度最大，這是由于尾礦壩下游方向臨空，在水平向振動剛度較小。

4.2 永久變形

尾礦庫運行至最終堆積標高1553.0m時永久變形計算結果如表2所列。尾礦壩x向永久變形為0.115m，出現在干尾砂壓坡體坡體表面；y向永久變形左右兩側基本呈對稱狀態，左右岸變形量基本相等；z向變形最大量位于堆積壩下游側，計算最大變形量為0.556m，約占壩高的0.261%。

表2 尾礦壩1553.0m高程地震作用下永久變形量

4.3 動力穩定

現行規范對時程法的動力安全系數的取值沒有統一標準。基于有限單元法動力分析的直接結果是求得壩體和地基土層中地基反應，包括反應加速度、動剪應力和剪應變。由于動剪應力隨震動時間而不同，壩坡的動力抗滑穩定安全系數也是時間的函數。

在沖擊荷載作用下，壩坡在瞬間進入失穩狀態并不一定徹底破壞，本研究采用最小平均安全系數法[10]作為評判標準進行壩坡地震穩定性評價，其表達式為：

Fd=Fs-0.65（Fs-Fd0）

式中：Fd為動安全系數，Fs為靜安全系數，Fd0為地震瞬時最小安全系數。

尾礦壩主剖面邊坡動力安全系數時程曲線如圖3所示，最小平均安全系數為1.071，平均安全系數為1.315，以最小平均安全系數作為評價指標，滿足安全系數要求。

圖3 動力安全系數時程曲線

5 結論

本文以位于高烈度地震區的某干濕結合尾礦庫為例，對其進行動力穩定性分析，結論如下。

（1）尾礦壩加速度響應現象隨壩高增高而劇烈，鞭稍效應明顯。

（2）尾礦庫地震作用下庫區頂部沉降量最大，且呈層狀分布。

（3）尾礦壩在動力條件下邊坡穩定系數能滿足規范要求，最小平均安全系數法較之平均安全系數法更為保守，更有利于安全。

（4）在高烈度地震區域尾礦庫加高擴容工程中，可采用下游干尾礦貼坡加固，上游濕排加高的方法，提高壩體抗震性能。