马利东,肖尊群
(1.中国水利水电第八工程局有限公司,湖南 长沙 410000;2.武汉工程大学资源与土木工程学院 ,湖北 武汉 430000)
某尾矿库坝体渗流稳定有限元分析
马利东1,肖尊群2
(1.中国水利水电第八工程局有限公司,湖南 长沙 410000;2.武汉工程大学资源与土木工程学院 ,湖北 武汉 430000)
选取合适的坝体断面,对某尾矿坝进行多断面的二维渗流有限元分析,确定坝体等水头线和浸润线,并采用瑞典圆弧法对坝体进行整体稳定性分析,根据分析结果采取相应的防渗加固措施。
坝体;断面;尾矿坝;渗流;瑞典圆弧法;稳定性
尾矿库是矿山生产中的重要设施。一般尾矿库都建在离厂区一定范围之内,有的靠近村庄,有的靠近河流。一旦失事,其破坏性巨大,通常采用尾矿坝的形势对尾矿库的矿渣进行支挡,因此,尾矿坝成为尾矿库的重要组成部分[1]。作为支挡结构,尾矿坝的稳定性是尾矿库安全运营的关键技术问题,特别是近年来,尾矿坝溃坝事件的发生,造成重大的人员伤亡和财产损失,使得尾矿库的勘察、设计和施工越来越引起安全生产部门的高度重视。目前,绝大部分是采用投资较少的上游式尾矿筑坝法。对于上游式尾矿筑坝法,就坝体稳定而言,涉及的影响因素很多,其中渗流的影响非常大,因此,在一般的尾矿坝分析时,都需要作基于渗流因素的坝体稳定性分析[2]。尾矿坝在库水位及下游水位的作用下产生渗流,在浸润面以下的坝体处于流场内,受到指向下游坝坡的渗透力的作用。这渗透力影响到尾矿坝体的稳定状态[3]。
2.1 渗流对坝体稳定性影响
就坝体稳定而言,涉及的影响因素很多,但无论从理论研究或是工程实践所展示的资料分析,渗流的影响都是一个重要的因素。尾矿坝在库水位及下游水位的作用下产生渗流,在浸润面以下的坝体处于流场内,受到指向下游坝坡的渗透力的作用。
渗流对坝体的影响主要表现在2个方面[4]:
(1)影响坝坡整体稳定的渗透压力。在流场中作用于尾矿坝体的渗流压力产生的本质是水在渗流过程中受到了尾矿颗粒的摩擦阻力而在渗透途径上损失了水头,与此同时尾矿颗拉也受到水沿渗流方向施加于尾矿颗粒的拖曳力—渗透压力。渗透压力在数值上等于在渗流方向上损失的水头,它是体积力,其大小取决于渗透坡降。由于渗透压力的存在,降低了整体坝坡的稳定性。
(2)渗透变形。尾矿体在渗流的作用下,也可能产生自身变形和破坏的现象。渗流出口处的颗粒特征及其渗透压力的条件对坝体的安全有重要意义。渗流出口处的尾矿在非正常渗流情况下,能导致坝体流土、冲刷及管涌等多种形式的渗透破坏。在渗流场中产生渗透变形,必须具备2个基本条件:①渗透压力能克服尾矿颗粒间的联系强度;②尾矿体的内部结构及其边界有颗粒位移的通道和空间。
2.2 渗流稳定有限元分析计算方法
随着电子计算机技术的发展,有限单元法的数值解法得到迅速发展,该方法适用于均质或不均质的各种复杂边界条件的渗流计算,逐渐成为渗流稳定性分析的主流方法[5]。
2.2.1 控制方程与基本条件
对于饱和土而言,假定渗流过程中孔隙比不变,即土的渗透系数不随时间变化。前而已推导出二维渗流问题的控制方程为[6]:
(1)
渗流问题数值计算的边界条件有2类。第一类边界条件是给定水头边界,这种边界常出现在渗流区域与地表水的连接处。对于这种边界上的所有点,任何一时刻水头h是给定的,即:
h(x,y,t)|r1=φ(x,y,t),x,y∈Γ1,t0
(2)
第二类边界条件是给定水流通章(流入或流出)边界,在这种类型的边界,单位面积流入(或流出)的通量是己知的,即:
(3)
式中:cos(n,x),cos(n,y)为边界外法线向量与坐标轴正向之间夹角的余弦;q(x,y,t)为t时刻边界Γ2上某点(x,y)处水流量,为己知函数。
除了上述2类边界条件外,渗流问题的边界条件也可以是混合边界条件,即部分边界上的水头为己如、部分边界上的流量为己知。
2.2.2 泛函和变分
式(1)所示微分方程在复杂的边界条件下无法得到解析解,采用数值方法计算时,首先建立h的泛函,一定边值问题的解就是这个泛函的极小值,这个求解过程就是变分。
对二维渗流情况(见图1),在x方向,dt时间内,外力在单位重量流体上所做的功的增量为:
图1 单元流体做的功示意图
dAx=-dqxdhx*
(4)
式中:dqx为为x方向的流增量;dhx*为在x方向上的近似水头差,上标*表示近似,dhx*即为:
(5)
则:
(6)
结合式(1),整理得:
(7)
(8)
(9)
由虚功原理,在某一渗流域Ω中,忽略流体的可压缩性,其渗流能的表达式为:
(10)
(11)
式中1(h)是一个泛函,求其极小值,对应的h(x,y)就是式(1)的解[7]。
3.1 工程概况
工程选定的锰渣库库址周边地质条件较好,发生大型地质灾害(泥石流、崩塌)的可能性较小,适宜作为锰渣库库址。锰渣库地层自然防渗性较差,库区采用HDPE膜防渗可以解决该问题。锰渣库总库容为125.70×104m3,总坝高51.6 m,属于四等库,可为目前加工厂提供约11.3 a的锰渣堆存服务。锰渣库共建有3座坝,分别为1号坝、2号坝及3号坝,均为土坝。
3.1.1 地质构造情况
该尾矿库工程位于雪峰台凸之东南边,祁阳山字型构造南翼反射弧内测,呈向斜盆地构造。盆地长23 km,宽0.5~3.0 km,轴向北偏东15°左右。断裂构造较为发育,全区主要断层有8条。纵向断层较大,沿走向呈舒缓波状。纵向断层早于横向断层,断距15~50 m。第四系不发育。
3.1.2 地层岩性
库区主要地层由上至下为第四系耕土、冲洪积、坡积土、残积土、页岩、砂岩。现描述如下:
(a)耕土(Q4ml):湿,流塑—软塑,含植物根及少量砂岩、页岩角砾。
(b)坡积粉质黏土(Q4dl):硬塑,含强风化砂岩、页岩角砾约10%~15%。
(c)强风化砂岩(P2l):夹页岩薄层,岩石风化裂隙强烈发育,岩体呈碎块状,少量柱状。
(d)中风化砂岩(P2l):夹页岩薄层,岩石风化裂隙较发育,岩体呈块状、柱状。
3.2 尾矿坝体渗流分析
根据工程实际情况,渗流分析的内容包括:①确定坝体浸润线,供坝体稳定计算或选定排水设备用;②确定坝体的渗流量,用以估算锰渣库渗漏量;③确定坝坡及坝基渗透比降,以判断其渗透稳定性。
计算模型的基本假定如下:①土体中渗流流速不大且处于层流状态,渗流服从达西定律,即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积,v=Ki;②发生渗流量时土体空隙尺寸不变,结合达西定律,求得各向同性的均匀土体,解二元稳定渗流的拉普拉斯方程式;③渗流计算条件:渗流计算考虑的水位组合为:上游正常运行水位+下游水位;上游洪水运行水位+下游水位。
(1)剖面图的选取:由于考虑到堆积坝顶水流向两侧渗漏的可能性,在尾矿堆积1号坝平面图上定2个剖面A-A、与B-B,分别称之为1号断面和2号断面(见图2)。
剖面图上的工程地质填图根据尾矿颗粒组成、现场调查以及长期设计经验,将坝体划分为6个区,分别为初期坝、粗尾矿区、中尾矿区、细尾矿区库底表层风化料区和基岩。1、2号断面坝材料分区及1、2号断面坝单元格分区见图3~6。
图2 计算剖面的选取图
(2)有限单元模型。岩土层渗透系数采用现场水文地质试验并结合经验综合确定(见表1)。
表1 岩土层渗透系数表 m/s
图3 1号断面坝材料分区图
图4 2号断面坝材料分区图
图5 1号断面坝单元格分区图
图6 2号断面坝单元格划分图
(3)渗流计算结果分析。计算边界条件以防止水流从堆积坝下游边坡溢出为准,上游坡干滩长度应不低于100 m,并根据此边界条件对正常洪水位以下的渗流状况进行有限元分析。从整个计算过程中发现:控制尾矿库中的水位,保持于滩长度对于渗流稳定是十分重要的。干滩长度超过100 m时,堆积坝下游坡一般不会有水流逸出,库底表层料的透水性对于降低浸润线高度的效果十分明显。
当浸润线从坝外坡某高程出逸且出逸点的水力坡降大于筑坝材州颗粒所允许的渗透坡降时,则坝料颗粒将被冲走从而导致坝体产生渗流破环。从该尾矿坝情况来看,一是初期坝是透水堆石坝,占到总坝高的近1/3,渗水性能特别好,二是尾矿浓度较高 ,尾矿水量小,尾矿库内的尾矿澄清水尽量排到坝下清水池供选矿厂回收用于选矿生产,库内存水不会太多,水位不会太高,这些都有利于降低浸润线。在实际运行中如有渗水从堆积坝两侧出逸,则采取降低浸润线的降水措施进行治理。有限元分析计算结果见图7~8。
