尾矿坝地震液化初复判方法探讨

王立彬　袁子有　樊宇姣

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)



尾矿坝地震液化初复判方法探讨

王立彬袁子有樊宇姣

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

摘要尾矿坝地震液化对安全运行有着重要的影响。根据尾矿坝的自身特点，以影响尾矿坝地震液化的影响因素作为初步判别条件，当初判满足液化条件时，推荐采用规范中的简化判别法或有限元数值分析法进行复判验证，为尾矿坝地震液化分析提供了一种简化方法，对尾矿坝的液化判别具有指导意义。

关键词尾矿坝地震液化初判复判剪应力对比法时程分析法

尾矿冲积坝多数为饱和细砂、粉砂(少数为中粗砂和砂壤土)，在地震作用下很容易发生液化。因此，研究尾矿坝的地震液化是非常重要的[1]。国内进行有关尾矿坝地震液化的研究基本上始于上世纪80年代，而国外研究相对较早些。目前，尾矿坝的地震液化分析主要有简化判别法和有限元等数值分析方法[2-16]。简化判别法相对简单，但现有简化方法考虑的因素较多，计算过程相对繁琐；数值分析方法相对复杂，一般设计人员及工程技术人员不易掌握应用，且数值分析方法不易寻求合理的本构关系及正确地选取土层物理力学参数，目前计算结果定量应用还存在一定的困难[17]。本文根据尾矿坝的自身特点，建立了适合尾矿坝地震液化的初、复判方法，具有一定指导意义。

1尾矿坝地震液化判别思路

在文献[7]中，依据《建筑抗震设计规范》中液化地基土条件对尾矿坝土层进行初判，在尾矿坝土层不满足初判的条件下，利用标准贯入试验对尾矿坝是否存在液化危害进行复判。该方法适用性有待商榷，其一，严格来说尾矿坝并不属于建筑物范畴，尽管新版《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)和《构筑物抗震设计规范》(GB 50191—2012)已经完全统一了地基土的液化判别条件，但尾矿坝不同于天然地基，是由水力冲积而成的，尾矿浆的排放方式和尾矿的沉积规律决定了尾矿坝的自身特性，在尾矿库运行过程中，库内尾砂长期处于松散状态，属于欠固结砂土；其二，尾矿砂是人工材料，其力学特性不同于一般天然的砂土，尾矿中的黏粒具有低黏性，其抗液化能力较差，如按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中砂土黏粒含量的修正式对其抗液化能力进行修正[18]，单一地以标贯击数来判别，显然与实际不符，缺少试验依据[6]。但从文献[7]中得到启示，建立适合尾矿坝自身地震液化判别的方法，以真正地简化尾矿坝地震液化的分析与评价。

2尾矿坝地震液化初判条件分析

尾矿坝地震液化初判条件必然与尾矿坝地震液化的影响因素相关。

2.1粒度与级配

粒径d50=0.015～0.5 mm的砂土和塑性指数小于7的砂质黏土在一定条件下都可能发生液化，在不同地震烈度情况下，砂土液化的粒径d50范围见表1。其中以细砂、粉砂(d50=0.05～0.09mm)最容易液化。在其他条件相同时，颗粒均匀和级配良好的砂土相对容易发生液化。当砂土的不均匀系数Cu增大到一定程度(Cu>10) 时，砂土反而不容易发生液化[19]。

表1　砂土液化界限值参考表[1]

注：1.括号中的覆盖压力适用于砂质黏土；2.6度地震烈度时，相对密度界限值为0.65。

2.2黏粒和细粒含量

黏粒含量对砂土的振动液化有着较大影响，主要原因在于黏土矿物颗粒间的相互作用使得土体具有很强的抗液化能力。试验研究表明，黏粒含量随着细粒尾矿的含量增加而增加，当细颗粒(粒径小于0.074 mm的颗粒)含量占到总量的35%时，其抗液化性能最佳[20]。

2.3尾矿砂的相对密度

试验表明，在其他条件相同时，尾矿砂的相对密实度Dr越小，抗液化强度越小。根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)，当相对密实度在0.3～0.7时，砂土发生液化时的剪应力大致与相对密实度成正比。在不同地震烈度情况下，饱和砂土可能发生液化的临界相对密实度Dr见表1。

2.4有效覆盖压力

有效覆盖压力是饱和砂土层以上的有效砂土重量，上覆砂土层厚度越大时，有效覆盖压力就越大。表1列出了砂土液化界限参考值。只有当下部饱和砂土聚集起的超静孔隙水压力大于上覆砂土层的有效重力时，下部饱和砂土才可能发生振动液化。埋深大的饱和砂土较埋深小的饱和砂土难液化，而上覆砂土层的透水性越大，饱和砂土在受到震动作用下，砂土中的水很容易透过上覆砂土层迅速排出，超静孔隙水压力消失也越快，因此，在这种情况下很难在砂土层内聚集起使砂土液化所需的超静孔隙水压力，饱和砂土层一般不易液化；相反，若上覆砂土层透水性较弱，则有可能产生液化。直接出露于外坝坡的饱水砂土层最易液化。

