基于GEO-Studio的某尾礦壩動力穩定性分析

魏有林 丁成功

（1.酒鋼肅南宏興礦業有限責任公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

尾礦庫作為礦山重要危險源之一，潰壩事故發生的案例眾多，給下游庫區人民、企業以及周邊環境帶來嚴重的災難。進入21 世紀，地球已經進入活躍期，地震發生頻率和強度都有增高的趨勢，并且隨著近年來選礦工藝的改善，越來越多的細顆粒尾礦被排入庫內，降低了壩體排滲能力，不利于壩體動力穩定性的提升。所以開展尾礦庫動力穩定性相關的研究對于礦山安全生產、保護下游生命財產安全和周邊環境具有重要的意義［1-10］。

本文以云南某尾礦庫為研究背景，運用GEOStudio 的QUAKE 分析模塊進行尾礦壩動力穩定性分析，研究了該尾礦壩在地震波作用下的液化情況、加速度響應、位移變化、安全系數的規律，為同等類型尾礦庫的設計研究提供借鑒。

1 尾礦庫工程概況

云南某尾礦庫壩頂標高為2 035 m，壩軸線處原始地形最低標高為1 975 m，壩高60 m，壩頂寬20 m，全庫容756.19 萬m3，有效庫容642.78 萬m3；最終壩頂標高為2 055 m，總壩高80 m，壩頂寬度6 m，總庫容1 716.49 萬m3，有效庫容1 459.02 萬m3，為三等庫。一期尾礦壩為透水碾壓土石壩（透水堆石斜墻黏土壩），壩體外坡2 000 m 標高以上臺階坡比1∶3.0，2 000 m 標高以下臺階坡比1∶2.0，外坡共設置5 條馬道，馬道寬2.0 m，分別位于1 985，2 000，2 010，2 025，2 040 m 標高。壩體內坡臺階坡比為1∶2.25，每隔15 m 設置1 條馬道，馬道寬3 m，共設置4 條，分別位于1 995，2 010，2 025，2 040 m 標高。二期采用上游法模袋堆筑子壩，即自2 035 m 標高以上采用黏土加一期高2 m 壩體至2 037 m 高程，內坡比1∶2.25，外坡比1∶3。2 037～2 055 m 高程采用上游法模袋子壩，尾礦庫采用模袋法筑壩后，每級模袋子壩外坡比為1∶4.0，內坡比為1∶2.0，壩頂寬18.0 m，底寬36 m，每級模袋子壩高3.0 m，外坡平臺寬5.0 m，共6 級子壩，模袋子壩總高18 m，外坡比約為1∶5.61。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

針對尾礦庫現狀（2 035 m 標高）和最終（2 055 m標高）典型剖面，依據該尾礦庫現狀工程勘察剖面和概化分區情況，建立數值計算模型（圖1）。在建立體模型的基礎上，進行GEO-Studio 默認網格劃分，現狀壩模型共有3 090 個節點、3 010 個單元，最終壩模型共有3 441個節點，3 400個單元。

2.2 參數設置

根據基本物理力學試驗及動力試驗成果進行參數設置，材料基本物理參數指標見表1，動力響應計算參數見表2。

2.3 地震波

該尾礦庫所處區域根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）和《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001）確定，抗震設防烈度為8 度，其峰值加速度和地震持續時間為0.20g和20 s，在本次動力穩定性分析過程中，選用典型地震波對其開展洪水工況下的尾礦壩穩定性分析。理論分析及試驗結果均表明，動應力和抗剪強度主要取決于地震水平運動，故此處動力分析僅考慮地震水平運動的影響。

2.4 邊界條件

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該尾礦壩動力穩定性計算有限元模型的邊界條件：①初始應力狀態，模型底部邊界水平和豎直方向位移為固定約束，左右兩側邊界的水平向位移為固定約束，豎直向自由；②動力計算，模型左右兩側邊界的水平向位移約束改為豎直向約束，水平向自由，地震波由模型底部輸入；③永久變形計算，模型底部邊界和左右兩側邊界位移均為固定約束。

