強(qiáng)震區(qū)某中線法高尾礦壩靜動(dòng)力有限元計(jì)算分析

于忠鋒，程敏

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)采用的堆壩方式主要有上游法、中線法和下游法等，每種堆壩方式都有各自的特點(diǎn)。上游法筑壩是指向初期壩上游方向沖積尾礦加高壩體的筑壩工藝，壩體與沉積灘結(jié)為一體，由流動(dòng)礦漿自然分級(jí)沉積形成，該方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣。中線法筑壩是指在初期壩壩軸線位置上用旋流粗尾砂沖積尾礦的筑壩工藝，旋流后粗砂在壩軸線下游，細(xì)顆粒在壩軸線上游，該方式在大型尾礦庫(kù)有一定應(yīng)用。下游法筑壩是指向初期壩下游方向用旋流粗砂或土石料將壩體加高的工藝，壩軸線不斷向下游移位，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用也較多。

在國(guó)外特大型礦山尾礦庫(kù)中，中線法筑壩方式使用較多，但國(guó)內(nèi)使用較少，目前國(guó)內(nèi)已投入使用的比較有影響的典型中線法筑壩尾礦庫(kù)有江西德興銅礦4號(hào)尾礦庫(kù)（設(shè)計(jì)最大壩高208 m，總庫(kù)容8.35億m3）、山西忻州峨口鐵礦尾礦庫(kù)（設(shè)計(jì)最大壩高260 m，總庫(kù)容1.1億m3）。

尾礦庫(kù)是一個(gè)具有高勢(shì)能的重大危險(xiǎn)源，在強(qiáng)震區(qū)的尾礦庫(kù)一旦發(fā)生潰壩事故，將造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和生命財(cái)產(chǎn)損失，甚至一定程度上影響社會(huì)穩(wěn)定。因此，進(jìn)一步推動(dòng)發(fā)展強(qiáng)震區(qū)尾礦壩堆壩技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外尾礦行業(yè)的重要研究課題。

《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863-2013）推薦在地震烈度較高地區(qū)采用中線法筑壩，即用旋流器對(duì)尾砂進(jìn)行粗細(xì)分級(jí)，細(xì)粒級(jí)尾砂存蓄于庫(kù)尾，粗粒級(jí)尾砂則輸送至壩前并在初期壩處中線升高，堆積壩體浸潤(rùn)線低，尾礦抗剪強(qiáng)度高，壩體抗震穩(wěn)定性好。

本文以復(fù)雜地質(zhì)條件下某強(qiáng)震區(qū)中線法高尾礦壩為例，以滲流計(jì)算結(jié)果為前置條件，建立有限元穩(wěn)定計(jì)算模型，研究分析地震作用下的壩體穩(wěn)定性、可能液化區(qū)域分布等。

1 工程概述

某尾礦庫(kù)位于高海拔地區(qū)，庫(kù)區(qū)場(chǎng)地整體地勢(shì)南高北低、東西兩側(cè)為高山，中部為溝谷。地面以下除地表浮土、泥炭質(zhì)土和漂石外，有深厚的角礫層、粉質(zhì)卵石層、卵石層，地面以下70～80 m為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化糜棱巖。區(qū)域位于地震活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，存在區(qū)域斷層，庫(kù)區(qū)內(nèi)有 F31、F3、F20等斷層通過(guò)，設(shè)防地震烈度為Ⅷ度。

初期壩采用碾壓堆石筑壩，壩高90 m，上、下游壩坡坡比均為1:1.8。在初期壩壩頂以上采用中線法筑壩，壩軸線下游形成 1:3.5的粗砂邊坡。設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高4190 m，總壩高200 m，總庫(kù)容超過(guò)3.0億m3，該庫(kù)屬一等庫(kù)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程地質(zhì)條件，建立尾礦堆至4190 m標(biāo)高尾礦庫(kù)典型剖面二維有限元模型（見(jiàn)圖1）。該模型有24 716個(gè)節(jié)點(diǎn)，24 463個(gè)單元。有限元模型水平向和豎直向的正方向規(guī)定為：水平向以壩體上游側(cè)（即向右）為正方向，豎直以向上為正方向。