2.5浸润线埋深

尾矿坝体内的浸润线相当于天然地基中的地下水位线，其对坝体的地震液化起着关键性作用。在尾矿库运行过程中，库内尾砂长期处于松散状态，坝体浸润线以下的尾砂呈饱和状态，其孔隙全部由水充填，如坝体浸润线埋深过浅或逸出，且其上无有效盖重或有效盖重不足，在地震荷载作用下尾矿坝体极易发生液化破坏。研究表明，浸润线埋深对坝体地震液化的影响显著，坝体浸润线埋深越深，尾矿坝地震液化区分布范围越小，坝体抵抗液化变形的能力越强，坝体的安全度越高[12]。

在《构筑物抗震设计规范》(GB 50191—2012)中尾矿坝的抗震构造措施要求一级、二级、三级尾矿坝下游坡面浸润线埋深不宜小于6 m，四级、五级尾矿坝不宜小于4 m，可将此作为浸润线埋深影响尾矿坝地震液化的初判条件[21]。

3尾矿坝地震液化初判方法

对于同一种选矿工艺下的尾矿库，当尾矿浆的排放方式不变时，其尾矿的沉积规律也趋于稳定。针对同一尾矿库，如要判断其地震液化的可能性，首先应从其粒径与级配入手，分析尾矿砂的中值粒径、级配曲线以及黏细粒含量等指标参数，判断该尾矿砂颗粒是否属于易液化颗粒粒径，计算其不均匀系数Cu及黏细粒含量P。如尾矿砂的中值粒径不在表1所属范围内，可判定为不液化；如尾矿砂的中值粒径在表1所属范围内，但其不均匀系数Cu>10或黏细粒含量P>35%时，可初步判定为不液化。如已确定尾矿砂属于易液化粒径颗粒，且不均匀系数Cu<10或黏细粒含量P<35%，但尾矿砂的相对密度Dr大于表1所列数值或饱和易液化的尾矿砂层之上的有效覆盖压力大于表1所列数值，可初步判定为不液化，否则，判定为可能液化，需进行复判；亦或尾矿坝体的浸润线埋深小于规范要求的最小值[21]，且易液化的尾矿砂层恰好位于坝体浸润线埋深范围内，此时可初步判定为可能液化，需进行复判，否则，初步判定为不液化。具体判别步骤见图1。

图1　尾矿坝地震液化初判步骤示意

4尾矿坝地震液化复判方法

当尾矿坝经初步判定为可能发生液化，推荐采用《构筑物抗震设计规范》(GB 50191—2012)中的方法进行复判验证，并按照规范要求：四级、五级尾矿坝采用简化判别方法(剪应力对比法)；一级、二级、三级尾矿坝采用二维或三维时程分析法。

4.1四级、五级尾矿坝地震液化判别

(1)尾矿的液化应力比宜根据尾矿沉积状态通过动力试验确定，当无试验结果时，可按下列公式计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，R为尾矿的液化应力比；c为试验条件修正系数，可取1.2；λd为相对密度修正系数；R15为固结比等于1，相对密度为50%，等价地震作用次数为15时的三轴试验液化应力比；Nsf为震次修整系数；Dr为尾矿砂的相对密度，%；d50为尾矿砂的中值粒径，mm；Ne为等价地震作用次数，可按表2取值。

表2　等价地震作用次数

注：中间值可采用线性插入法计算，但应取整数。

(2)地震裂度为7～9度时，四级和五级尾矿坝的地震作用应力比可按下式计算：

(5)

(3)尾矿液化率可按下式计算：

(6)

当尾矿坝体中饱和尾矿的液化率FL≤1.0时，应判定为液化。

4.2一级、二级、三级尾矿坝地震液化分析

采用时程分析法进行尾矿坝抗震计算时，应符合下列规定：①应按材料的非线性应力、应变关系计算地震前的初始应力状态;②宜采用室内动力试验方法测定尾矿等材料的动力变形特性和抗液化强度;③宜采用等效线性或非线性时程分析法求解地震应力和加速度反应;④应根据地震作用效应计算沿滑动面的地震稳定性，并应验证坝体地震永久变形。

尾矿坝动力分析使用的地震加速度时程应符合下列规定：①应至少选取2条类似场地和地震地质环境的地震加速度记录和1条人工模拟的地震加速度时程曲线;②人工模拟地震加速度时程的目标谱应采用场地的设计反应谱;③地震加速度时程的峰值应采用设计基本加速度值;④人工模拟地震加速度时程的持续时间可按表3取值。

