陶家沟尾矿坝三维静力和动力稳定性分析

王 平,胡再强,田春亮,李兆炜

(西安理工大学 岩土工程研究所,陕西 西安 710048)

中国是一个矿业大国,每年选矿产生的尾矿约3×108t,除一部分作为矿山填充或综合利用外,绝大部分要堆存于尾矿库,据统计中国目前已形成一定规模的尾矿坝约1500余座[1]。尾矿坝是金属矿山和非金属矿山重要的生产设施,同时又是重要的危险源。历史上大小事故频繁发生,危害性极大,事故教训惨重。从1950年～2005年,世界上出现大约100座重要的尾矿坝破坏,由于尾矿库区尾矿有许多重金属和一些有害物质,对周围环境也造成一定影响。因此,做好尾矿坝稳定性评估工作尤为重要。

本文旨在对陶家沟尾矿库三维的静力和动力稳定分析计算,用三维静力和动力计算分析结果分别揭示静荷载和地震荷载作用条件下尾矿坝的静、动应力应变特性,并对尾矿坝的静力、动力稳定性及坝体液化的可能性进行评价。

1 工程概况

陶家沟尾矿库区位于洛南县驾鹿乡页岭村陶家沟内,初期坝设计为透水堆石坝,坝高 33 m,坝顶宽4 m,底宽 119.5 m,坝顶长度110.24m;初期坝上游坝坡为1∶1.6,下游坝坡为1∶1.75;初期坝顶标高为1035 m,在1024 m,1013 m高程处各设一级马道,马道宽3 m。

后期堆积坝采用尾矿砂堆筑,由于该区属于7度地震区,且最终坝高较高,故设计尾矿向上游方向堆放即采用上游式筑坝方法,根据地形设计坝坡为1∶4.5,高差每隔5m设一级马道,马道宽3m;因此后期堆积坝的平均坝坡为1∶5.1;最终堆积标高1160m,后期堆积高度为125 m。包括初期坝在内的最终总坝高为158 m,总库容为1263.1×104m3。

根据工程设计要求,建立的模型总的高程为1160 m,它们涉及到的材料种类包括尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土共5种材料。按照金堆城钼业公司要求,本分析采用7度地震设防。为了进行动力分析,坝区设计地震加速度时程系采用《金堆城钼业公司栗西尾矿坝加高扩容工程场地地震安全性评价报告》(陕西大地地震工程勘察中心)中50 a超越概率10%设防概率水平下的合成场地基岩地震动加速度时程确定,峰值加速度 a=0.141 g,特征周期 0.34 s,具体的地震加速度时程曲线如图1所示。

图1 输入地震时程曲线

2 计算方法

结合坝体的结构特点设置单元类型,采用中点增量法模拟土体逐层填筑的非线性变形特征[2,3]。采用了沈珠江院士编写的EFES3D程序,该程序静力计算具有 E-B非线性模型,南水双屈服面弹塑性模型,动力计算采用等效粘弹性模型[4],可计算出残余变形并利用孔压模型可计算出残余孔压。该程序经过大量实际工程验证,可以很好的模拟工程的实际情况,计算结果比较真实可靠。

根据程序的设定,计算中座标系取为:X轴以左岸到右岸方向为正,Y轴以指向下游为正,Z轴以向上为正。计算时对坝的实体模型用四面体单元进行有限元离散,其实体图与网格图如图2所示。单元数为24030,节点数为18361个。坝体共分15级填筑。模型的约束,在上游端部为侧向约束,左右侧及底部为全约束。坝体的三维有限元网格如图2所示,断面分布如图3所示。各种材料的静力、动力特性计算参数见表1、表2。

表1 各种材料的静力特性计算参数

表2 各种材料的动力特性计算参数

图2 整体有限元网格

图3 坝体断面

3 计算结果及分析

3.1 静力计算结果及分析

(1)静力计算分析表明,堆坝标高1160 m坝体内所有各单元应力水平都小于1,无拉应力区出现,边坡稳定分析计算采用滑弧搜索法,利用有限元动力计算结果结合危险滑弧搜索法确定最小的安全系数,此时滑动面上不同单元处的法向应力和切向应 力分别为 :

式中:σx,σy,τxy,uw为坝体地震后25 s动力计算的应力场和孔压场,β为相应单元滑动面切向与水平向的夹角。这种计算的安全系数为:

(2)通过分级加载计算,坝体的最大竖向位移分别约为0.9 m左右,且最大沉降出现在最大坝高坝体偏上部位。

(3)由计算结果可知,坝坡顺河向,向下游最大水平位移0.5 m,鼓胀1.2 m。

图4 最危险滑弧

3.2 动力计算结果及分析

3.2.1 坝顶动力反应

尾矿坝加速度反应见图5。如图可见,在地震发生的30 s以内,由于坝体与库内矿泥连在一起,体积比土坝大得多,再加上堆积料的密度低,剪切模量也低,坝体自重周期相当长,在2 s以上,地震反应分析结果有坝顶放大现象。但随着孔隙水压力增加和动模量的降低,地震剪应力难以向上传播,坝体的自振周期则逐渐增大,且与输入地震波的卓越周期相差越来越远[5],因此,坝体的动力反应逐渐减弱。依据地震反应加速度场分布,X方向和Y方向地震反应加速度总体规律表现为下小上大的规律,顶部最大,8 s时达到最大值。Y方向最大值0.26m/s2,其放大系数为1.87。

图5 地震加速度反应图(单位:m/s2)

3.2.2 地震永久变形

地震永久变形见图6。

顺河水平向最大残余应变发生在坝坡面的中间靠下游部位,地震结束时最大值-0.034 m,垂直向最大残余应变发生在坝顶附近,地震结束时最大值-0.09 m。地震永久变形量在地震开始后15 s内增长幅度较大,随后的地震永久变形量继续增加,但幅度较小。在震后静力作用下孔压消散阶段永久变形量增长幅度更小。

图6 坝体地震永久变形 (单位:m)

3.2.3 地震液化分析

文中用孔压比法方式来作为液化的判别标准,其孔压比法是用孔压除以震前平均应力[6,7],孔压比的计算采用如下公式:

对于三维问题,震前平均应力的计算采用下式计算。

式中:σx,σy,σz为地震前的应力分量,uw为孔压场。如果算得的ks等于1,则表示该单元发生液化。

图7 地震30 s孔压水平等值线图

图7是地震期30 s时的孔压水平等值线图。尾矿坝的坝坡中部浸润线下局部部位在地震反应结束时的最大孔压比值较大,达到0.8,接近于液化;但考虑到计算为完全不排水条件,而由于尾矿料的渗透系数(10-4～10-3cm/s)较大,使实际地震过程中产生一定程度的排水,加之原状尾矿料的动力抗震特性比扰动样有一定的提高,因此结合实际条件尾矿坝坝坡液化的可能性很小。

3.2.4 边坡稳定分析

边坡稳定分析计算采用滑弧搜索法,地震反应结束时的动力边坡稳定最小安全系数为1.16,表明动力作用下尾矿坝的边坡仍然是稳定的。最危险滑弧见图8。

图8 最危险滑弧图

4 结 语

(1)陶家沟尾矿坝在静力条件下是稳定的;

(2)在7度地震条件下,尾矿坝的加速度反应较小,其放大倍数为1.67;

(3)陶家沟尾矿坝内动剪应力和动孔压绝大部分是随着地震历时的增加而逐渐增大,在坝顶干滩靠近库区水的边线上部孔压比值均比较大,接近于1,有局部液化的可能性,但不会影响尾矿坝体的稳定。为了保证尾矿坝的安全,坝坡必须采取排渗措施,降低坝坡地下水位,以杜绝尾矿砂的液化根源;加强放矿管理,保证坝前沉积为中、细砂,有利于排水固结,可提高坝体抗震能力。

[1]腾志国.关于尾矿坝地震稳定性的分析及评价[J].河北冶金,2003,(1):16-17.

[2]罗晓辉,白世伟,万凯军,等.尾矿坝渗透静力稳定分析[J].岩土力学,2004,25(4):560-564.

[3]潘建平,孔宪京,邹德高.尾矿坝地震液化稳定的简化分析[J].水利学报,2006,37(10):1224-1229.

[4]谢定义.土动力学[M].西安:西安交通大学出版社,1990.

[5]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996.

[6]朱百里,沈珠江.计算土力学[M].上海:上海科学技术出版社,1990.

[7]高艳平,王余庆,辛鸿博.尾矿坝地震液化简化判别法[J].岩土工程学报,1995,17(5):72-79.