地震作用下高尾礦壩動力穩定性分析

趙林長

Lm礦業公司尾礦庫為山谷型尾礦庫，初期壩頂標高440.0m，初期壩高38。堆積壩現狀頂標高為600m，總壩高198.0m。尾礦庫總庫容為42900萬m3，最終設計等別為二等。設計服務年限為32年。該尾礦庫為我國東北地區壩高最大的一座尾礦庫，對其地震作用的探討具有典型的意義。

1 區域地質條件

1.1 區域地質

本區大地構造位置，位于興安嶺—內蒙地槽褶皺區（Ⅰ級）中伊春—延壽地槽褶皺系內（亞Ⅰ級），茂林—木蘭地槽褶皺帶（Ⅱ級）。區域內侵入巖大面積分布，構造發育，地層出露很少，呈孤島狀分布。

1.2 庫區地質構造

據《LM鉬礦尾礦庫工程地質勘察巖土工程勘察報告》（地礦雙城工程勘察院，2011年11月）相關資料顯示，本區域構造以斷裂構造為主，勘察區構造為北關—平安—鹿鳴—伊林壓扭性斷裂的次級構造，主要方向為NE、NNE兩個方向，多表現為壓性構造特點，主要表現為巖石破碎，局部見斷層泥。在壩址區、尾礦庫區及排洪系統，共33條斷層。擬建庫有9條斷層穿過，但因都是壓性斷層，滲透性差，因而尾礦水難以滲至周邊地層（并且周邊地層滲水性也差），對周邊環境基本沒有影響。

1.3 水文地質

區內水文地質條件簡單，地下水按含水層特征主要為第四系松散層孔隙潛水及基巖裂隙水兩種類型。

1.3.1 第四系松散層孔隙潛水

主要分布于河漫灘區，含水層主要為粗砂、礫砂及塊石（塊石）層，厚度不大，一般為0.40m～1.30m，分布普遍，地下水埋深1.30m～3.10m，含水層透水性強，k=24.5m/d～28.4m/d。其補給來源主要靠大氣降水、溝谷兩側基巖裂隙水及河水側向的滲入；排泄以地下逕流和蒸發為主。

1.3.2 基巖裂隙水

主要分布在低山丘陵以及河谷下部的基巖裂隙中，受大氣降水及第四系松散層孔隙水的補給，低山丘陵區地下水的賦存條件較差，河谷下部的基巖裂隙水，賦存條件較好。地下水埋藏較深，一般在0.40m～8.30m。地下水化學類型HCO3-Ca，總礦化度74.09mg/L～175.40mg/L，PH值7.14～7.80。地下水類型為HCO3-—Ca型水。

2 庫區地層

據《LM鉬礦尾礦庫工程地質勘察巖土工程勘察報告》（地礦雙城工程勘察院，2011年11月）相關資料顯示，勘察所揭露的主要地層11層，亞層9層，場地各地層情況如下：

第①層：腐殖土：黑色，含植物根系；層厚0.10m～1.00m，層底深度0.10m～1.00m，層底高程397.72m～584.74m。

第②層：粉質黏土：黃褐色，可塑，含少量礫砂，局部分布。層厚0.20m～4.00m，層底深度0.60m～4.80m，層底高程399.92m～532.33m。

第②層：粗砂：黃褐色，中密，稍濕，主要礦物成分為長石、石英、云母，局部分布。層厚0.60m～0.80m，層底深度1.00m～2.70m，層底高程405.14m～409.09m。

第②2層：圓礫：黃褐色，中密，上部稍濕—下部飽和。礫石主要為花崗巖巖石碎屑。砂主要中粗砂，砂成分為長石、石英，局部分布。層厚0.50m～1.00m，層底深度1.10m～1.70m，層底高程406.61m～418.38m。

第③層：粉土：黃褐色，含少量細砂，局部分布，層厚0.50m～12.00m，層底深度1.00m～12.80m，層底高程400.92m～568.82m。

第④層：粗砂：黃褐色，中密，上部稍濕—下部飽和，主要礦物成分為長石、石英、云母，局部分布。局部夾少量黏土。層厚0.40m～6.50m，層底深度1.30m～7.00m，層底高程399.22m～564.72m。

第⑤層：圓礫：黃褐色，中密，上部稍濕—下部飽和，主要礦物成分為長石、石英、云母，局部分布，層厚0.50m～7.10m，層底深度2.10m～9.20m，層底高程392.16m～427.69m。