3 數值計算分析

3.1 加速度響應分析

現狀及最終尾礦壩在地震波作用下最大水平加速度反應值如圖2 所示。可見，在地震波作用下，壩體內水平加速度反應沿壩高分布呈現出一定的規律，隨著高程增加，水平向最大加速度先減小后變大，在壩頂達到最大。現狀壩加速度反應值最大值0.29g，放大系數為1.45，最終壩加速度反應值最大值0.32g，放大系數為1.6，加速度放大系數在2 倍以下，加速度反應較小，對壩體整體穩定影響較小。

3.2 動剪應力分析

現狀及最終尾礦壩在地震波作用下動剪應力值如圖3所示。可以看出，地震波作用下動剪應力隨著高程的增大而增大，隨著峰值加速度的增大而增大；等值線與壩坡面近似平行，最大值位于壩基底部（約200 kPa），在尾粉土及其他土層中，動剪應力較小（小于200 kPa），也不會發生剪切破壞，因此壩體整體是穩定的。

3.3 液化區域分析

現狀及最終尾礦壩在地震波作用下液化區域如圖4所示。可以看出，地震波作用下壩體存在不同程度的液化，主要在現狀壩頂區域和最終壩二期子壩坡腳附近存在一定范圍的液化區域，在尾礦壩內所蓄尾礦土存在較大的液化區域，尤其在壩頂附近，但尾礦土的液化不影響壩體的整體穩定，可以不作處理。最終壩子壩坡腳附近存在部分液化單元，對壩坡的穩定有一定影響，因此，建議對二期子壩坡腳壩基如30 m 范圍內進行適當處理。總體來說，液化范圍較小，對壩體穩定影響較小。

3.4 地震壩坡穩定性分析

現狀及最終尾礦壩在地震波作用下的安全系數實時曲線圖及壩坡動力穩定最危險滑弧如圖5、圖6所示。可以看出，現狀壩最危險滑弧的安全系數在5 s 時刻達到最小，為1.032；最終壩最危險滑弧的安全系數在7.3 s 時刻達到最小，為1.017。在動力響應過程中，安全系數實時變化，但安全系數始終大于1，壩體處于安全穩定的狀態。

3.5 地震永久變形分析

現狀及最終尾礦壩在地震波作用下的永久變形如圖7所示。可以看出，尾礦庫的永久變形隨著高程的增大而增大，最大值位于壩頂附近，現狀壩體最大永久變形0.39 m，最終壩體最大永久變形0.46 m，最大變形均小于壩高的1%（規范規定一般不超過壩高的1%），壩體變形符合規范要求。從變形趨勢可以看出，地震工況下壩體整體呈現向內部收縮的趨勢，最大沉降變形主要發生在壩頂部位的壩肩位置附近。總體而言，地震作用下壩體永久變形較小。

4 結 論

（1）基于GEO-Studio 有限元軟件進行尾礦壩動力穩定性分析，計算結果較真實情況接近，可以為后期尾礦庫的安全運維提供指導，也為其他尾礦壩安全設計方案提供參考。

（2）地震波作用下最大水平加速度分別出現在壩頂或其附近，沿高程呈現先減小后增大的規律，加速度放大系數在2 倍以下，加速度反應較小，對壩體整體穩定影響較小。

（3）地震波作用下動剪應力隨著高程的增大而增大，隨著峰值加速度的增大而增大，等值線與壩坡面近似平行，最大值位于壩基底部。

（4）地震波作用下現狀及最終壩體存在局部液化，液化區主要集中于靠近浸潤線的部位，但未形成液化貫通區域，液化不影響壩體的整體穩定。可針對液化區域做適當處理，提高該處抗液化能力，進而增強壩體的動力穩定性。

（5）地震波作用下現狀及最終壩體穩定實時安全系數始終大于1，尾礦庫壩體整體安全可靠。