基于Atobank的有限元法在尾矿坝渗流及边坡稳定性分析中的应用

孙文杰

摘 要：针对目前尾矿坝边坡中存在的安全问题，利用Atobank提供的线弹性模型，采用有限元分析理论，对尾矿坝边坡进行了建模、有限元分析计算，并得了出浸润线、最危险滑裂面和安全系数。计算结果表明，用Atobank分析尾矿坝渗流和边坡的稳定性具有一定的实用性和可靠性，进而为尾矿库的的安全管理提供了一定的参考依据。

关键词：尾矿坝；有限元；渗流分析；边坡稳定性

中图分类号：TV649 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.096

目前，我国有尾矿库约1 500座。其中，许多尾矿库已处于中后期服役，尾矿堆积坝形成高边坡，一旦滑坡失稳，就会造成重大的人员伤亡和经济损失，并严重污染环境。因此，尾矿坝的边坡安全稳定性分析至关重要。

1 有限元理论

1.1 渗流计算原理

渗流计算方法采用有限元法，基本微分方程式及其边界条件为：

式（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中：h为水头函数；Kx、Ky、Kz分别为以空间x、y、z坐标轴为主方向的主渗透系数；t为渗流时间；Ss为贮水率；ρ为流体密度；g为重力加速度；α为土的压缩系数；β为水的压缩系数；h0为初始水头；K为渗透矩阵；n为Γ2的外法线方向；q为Γ2的侧向补给量；Γ1为已知水头值的边界曲面；Γ2为已知流量值的边界曲面；H为边界水头。

1.2 坝坡稳定性分析原理

稳定性计算根据刚体极限平衡理论，采用瑞典圆弧法，计算公式为：

式（8）中：C为固结不排水剪应力强度指标；α为土条底面中点处切线与水平线的夹角；Wk为计算抗滑力时单位宽度土条的质量；Dv为某一土条垂直向地震惯性力的总和；Dh为某一土条水平地震惯性力的总和；φ为固结不排水剪应力强度指标；Wh为计算滑动力单位宽度土条的质量；Mc为水平向地震惯性力Dh对圆心的力矩；R0为滑弧半径。

2 实例分析

2.1 某尾矿库的设计概况

某矿山尾矿库属于山谷型湿排尾矿库，位于选矿厂东侧1 km处的山谷内。尾矿库初期坝为碾压土石坝，初期坝高15 m，堆积坝最大坝高为80 m。尾矿放矿工艺采用了上游式分散放矿，沉积滩的平均坡度为1.0%，设计干滩的长度为200 m，堆积坝的最终边坡比为1∶4.

初期坝在坝顶标高以上7 m（即坝顶标高以上第三级平台处），距初期坝中心线34 m处设置了排渗井和排渗管。

2.2 建立有限元模型

采用Atobank对尾矿坝和地基进行了有限元模拟。坐标轴方向为：尾矿坝纵向为x轴正向，竖向为y轴正向。

约束情况为：四周为法向约束、基础底面为固端约束。

2.3 选取计算参数

尾矿沉积滩分为4层，从上到下依次为尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土和尾黏土。尾矿坝的材料物理力学指标如表1所示。

2.4 计算工况

计算工况为：正常水位运行工况、洪水位运行工况和特殊（地震）工况。

2.5 计算结果分析

根据最大坝高典型剖面，采用Atobank有限元软件和瑞典圆弧法，渗流和稳定性计算结果如表2所示。

综上所述，初期坝在增设排渗设施后，有效降低了尾矿堆积坝的浸润线。

3 结论

采用有限元法进行尾矿坝渗流和边坡的稳定性分析是可靠、合理的；尾矿库初期坝增设排渗设施能有效降低尾矿坝的浸润线，从而提高尾矿堆积坝的边坡稳定性，这对尾矿库的安全运行起到了至关重要的作用。

参考文献

[1]徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析[J].工业建筑，2001，31（01）：69-71.

[2]王凤江，王来贵.尾矿库灾害及其工程整治[J].中国地质灾害与防治学报，2003（03）：76-80.

〔编辑：张思楠〕