第⑤1層：粉質黏土：黃褐色，可塑，局部分布。層厚0.80m，層底深度3.70m，層底高程412.73m。

第⑥層：礫砂：黃褐色，中密，上部稍濕—下部飽和，主要礦物成分為長石、石英、云母。層厚0.60m～10.60m，層底深度1.10m～15.30m，層底高程388.52m～553.76m。

第⑥1層：碎石：雜色，中密，上部稍濕—下部飽和，母巖成分為花崗巖，層厚1.30m～13.50m，層底深度3.40m～21.00m，層底高程381.71m～546.18m。

第⑥2層：塊石：黃褐色，飽和，母巖成分為花崗巖，層厚1.00m～14.30m，層底深度5.00m～22.60m，層底高程383.71m～529.87m。

第⑦層：花崗巖：全風化，黃褐色，呈砂狀，散體結構，分布較普遍。為極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚0.30m～20.90m，層底深度1.00m～24.00m，層底高程382.99m～584.14m。

第⑧層：花崗巖：強風化，黃褐色，為軟巖，巖石的組織結構大部分被破壞，巖石碎塊用手可掰開。為軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚0.50m～24.40m，層底深度1.90m～38.00m，層底高程361.89m～583.24m。

第⑨層：花崗巖：中風化，灰白色，巖石組織結構部分破壞，裂隙發育，巖芯多呈短柱狀，局部為碎塊狀。為較軟巖，巖體基本質量等級為Ⅲ級。層厚1.00m～51.00m，層底深度2.60m～126.75m，層底高程312.40m～550.72m。

第⑨1層：花崗巖：中風化，灰白色，巖芯破碎，裂隙發育。巖芯多呈塊狀、少部分為扁柱狀。為較軟巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級。層厚0.50m～42.80m，層底深度10.00m～94.10m，層底高程323.92m～571.14m。

第⑨2層：碎裂花崗巖：灰白色，巖芯破碎，多呈塊狀，局部巖芯呈砂土狀。為較軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚0.70m～87.60m，層底深度11.80m～173.30m，層底高程236.32m～485.49m。

第⑩層：花崗巖：微風化，灰白色，巖芯完整，呈長柱狀，節理裂隙較發育，局部為塊狀。為較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅱ級。層厚2.00m～125.10m，層底深度20.00m～198.00m，層底高程203.72m～538.72m。

第⑩1層：花崗巖：微風化，灰白色，巖芯破碎，呈塊狀。為較軟巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級。層厚2.70～20.40m，層底深度76.90m～186.00m，層底高程216.63～508.24。

第⑩2層：碎裂花崗巖：微風化，灰白色，巖芯破碎，呈塊狀。為較軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚4.60m～96.30m，層底深度175.00m～198.00m，層底高程213.01m～230.46m。

第11層：碎粉巖：灰白色，巖心呈粉砂狀，含有粘性土。為極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚0.20-14.60m，層底深度20.00m～35.30m，層底高程365.04m～378.53m。

3 尾礦壩動力穩定性實用計算方法

土體的動力穩定性，不僅包括一般意義上土體的強度是否避免發生滑移破壞，而且包括土體累積變形的程度是否會導致土體正常使用功能的喪失，應該滿足“整體滑動不出現，累積變形不過量”的要求。因此，對土體從變形和強度兩個方面作出穩定性的判斷和檢驗是十分必要的。

目前，對尾礦壩動力穩定性的研究方法主要包括擬靜力法和時程分析法兩類。以往尾礦庫工程設計中，對壩體動力穩定性的分析一般采用擬靜力法。擬靜力法是通過對地震慣性力進行簡化而得到單一的安全系數，不能對尾礦壩的液化情況和永久變形進行分析，也不能反映出地震作用過程中尾礦壩穩定性隨時間的變化情況。因此，采用擬靜力法所得結果與實際情況往往有所出入。

時程分析法考慮了地震波特征（加速度、頻率、時長等）和尾礦動力特性（動強度、動孔壓、動模量和阻尼比等），模擬得到的尾礦動力反應與實際情況更為接近。但是，動力反應時程分析所得結果（應力場、應變場、孔壓場等），并不能直接反映穩定與否及其安全度，僅僅是提供進行動力穩定性分析的依據。尾礦壩的動力穩定性分析需要以這些場為基礎，進一步作出明確的檢驗和判斷。

