坝坡稳定性数值模拟分析与研究

孙健美，赵怀轩

(1. 驻马店市水利工程局，河南 驻马店463000; 2. 河南省育兴建设工程管理有限公司，郑州450000)

随着社会经济的快速发展，工程建设与地质工作的关系越来越密切，如各种大型水库的兴建，越来越陡立的边坡工程，尤其是随着矿产资源开发业的迅猛发展，人们在获得有价值的矿产品的同时也产生了大量的废渣，因而出现越来越多的矿坝。这些坝体运营的好坏，不仅影响到一个企业的经济效益，而且严重威胁企业和人民的生命财产安全，对周围环境等造成严重污染，后果往往触目惊心。坝坡防护工程是集岩土工程、环境工程、地质工程和结构工程于一体的综合性难题，它既涉及典型的强度与稳定问题，又包含变形和地下水渗流问题，同时还涉及到抗震、固结、爆破、环保等问题。随着计算机技术的发展，数值模拟技术越来越成熟，在坝坡信息分析的基础上，对其建立数值模型进行模拟研究分析，加以现场监测的各项指标，通过统计和对比分析，从而对坝坡防护工程进行整体稳定性评价，具有重要的现实意义和实用价值。

1 工程概况

某尾矿坝设计总坝高90 m，总库容3 600 万m3，属中型库。根据坝高及库容综合判定为三级水工建筑物。主要由初期坝、尾矿堆积坝及排水系统组成。初期坝为滤水堆石坝( 透水坝) ，高度29 m，堆积坝高度66 m，坝长980 m，最终堆积标高352 m，正在考虑堆积到标高370 m 的可能性。尾矿库汇水面积2．01 km2，坝内设7个周边多孔溢水塔，满足堆筑标高352 m 以下的排水、排洪要求。当前总坝高为78 m，为分析和研究继续加高至标高345 m 及370 m 的可能性，先后有多家公司对坝体进行了3 次勘察，并针对坝体的稳定性开展了科技攻关和技术研究。

2 岩土工程条件

本尾矿坝采用上游法筑坝，母坝为透水坝，主要由碎石、块石组成，母岩成分为闪长岩、蚀变闪长岩、蚀变闪长玢岩、矽卡岩及少量红板岩。红板岩风化程度较强烈，多已风化崩解，手捏即碎，其风化物充填于碎石之间，闪长岩多为中风化，少量强风化，＞2 cm 的颗粒含量约50% ～70%，颗粒直径一般3 ～30 cm，最大可达80 cm 以上，以棱角～次棱角状为主，呈松散～稍密状，钻孔孔壁易坍塌掉块，颗粒级配不良，分选性较差，颗粒排列基本无规律，充填少量黏性土和粉细砂。各期子坝主要由来自采矿厂的碎石和尾矿砂、尾矿土组成。

1) 尾粉细砂红褐～黄褐色，稍密，饱和。颗粒分选性较差，呈次棱角～亚圆状，主要矿物成分为长石、石英、角闪石和云母等，局部具微层理，可见黏性土夹层，偶见碎石，具中等压缩性。主要分布于碎石层底部，厚度不均，层底标高不稳定。

2) 尾粉土褐～黄褐色，中密，很湿。土质不甚均匀，具微层理，局部夹薄层黏性土或粉细砂。摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，具中等压缩性。主要分布于尾粉细砂层底部，厚度不均，层底标高不稳定。

3) 尾粉质黏土褐～红褐色，可塑，局部软塑。土质不甚均匀，具微层理，局部夹薄层粉土或粉细砂。无摇振反应，土芯切面稍光滑，干强度中等，韧性中等，具高压缩性。主要分布于尾粉土层底部，厚度不均，层底标高不稳定。

4)尾黏土褐～红褐色，可塑，局部软塑。土质不甚均匀，具微层理，局部夹薄层粉土或粉细砂。无摇振反应，土芯切面光滑，干强度高，韧性高，具中等偏高压缩性。主要分布于尾粉质黏土层底部，混合花岗岩上部，厚度不均，层底标高不稳定。

坝体地下水主要为潜水和上层滞水，根据坝体地下水长期观测系统观测资料，坝体地下水位标高由母坝的283．70 m到子坝的323． 80 m，坝体相对高度约78 m，水位高差40．10 m，但是水力梯度并不大，同时坝体水位随着坝体的加高有逐年上升的趋势。坝体内的水体补给主要是放矿补给和大气降水补给，坝体地下水的排泄主要有地面蒸发和渗流。