表3　地震加速度时程的持续时间

注：近震持续时间取小值，远震取大值。

5结论

(1)尾矿坝是由水力冲填而成，尾矿浆的排放方式和尾矿的沉积规律决定了尾矿坝的特性。在尾矿库运行过程中，库内尾砂长期处于松散状态，属于欠固结土，其力学特性不同于一般砂土，尾矿中的黏粒具有低黏性，其抗液化能力较差，《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中的初、复判方法不适合尾矿坝液化判别。

(2)根据尾矿坝自身特点，分析总结影响尾矿坝地震液化的相关影响因素，将其作为尾矿坝地震液化的初判条件，经过对相关影响因素进行分析，建立了尾矿坝地震液化初判步骤流程。

(3)当尾矿坝经初步判定为可能发生液化，需要进一步复判时，推荐采用《构筑物抗震设计规范》(GB50191—2012)中的的简化判别法或有限元数值分析法进行复判验证。

参考文献

[1]《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料[M].北京：冶金工业出版社，1980.

[2]Seed H B，Idriss I M. Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，ASCE，1971，97(7)：1249-1273.

[3]姜涛.尾矿坝砂土液化的简化判别方法[C]∥姚伯英，侯忠良.构筑物抗震.北京：测绘出版社，1990，112-122.

[4] 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.

[5]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.

[6]张超，杨春和.尾矿坝液化判别简化方法研究[J].岩石力学与工程学报，2006(S2)：3730-3736.

[7]袁兵，王飞跃，金永健，杨铠腾.尾矿坝的液化判别研究[J].中国安全科学学报，2007，17(6):166-171.

[8]徐志英，沈珠江.高尾矿坝的地震液化和稳定分析[J].岩土工程学报，1981(4):22-32.

[9]潘建平，孔宪京，邹德高.尾矿坝地震液化分析[C]∥首届全国水工抗震防灾学术会议论文集.南京：中国水力发电工程学会抗震防灾专业委员会，2006：5.

[10]蔡嗣经，张栋，何理.地震中尾矿库液化失稳机理及数值模拟研究[J].有色金属科学与工程，2011(2):1-6.

[11]周汉民.库水位对尾矿坝抗震液化稳定性的影响分析[J].中国矿业，2011，20(10):103-106.

[12]倪尤运，林启祥，吴光富，孙丽敏.浸润线对上游法尾矿坝地震液化区影响[J].现代矿业，2011(6):109-111.

[13]宋宜祥.尾矿坝地震液化及稳定性分析[D].大连：大连理工大学，2012.

[14]张进，乐陶，曹纪刚.头石山尾矿坝的动力液化分析[J].金属矿山，2012(6):13-15,18.

[15]张富有，李刘操，徐松.基于液化判别的尾矿坝动力稳定性分析[J].河海大学学报：自然科学版，2012，40(6)：648-652.

[16]金佳旭，梁力，陈天宇，等.基于液化流动模型的尾矿坝地震响应分析[J].地震工程与工程振动，2013，33(3):232-238.

[17]潘建平.尾矿坝抗震设计研究进展[J].中国钨业，2009，24(2):28-31.

[18]中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑物抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[19]王会芬.尾矿坝砂土液化机理及其判别方法研究[J].施工技术，2010(S1):672-675.

[20]张超，杨春和.细粒含量对尾矿材料液化特性的影响[J].岩土力学，2006，27(7):1133-1137,1142.

[21]中冶建筑研究总院有限公司.GB 50191—2012构筑物抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

(收稿日期2015-11-20)

Discussion of the Primary and Compound Discrimination of the Earthquake Liquefaction of Tailings Dam

Wang LibinYuan ZiyouFan Yujiao

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Qinhuangdao Co., Ltd.)

AbstractThe earthquake liquefaction of tailings dam has important implications to the safety operation of tailings dam. According to the characteristics of tailings dam, taking the influence factors of the earthquake liquefaction of tailings dam as the primary discrimination conditions, if the primary discrimination can meet the liquefaction conditions, the simplified discrimination method or the finite element numerical analysis method can be recommended to be adopted to conduct the compound discrimination. The above results can provide a simplified method to the earthquake liquefaction of tailings dam. Besides that, it also has guiding significance for the liquefaction discrimination of tailings dam.

KeywordsTailings dam, Earthquake liquefaction, Primary discrimination, Compound discrimination, Shear stress correlation method, Time-history analysis method

王立彬(1983—)，男，工程师，硕士，066004 河北省秦皇岛市经济技术开发区龙海道71号。