3.1 尾礦庫基本情況介紹

Lm礦業公司尾礦庫為山谷型尾礦庫，初期壩頂標高440.0m，初期壩高38。堆積壩現狀頂標高為600m，總壩高198.0m。尾礦庫總庫容為42900萬m3，最終設計等別為二級。根據《尾礦設施設計規范》（GB50863—2013）4.4.2，第1款的要求，“對于1級及2級尾礦壩的抗滑穩定性，除應按擬靜力法計算外，尚應進行專門的動力抗震計算，動力抗震計算應包括地震液化分析、地震穩定性分析和地震永久變形分柝；”該尾礦庫屬2級，需要進行專門的動力抗震計算。

3.2 尾礦壩有限元模型建立

壩體抗滑穩定計算采用Geo-Studio軟件進行分析，計算采用該軟件中的Slope模塊。根據工勘資料，選取位于尾礦庫主溝底的鉛直剖面為計算剖面，浸潤線情況采用工勘實測資料，取底面高程為+402m，頂部高程為+600m，建立計算有限元模型，有限元網格共有5956個節點，6868個單元。

3.3 計算參數的選取

根據工勘資料給出了尾礦庫各土層物理力學參數的建議值。其中尾粉質黏土的內摩擦角建議值為22°，高于規范上的建議值16°，說明該尾粉質黏土固結情況較好，其物理力學參數在固結過程中有所提高，參考相關工程經驗偏安全考慮，本次尾礦庫壩體穩定計算時尾粉質黏土內摩擦角按20°考慮。

3.4 地震加速度的輸入

該庫區所處地區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第1組。根據《構筑物抗震設計規范》（GB50191—2012），6度地震區的2級尾礦庫在壩體穩定計算時可只考慮水平向地震作用。在進行本次壩體動力計算時，采用與該場地條件相近的一條水平向地震波，地震波時間間隔均為0.02s，其地震波持續時間為16s，并將地震加速度時程的峰值調整為場地基本加速度值0.05g。

4 尾礦壩動力穩定性影響因素分析

4.1 影響因素與模型條件

地震導致尾礦壩的破壞可分為液化流動破壞和非液化變形破壞2種形式；對于非液化變形破壞，應從安全系數和永久變形兩個方面進行評價。采用永久變形進行評價，在理論上更為恰當，但缺少經驗和成熟的方法，且尚無可靠的安全控制標準；采用安全系數進行評價，已經在計算方法和安全控制標準的選擇上積累了一定的經驗，但對于如何獲得等效的安全系數來表征地震作用下的整體安全度，仍須進一步研究。兩種方法各有優劣，在實際工程應用中應綜合兩種方法所得結果，對尾礦壩非液化情況下的動力穩定性進行合理判斷。影響尾礦壩穩定性的因素很多，各因素對尾礦壩安全系數和永久變形的影響可能并不一致。本次分析建立了不同條件下的模型，研究干灘面長度、堆積壩高度、設計加速度、是否考慮豎向地震作用等因素對安全系數和永久變形的影響，為合理判別尾礦壩地震穩定性提供參考。

4.2 干灘面長度的影響

為研究干灘面長度對尾礦壩地震穩定性的影響，分別設置干灘面長度為50m、100m、150m、200m、300m和400m，進行地震反應分析，并計算得到地震中安全系數時程曲線與永久變形分布。永久變形分別采用等效節點力法和軟化模量法進行計算。為便于定量分析和對比，不同條件下，均選取地震作用過程中壩體最小安全系數和壩頂處的震陷（豎向永久變形）為特征參量。同時，為研究不同堆積壩高度和設計加速度下，干灘面長度對尾礦壩地震穩定性的影響程度是否一致，分別進行了兩種堆積壩高度（120m和160m）和兩種地震加速度（0.2g和0.3g）條件下的分析。

為研究不同情況下，干灘面長度對最小安全系數和壩頂震陷的影響程度，對各曲線均進行線性擬合，并計算得到擬合直線的斜率k和擬合優度R2。最小安全系數隨干灘面長度的增大逐漸增大，壩頂震陷隨干灘面長度的增大逐漸減小，均表明地震穩定性隨干灘面長度的增大而增強。采用線性函數進行擬合，最小安全系數與干灘面長度相關性的擬合優度R2較高，三組均在0.960以上，平均值為0.971。

