基于Ansys Civilfem尾矿坝稳定性动态分析

严 涛 陈风敬 中国五环工程有限公司 武汉 430223

秦华礼 东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004

基于Ansys Civilfem尾矿坝稳定性动态分析

严 涛＊陈风敬 中国五环工程有限公司 武汉 430223

秦华礼 东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004

尾矿库的运行期间,尾矿坝及其所处的环境是动态的变化过程,对尾矿坝稳定性分析与评价应该是动态的过程。本着对尾矿坝坝体稳定性动态分析与评价的思想,利用大型商业软件Ansys及其二次开发的Civilefem,模拟与分析尾矿坝稳定性的各种影响。

动态稳定性 尾矿坝 有限元法 土木工程模块

自然生成的边坡或工程活动需要筑成的边坡,在内外因条件共同作用下,使得坡体在一定的应力和土体强度条件下保持平衡稳定。当外部条件发生改变时,其应力状态也将发生改变,当应力的改变影响坡面土体强度的变化,平衡可能被打破,由新的平衡取代原有的平衡状态,因此边坡可能出现失稳以至导致滑坡[1]。尾矿坝作为尾矿库工程需要筑成的边坡,也存在着失稳以至滑坡的可能性。尾矿坝及其所处的环境是一个动态的变化过程,因此动态的尾矿坝稳定性分析与评价是必要的,也只有这样才能全面、客观地把握尾矿坝稳定性状况。

1 稳定性动态分析

要想全面客观把握尾矿坝稳定性状况,就要动态考虑尾矿库在运行期间尾矿坝及其所处环境的变化过程:如尾矿坝一直在上升堆积,堆坝材料的颗粒组成、强度、刚度、密度和渗透状况等物理性质可能会变化。对尾矿坝坡度的控制时,要考虑库内水位、气象条件,外部载荷等这些内部和外部的变化必然引起尾矿坝稳定性的变化。仅仅计算现状稳定性安全系数是远远不够的,还要考虑影响尾矿坝稳定性因素特征值的变化,即使当前坝体稳定性满足国家标准规定的安全要求,但将来随着坝体和外部条件的变化就不一定能够满足安全要求。

本着对尾矿坝坝体稳定性动态分析与评价的思想,本文模拟分析尾矿坝现状稳定性、设计标高稳定性、坝坡、坝高、不同坝坡条件下的坝高、施加地震载荷后的坝坡和堆坝材料抗剪强度及刚度下降等对坝体稳定性的影响。

2 模拟结果的汇总分析

以某尾矿坝为模型,其计算结果见图1和图2。

图1 孔隙水压分布图

图2 坝体稳定性安全系数

从图1可以看到孔隙水压的分布情况,从图2可以看到各个滑动面的位置、圆心及半径,安全系数等信息。

2.1 尾矿坝现状和设计标高稳定性

尾矿坝现状和设计标高稳定性计算结果见表1。

表1 尾矿坝现状和设计标高稳定性计算结果

对比《尾矿库安全技术规程》AQ 2006-2005,抗滑稳定最小安全系数见表2。

表2 坝坡抗滑稳定最小安全系数

该尾矿坝现状、设计标高稳定性安全系数符合规程要求。

2.2 坝高

对该尾矿库东坝标高196m(现状)、206m、226m、306m分别在坡比0.25、0.3、0.4、0.6、0.8下稳定性安全系数进行计算,只列出有限元计算结果开展分析。

固定坝高,坝体安全系数与坡比关系见图3。

图3 固定坝高坝体安全系数与坡比关系

从图3可以看出,坝体在196m、206m、226m和306m标高下,随着坝坡越来越陡,稳定性安全系数都下降,坡比对尾矿坝稳定性的影响比较明显。随着坡度增大,坝体稳定性安全系数明显减小,因此在堆坝时,要严格控制堆积坝的坡度。

固定坡比,坝体安全系数与坝高关系见图4。

从图4可以看出,当坡比≥0.4时,随着坝高的上升,坝体稳定性安全系数保持下降趋势,随着坡比的降低,这种下降的趋势越来越不明显;当坡度≥0.3时,就没有这种下降趋势。

芬顿氧化技术的影响因素主要为pH值、Fe2+、H2O2投加量及投加方式。普通的芬顿氧化技术中双氧水加药方式为单点投加，而这种加药方式在双氧水投加初期系统会产生大量羟基自由基，过多的羟基自由基不能完全与废水中有机污染物发生反应，导致芬顿试剂产生的部分羟基自由基被无效消耗，最终导致双氧水利用率下降以及降低预处理效果。本文主要研究多点投加芬顿氧化技术最佳反应条件和多点投加方式的优化(包括投加位点及投加量)。

图4 固定坡比坝体安全系数与坝高关系

从坝体稳定性安全系数的定义来看,σn为法向应力分量,τ为剪切应力分量,随着坡比的降低,垂直方向的应力在法向的应力分量增大,剪切方向的应力分量减小,所以安全系数下降的趋势变小,以致最后消失,在0.25坡比时甚至有上升的趋势。