圖1 尾礦庫(kù)典型剖面有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

由于尾礦堆積壩較高，不同埋深和圍壓條件下同一種尾礦的力學(xué)性質(zhì)也有一定差異，故將尾砂分為一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)，靜動(dòng)力計(jì)算材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 中線法各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)取值

根據(jù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，地震波選取50年超越概率2%情況下1條典型的場(chǎng)地基巖地震動(dòng)時(shí)程曲線（見(jiàn)圖2），各尾砂最大模量見(jiàn)表2。

表2 各層尾砂最大模量取值

圖2 地震動(dòng)時(shí)程曲線（水平峰值加速度為3 m/s2）

3 計(jì)算分析

3.1 靜力計(jì)算結(jié)果分析

圖3和圖4給出了尾礦壩靜力有限元計(jì)算的壩體應(yīng)力情況。

從圖3、圖4可以看出，尾礦堆至4190 m壩頂標(biāo)高尾礦庫(kù)豎直向應(yīng)力基本平行于外坡分布，符合分布規(guī)律；孔隙水壓力與浸潤(rùn)線基本平行，最大值為1600 kPa。

圖3 尾礦庫(kù)豎直向應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖4 尾礦庫(kù)孔隙水壓力分布（單位：kPa）

3.2 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 壩體安全系數(shù)

圖5給出了在a=3 m/s2地震波作用情況下，壩體最小穩(wěn)定安全系數(shù)在地震波作用下隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線。

圖5 壩體最小安全系數(shù)隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線

從圖5可以看出，壩體最小安全系數(shù)隨著地震加速度的波動(dòng)而呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，時(shí)間為0時(shí)壩坡安全系數(shù)為1.84，安全系數(shù)一般在1.62左右；壩坡安全系數(shù)最小為1.20，但持續(xù)時(shí)間極短。

3.2.2 可能液化區(qū)域范圍

圖6給出了在地震波作用下，堆至4190 m標(biāo)高尾礦庫(kù)可能液化區(qū)域范圍。

從圖6可以看出，尾礦庫(kù)在地震作用下，可能液化區(qū)域主要發(fā)生在尾粉質(zhì)黏土表層和尾粉土靠近庫(kù)內(nèi)一側(cè)的表層，液化區(qū)域深度在20～50 m不等；從整體來(lái)看，液化區(qū)域主要集中在庫(kù)內(nèi)，在壩頂和下游壩體沒(méi)有出現(xiàn)明顯的液化區(qū)域，未形成滑移通道，對(duì)壩體的整體穩(wěn)定性不會(huì)造成很大影響。

圖6 尾礦庫(kù)可能液化區(qū)域

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)強(qiáng)震區(qū)中線法高尾礦壩進(jìn)行靜動(dòng)力有限元計(jì)算分析，可以得到以下主要結(jié)論。

（1）靜力有限元計(jì)算的壩體應(yīng)力符合基本規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力有限元計(jì)算分析所得的尾礦壩安全系數(shù)、可能液化區(qū)域符合基本規(guī)律。

（2）動(dòng)力有限元計(jì)算結(jié)果表明，尾礦壩在地震峰值水平加速度3 m/s2的地震波作用下是整體穩(wěn)定的，但同時(shí)應(yīng)做好壩頂附近壩坡的護(hù)坡工作，發(fā)現(xiàn)裂縫和局部小滑動(dòng)及時(shí)加固處理。

（3）在強(qiáng)震區(qū)采用中線法筑高尾礦壩是合理的、有效的，實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)在此基礎(chǔ)上配合其他構(gòu)造措施可有效提高尾礦壩抗震能力。