而等效節點力法和軟化模量法所得壩頂震陷與干灘面長度采用線性擬合的擬合優度R2均較低，三組平均值分別為0.910（等效節點力法）和0.836（軟化模量法），說明壩頂震陷與干灘面長度主要呈非線性關系。多數條件下，等效節點力法所得永久變形明顯大于軟化模量法所得結果。但是，當設計加速度較大（0.3g）且干灘面長度較短（50m和100m）時，軟化模量法所得永久變形與等效節點力法結果較為接近，甚至更大，這主要是由于在這樣較為危險條件下，容易發生液化，地震導致壩體內動孔隙水壓增長幅度較大。

4.3 堆積壩高度的影響

為研究堆積壩高度對尾礦壩地震穩定性的影響，分別建立堆積壩高度在40m、80m、120m和160m四種壩高下的模型，分別進行了兩種干灘面長度（50m和200m）和兩種設計加速度（0.2g和0.3g）條件下的分析。分析方法同上述干灘面長度的影響分析相同。最小安全系數隨堆積壩高度的增大逐漸降低，壩頂震陷隨堆積壩高度的增大逐漸增大，均表明地震穩定性隨堆積壩高度的增大而降低。與干灘面影響分析相似，最小安全系數與堆積壩高度線性擬合相關性的擬合優度R2較高，三組平均值達到了0.995。而等效節點力法和軟化模量法所得壩頂震陷與干灘面長度采用線性擬合的擬合優度R2均較低，三組平均值分別為0.911（等效節點力法）和0.912（軟化模量法），說明壩頂震陷與堆積壩高度也主要呈非線性關系。

各種條件下，等效節點力法所得永久變形均明顯大于軟化模量法所得結果。對比本次分析所得各擬合直線的斜率k發現：隨干灘面長度的增加，最小安全系數對堆積壩高度的敏感性降低，等效節點力法和軟化模量法所得壩頂震陷對堆積壩高度的敏感性也降低；隨設計加速度的增大，最小安全系數對堆積壩高度的敏感性減小，等效節點力法和軟化模量法所得壩頂震陷對干灘面長度的敏感性均增大。

5 動力穩定性分析實用方法

5.1 分析流程

尾礦壩的動力穩定性分析應在通過時程分析法完整得到壩體地震過程中各種反應的時空變化的基礎上，對液化范圍、安全系數時程變化和永久變形分布三個方面進行綜合分析。

5.2 建立模型

為反映尾礦壩最不利情況，二維剖面模型應沿尾礦庫主溝走向建立。對于使用中的尾礦庫，應根據現場鉆探結果確定壩體材料分區；新建的尾礦庫，可類比類似工程進行材料劃分，必要時應采用堆壩模型試驗演繹壩體堆積過程來獲得材料分區。

由于尾礦沉積規律較為復雜，壩體內常有互層夾層產生，對材料分區時可進行一定的概化處理以簡化模型，但須往不利的方向進行簡化。對于縱深較長的尾礦庫，上游邊界無須延伸至庫尾，但與尾水邊線應有足夠距離，以保證下游壩坡和干灘面范圍內計算結果不受人工邊界條件影響。

5.3 滲流場分析

尾礦壩滲流場的獲得方式有現場監測、鉆孔勘察、物理模型試驗和數值模擬等。滲流場的數值分析中，應考慮浸潤線以上非飽和尾礦的滲流特性的影響。

非飽和尾礦的滲流特性可采用非飽和土力學相關理論研究，主要由土水特征曲線和滲透系數函數來表示。土水特征曲線主要受土的粒徑分布的影響，本文采用M.Aubertin等提出的根據粒徑分布估算土水特征曲線的方法。

非飽和區滲透系數隨基質吸力的增大而減小的特性，則由VanGenuchten法，根據土水特征曲線推求。具體計算方法可參見文獻，本文不再贅述。同時，數值模擬中應合理選取滲流參數，可通過與實測資料對比驗證參數的可靠性和準確性。

6 結語

對于壩高超過100m的高尾礦壩，地震作用對其壩坡的抗滑穩定性影響明顯，除應按擬靜力法計算外，尚應進行專門的動力抗震計算。現有的Geo-Studio軟件、GTSNX軟件均能對壩坡的動力抗震進行有效的模擬分析。等效節點力法和軟化模量法均可以得到相似的分析結果，相對來說等效節點力法計算的結果均較大，安全保證度較大，推薦使用。