文 兴 ,陈 星
(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)
某尾矿坝坝体稳定性分析
文 兴 ,陈 星
(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)
采用摩擦公式和抗倾覆公式等原理,建立了坝体计算模型,对某尾矿库浆砌石坝主坝体进行了稳定性计算分析,得出坝体抗滑稳定性系数和坝体抗倾覆稳定性系数,提出了增强该尾矿坝安全性的建议,对类似浆砌石坝的坝体稳定性计算和分析有较好的参考价值。
尾矿坝;浆砌石坝;稳定性分析
某尾矿坝主坝位于下水湾下游沟口,初期坝为浆砌石坝,坝顶标高为 +367.5 m,坝高 34 m,坝顶宽 10.3 m,坝顶轴线长 133.5 m,坝外坡比为1∶0.37,内坡比为 1∶0.1。建坝时,上游紧贴坝面设有底宽 15.0 m,顶宽 5.0 m,高 20.0 m的堆石体,坝底埋置 1根直径 500 mm排水管。坝基为灰岩,坝体两侧嵌入灰岩层中。坝面基本平整,坝体构筑情况良好,坝体外坡尚无坍塌迹象。
根据《砌体结构设计规范》(GB5003-2001)、土力学和水工建筑物等相关要求,采用摩擦公式及抗倾覆公式对坝体进行稳定分析。其坝体抗滑稳定系数 K的规定见表1。
表1 坝体抗滑稳定系数
坝体抗滑稳定性计算公式为:
式中:K——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数;
f——滑裂面上的摩擦系数;
ΣW——作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和;
ΣP——作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和。
根据《砌石坝设计规范》(SL25-2006),浆砌石坝级别为 2级,抗滑稳定性系数 K最小取 1.05。
2.1 计算模型的建立
根据该尾矿库工程地质勘察报告等资料,主坝采用不透水浆砌石坝,坝体顶宽 10.3 m,外坡坡比1∶0.37,内坡坡比 1∶0.1,坝体总高度为 34 m,坝基嵌入基岩下 2 m。坝体计算模型见图1。
图1 浆砌石坝体计算模型
2.2 计算参数的选取
计算参数选取见表2。
表2 尾矿及其它筑坝材料物理力学性能
2.3 墙后总压力计算
由于浆砌石坝坝后尾砂含水,故坝体内侧总压力为总土压力 Ea和水压力 Ew之和,受力强度分布见图2。
图2 坝体内侧受力强度分布
(1)尾砂主动土压力。采用库伦土压力理论计算坝体内侧尾砂主动土压力。由于坝后尾砂分层分布,需进行分层计算。在计算下分层尾砂压力时需将上部尾砂厚度换算为与计算层重度相同的当量厚度 h′,然后再按一层尾砂分别计算深度为 h′(计算层顶面)和 h′+h(计算层底面)的土压力。
根据库仑理论[1],计算得各分层的主动土压力系数分别为:
尾粘土:Ka1=0.893;
尾粉砂:Ka2=0.489;
尾粉土:Ka3=0.803;
图2中 A、B、C、D、E 4点处压力强度分别为:
A点:PaA=0
B点,分界面以上:
分界面以下:
C点,分界面以上:
尾砂的主动土压力合力 Ea=3252.66 kN/m。
(2)静水压力。计算公式为:
式中:rw——水的容重,9.8 kN/m3;
H——水位以下的墙高,28 m。则:Ew=3841.6 kN/m。
(3)尾砂主动土压力作用点位置。设 Ea作用点距墙底高度为 Hc,则:
(4)坝体内侧总压力在 X、Y方向的分力:
2.4 浆砌石坝自重及重心计算
(1)浆砌毛石坝自重。将坝体按图2划分为 2部分,浆砌毛石容重按 22 kN/m3计算,则浆砌毛石坝体自重 G=12749.4 kN。
(2)坝体重心 X0坐标。将坝体划分为 2部分,以 O点为原点,各分块 X坐标为:
则坝体重心 X0=GiXi/G=14.7 m。
2.5 扬压力计算
式中:l——坝底宽度 25.67 m;
α——扬压力折减系数,取 0.4。
则:U=1408.77 kN。
3.1 抗滑稳定性计算
坝后水平分力使墙沿底部接触面滑移,坝后垂直分力及坝体自重产生摩擦力抵抗滑移。抗滑稳定系数为[2]:
式中:μ——土对坝体基底的摩擦系数,根据水工挡土墙设计规范,当基岩为硬质岩石时,可取μ=0.6;
δ——墙背与填土之间的摩擦角,其值可由试验确定 ,取δ=2°。
计算得:Kc=1.01<1.05,故坝体的抗滑稳定性不满足规程要求,处于极限平衡状态。
3.2 抗倾覆稳定性计算
如图2,在土压力及静水压力作用下,坝体有可能产生沿坝趾 O点向外转动的失稳,因此需进行抗倾覆计算。抗倾覆稳定系数为[3]:
式中:Xf——以图2中 O点为原点,作用在坝体上总压力的 X坐标,Xf=24.19 m;
Yf——以图2中 O点为原点,作用在坝体上总压力的 Y坐标,Yf=11.28 m;
XU——以图2中 O点为原点,作用在坝基扬
压力的 X坐标,XU=17.1 m;
计算得:Ko=1.86>1.5,故坝体的抗倾覆稳定性满足要求。
通过对该尾矿坝砌石坝坝体的稳定性计算分析,得出坝体抗滑稳定性系数为 1.01,小于规程要求的 1.05,处于极限平衡状态;坝体抗倾覆稳定性系数为 1.86,满足规程要求。建议对坝体进行加固处理[4],并坚持监测监控[5],以防止安全事故发生。
[1]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算 (第二版)[M].北京:水利电力出版社,1994.
[2]杨航宇,等.公路边坡防护与治理 [M].北京:人民交通出版社.2003.
[3]舒安平.边坡稳定性分析方法评述[J].岩土工程界,2000,5(5).
[4]陈其付.琅琊山铜矿尾矿坝稳定性分析[J].采矿技术,2010,10(2):43-44.
[5]胡 军,胡 珊.尾矿坝自动化安全监测系统设计与实现[J].矿业研究与开发,2010,30(2):90-93.
2010-09-14)
文 兴 (1981-),男,甘肃庆阳人,工程硕士,工程师,主要从事矿山安全、岩土工程监测等方面研究工作,Email:wenxing0618@163.com。