图7 1号断面水头等势线与浸润面
图8 2号断面坝水头等势线与浸润图
3.3 坝体的整体稳定性分析
剖面图的选取同渗流分析剖面图。稳定分析共涉及7层岩土层,各岩土层主要力学指标见表2。
表2 岩土层主要力学指标表
坝体稳定性计算方法采用瑞典圆弧法,瑞典圆弧法首先是由瑞典的彼得森所提出,它假定滑弧面近似于圆形,不计条块间作用力。当坝基或坝体内存在软弱土层时,可采用改良圆弧法。根据该工程的工程地质勘察报告,坝基存在软弱土层,但是设计考虑对软土采用换土法进行处理,处理后软弱土层消失。因此,本次稳定分析方法为瑞典圆弧法—总应力法。对锰渣坝在正常运行、洪水运行以及特殊运行工况均进行稳定分析。
根据拟定的初期坝及锰渣堆积坝结构,对2号断面进行抗滑稳定分析,分析结果见表3,坝体整体稳定性分析见图9。
表3 锰渣库抗滑稳定计算表
图9 坝体整体稳定性分析图
由表3可以看出,计算的坝体最小安全系数满足规范的要求,但是计算值与规范值相差很小,即安全富余不大。在锰渣库运行中,必须严格按照有关设计要求进行处理,以保证该锰渣库的安全,建议采取以下方法对坝体进行防渗处理。
3.3.1 库底防渗设计
库底防渗层设计如下:首先将库区底部整平(石牙爆破、清除表面灌木杂草、洼地回填黏土等)以便碾压设备等能正常施工,然后在整个库区平铺1层黏土,覆盖厚度不得小于50 cm,并将黏土垫层采用振动碾压密实,然后在黏土层上面依次铺设两布一膜复合土工膜/30 cm厚黏土保护层。
3.3.2 库周反滤设计
首先将库周边坡上的石牙等爆破修平并进行溶洞处理完成后,根据边坡条件的不同,采用2种不同的处理方式:
(1)对于库周边坡坡度较缓的,采用不小于30 cm厚砂砾石层铺盖后,在砂砾石层上铺盖500 g/m2土工布,然后在土工布上面再采用30 cm厚砂砾石保护层压盖。
(2)对于第一种方式不能处理的山坡(边坡太陡无法用砂砾石覆盖),在将山坡表层爆破修平后,直接采用喷射混凝土封闭,喷射厚度不小于10 cm,然后在其表面采用500 g/m2土工布铺盖。土工布采用膨胀螺丝或其他方式固定后,再将土工布穿刺部位重新缝补土工布进行覆盖。搭接方式为人工缝接,搭接宽度不小于30 cm。
库底防渗层与库周反滤层交接部位一般位于山坡的坡脚处,设置齿槽对搭接部分进行处理。具体措施为:沿防渗层与反滤层交接处开挖深约1.2 m、宽约1.0 m的沟槽,首先将防渗层的土工膜延伸入沟槽内(土工膜下适当铺黏土作保护层),再采用黏土回填覆盖深约0.6 m,人工将黏土压实,然后将反滤层的土工布延伸至沟槽内,采用黏土回填至原地面高程并压实,最后将沟槽位置采用砂砾石覆盖。
(1)尾矿坝体渗流稳定性对于尾矿坝设计十分重要,在进行坝体稳定性分析时,建议根据现场尾矿坝的地形、地貌、工程地质条件选取适合的坝体断面,通常选取与过水断面平行和垂直的2个断面进行二维渗流分析,有限元分析结果更加直观、准确,能够为防渗设计提供有意义的参考。工程案例计算结果表明:控制尾矿库中的水位,保持干滩长度对于渗流稳定是十分重要的,干滩长度超过100 m时,堆积坝下游坡一般不会有水流逸出。
(2)对尾矿坝体进行整体稳定性分析时,通常采用整体瑞典圆弧法,通过计算圆弧滑体的整体稳定性安全系数,并且与有关规范对坝体整体稳定最小安全系数进行对比,为坝体的防渗加固措施提供重要参考。工程案例计算结果表明:该尾矿坝的整体稳定性安全系数较低,需要对坝体进行相应的防渗加固处理。
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(责任编辑 姚小槐)
2015-06-09
马利东(1982-),男,工程师,硕士,主要从事施工技术(水电、路桥、建筑)及施工管理研究。
E-mail:hohocsu@qq.com
TU4
B
1008-701X(2016)01-0080-04
10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2015.06.024