3 数值模拟

3．1 原 理

本次计算采用FLAC 有限元程序的流固耦合模块进行，在每个堆积阶段，先根据堆积时间计算渗流场，得到坝体内的孔隙水压力分布情况，然后根据孔隙水情况调整坝体物质密度和总应力。最后根据Flac 3D solve fos 开始进行稳定系数计算，稳定系数用折减强度的方法，通过不断降低摩擦角和黏聚力，直到产生边坡破坏。摩擦角和黏聚力按照一个常量因子同时减小，FLAC 有限元程序按照相同的途径得到每一组强度参数，并进行计算，直到找到稳定系数为止。参数折减的具体办法如下:

3．2 模型及参数选取

本次计算是在考虑了渗流基础之上的稳定计算。因为尾矿坝是后期堆积而成的，周围山体的初始应力对其稳定性影响不大，因此计算模型的左右边界以尾矿坝上下限为界，底部向下取到260 m 高程。左右边界在x 方向固定，下部边界在x，y 方向同时固定。根据勘察的原位测试、室内土工试验成果，参照以往勘察资料及同类尾矿坝勘察经验，结合尾矿的沉积特点等，综合确定的尾矿坝内各层土的稳定性计算参数。

3．3 结 果

根据计算模型及所给的岩土物理力学参数，得到各工况下尾矿坝的安全系数及各工况下坝体最危险滑动面的情况。

3．4 分 析

从坝高334 m 时计算结果看，坝体最有可能滑动的滑面从子坝入口向下，穿尾粉细砂层、尾粉土( 尾粉质黏土) 后，沿尾黏土层向下游扩展，整体滑动面较深。从计算结果看，坝体的稳定性在正常运行和最高洪水位运行时的稳定系数分别为1．26 和1．24，大于规范要求的标准。从计算结果来看，洪水位( 安全超高0．7 m) 和正常水位( 安全超高1.0 m) 运行稳定情况差别较小，其原因从渗流计算可知，由于本尾矿坝子坝堆积及放矿的特点，库内水位的升高仅对浸润线的顶部有较大影响，对中下部影响较小，从而使得尾矿坝在正常运行和洪水位运行的整体稳定性差别不大。

4 对比分析

4．1 仪器设置

为了对坝体进行实时检测，在勘察钻孔中埋设和安装了试验检测仪器，并对测试孔设立标志进行保护。主要包括:浸润线观测装置、孔隙水压力计、土压力计和测斜管。

4．2 数据采集

经仪器厂家调试后开始检测，根据仪器说明书首先测试初始值，以后每隔30 ～60 d 测试1 次。

4．3 数据处理

对现场长期检测的土压力、孔隙水压力以及位移观测数据进行分析统计，根据数值模拟计算出来的坝体的应力及位移情况，对两种不同方法得出的数据进行分析和比较，验证数值模拟计算结果的正确性。

4．4 结果分析

2#钻孔位置坝体没有发生整体剪切滑移的迹象，受坝体加高和尾矿淤积影响，顶部有整体向外移动的趋势;10#钻孔位置测斜管的变形呈现上下小中间大的模式，反映了坝体具有一定程度整体旋转滑移的趋势，滑动面位置处于33 m 深度处，为尾黏土成分所处位置，与前面计算得到的滑动面位置大致相当，验证了计算推测的结果。这进一步说明该尾矿坝的稳定性并不是很高，需要在后期不断加强监测来确保安全。

5 结 语

根据尾矿坝的设计及实际运行历史及现状，定性认为该尾矿坝在当前坝高(334 m) 正常运行是安全的; 数值模拟计算得到现高尾矿坝在正常运行和洪水运行速度状态下坝体斜坡的稳定系数分别为1．26 和1．24，满足《尾矿库安全技术规程》( AQ 2006—2005) 不小于1．20、1．10 的要求;数值模拟计算得到的最危险滑面从子坝入口向下，穿尾粉细砂层、尾粉土( 尾粉质黏土) 后，沿尾黏土层向下游扩展，最后在1 期子坝附近穿出，整体滑动面较深;当前坝高的情况下尾矿坝运行是安全的。但由于尾黏土层抗剪强度较低，在坝底分布连续且局部较厚，控制了滑动面的深度，在特殊运行状态下的稳定系数接近于临界状态，尾矿坝整体稳定性不是太高，需加强监测。

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