2.3 施加地震载荷

极限平衡法求解边坡稳定性安全系数时已经考虑到地震的影响:水平作用力acwi,其中ac为水平加速度,wi为土体自重。计算时输入参数,则可方便快捷地得到计算结果。

水平加速度ac的取值取决于地震烈度,根据《中国地震烈度表》GB/T 17742-1999,分别计算烈度Ⅴ、烈度Ⅵ条件下坝体稳定性安全系数,该尾矿坝在烈度Ⅴ地震下的稳定性安全系数为0.9,烈度Ⅵ地震下的稳定性安全系数为0.537。

从计算结果可以看出,该尾矿库东坝抗震能力很差,在地震烈度不是很大的情况下,坝体稳定性安全系数就不能满足《尾矿库安全技术规程》AQ 2006-2005的要求,足以看出地震对尾矿坝稳定性的影响较大。

2.4 堆坝材料抗剪强度及刚度

尾矿库在运行过程中,堆坝材料的性质,如颗粒组成、密度、饱和度等因素会有变化;运行环境,如气象条件、库内水位等因素也会有变化,而这些变化都必将引起堆坝材料抗剪强度和刚度的变化,这些因素相互关联,相互影响,组成一个有机整体,共同作用于堆坝材料。如果遇到连续降雨的恶劣天气,肯定会使堆坝材料趋于饱和而变松软。以该尾矿库东坝为模型,计算坝体在强度和刚度相继折减之后稳定性安全系数的变化。

将强度及刚度折减计算结果汇总整理得图5。

图5 强度及刚度折减计算结果

从图5可以看出随着强度与刚度的折减,坝体稳定性安全系数均保持下降趋势,但是强度对坝体稳定性影响的敏感程度要远大于刚度。

下面计算强度及刚度同时折减时的坝体稳定性安全系数,直到安全系数不满足《尾矿库安全技术规程》AQ 2006-2005的要求时为止,这时得到的强度与刚度值为堆坝材料强度与刚度的基本要求,见表3。

表3 堆坝材料强度及刚度极限值

在选用堆坝材料之前,最好能做土力学实验,在最不利状况下的强度及刚度达不到表3要求时的材料要慎用。

3 结语

(1)Ansys Civilfem可以对坝体进行渗流场分析,得到坝体孔隙水压分布,并可以将结果直接用于尾矿坝边坡稳定性的分析,使得模拟结果更切实际。而且Ansys Civilfem可以轻松、直观得到基于极限平衡法和有限元法的坝体滑动面、安全系数等信息,可见其功能之强大。

(2)在正常运行条件下,实例尾矿库东坝坝体现状、设计坝高稳定性良好,安全系数符合《尾矿库安全技术规程》AQ 2006-2005的要求。

(3)该尾矿库东坝抗震能力较差,在运行过程中应该按照国家标准将防震措施落实到位。

(4)从计算结果来看,强度及刚度影响着尾矿坝坝坡稳定性,随着强度与刚度的折减,坝体稳定性安全系数均保持下降趋势,但是强度对坝体稳定性影响的敏感程度要远大于刚度,通过计算得到该尾矿库东坝堆坝材料强度及刚度的极限值。在选用堆坝材料之前,最好能做土力学实验,在最不利状况下的强度及刚度达不到工程堆坝材料强度及刚度极限值的材料要慎用。

(5)从计算结果来看,坝坡对稳定性影响很大:随着坝坡坡度增大,稳定性安全系数全都表现出下降趋势,而且下降幅度很大。

(6)从计算可以看出坝高对稳定性影响不如坡度那么明显,而且坝高对稳定性的影响还取决于坡度的大小。

(7)坝高、坡度、地震载荷、强度及刚度对尾矿坝稳定性影响敏感性存在差异,坝体稳定性对地震载荷最为敏感,其次是强度与坡度,再次是坝高与刚度。

(8)尾矿坝在运行过程中,其稳定性的分析与评价要本着动态分析与评价的思想,不仅要掌握坝的现状稳定性情况,还要掌握在设计坝高甚至超高情况下的稳定性;不仅要掌握在正常条件下的稳定性情况,还要考虑到诸如连续暴雨、地震等不正常条件下坝体稳定性情况。这样才能对目标尾矿坝稳定性状况全面、客观地把握。

1 卢廷浩,刘祖德等.高等土力学[M].北京:机械工业出版社,2005:12-31.

2 祝玉学,戚国庆等.尾矿库工程分析与管理[M].北京:冶金工业出版社,1999:24-40.

3 梁 力,李 明,王 玮,陈宝智等.尾矿库坝体稳定性数值分析方法[J].中国安全生产科学技术,2007, 3(5).

4 李 明,胡乃联,于 芳,何煦春等.ANSYS软件在尾矿坝稳定性分析中的应用研究[J].金属矿山,2005 (8).

5 祝玉学.关于尾矿库工程中几个问题的讨论[J].金属矿山,1998(10).

6 路美丽,崔 莉.影响尾矿坝渗流场的因素分析[J].中国安全科学学报,2004(6).

7 段 进,倪 栋等.ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M].北京:兵器工业出版社,2006.

8 尹光志,魏作安,许 江.细粒尾矿及其堆坝稳定性分析[M].重庆:重庆大学出版社,2004:30-50.

9 AQ 2006-2005,尾矿库安全技术规程[S].

10 Ansys Civilfem英文帮助.

＊严 涛:助理工程师。2008年毕业于东北大学安全技术及工程专业获硕士学位。现从事HSE及化工建设工程的试车工作。联系电话:18607118292,E-mail:yantao@cwcec.com。

2009-11-03)