申家峪尾矿坝地震动力反应分析与研究

高尚青

（国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京100029）

申家峪尾矿坝地震动力反应分析与研究

高尚青

（国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京100029）

申家峪尾矿库为坝高138m的二等库，由于筑坝工艺改为干堆使坝体结构发生变化，应对坝体的抗震稳定性进行计算和分析。研究工作根据库区工程地质环境、坝体土体物理力学特性，以主坝轴线为剖面建立几何模型，采用时域上的Wilson-θ逐步积分法，按照等价线性法对尾矿库坝体进行动力分析，得到了动力状态下坝内地震速度、地震加速度、地震位移、主应力、剪切应力及应变、超空隙水压分布及坝体自振频率，并结合计算结果对尾矿坝在动力状态下的稳定性进行了分析。研究分析表明，在加载EL Centro地震波的情况下，干堆筑坝方式的实施使坝体的抗震稳定性提高，有利于尾矿库的安全运行。

尾矿坝；地震波；动力计算；时程法

尾矿库的土层是由尾砂颗粒所构成的土骨架和孔隙中的水及空气组成的。由于尾砂颗粒之间连接较弱，骨架结构具有不稳定性，故只有当动荷载及变形很小、土体密实时，土颗粒之间的连结几乎不会遭到破坏，而土骨架的变形能够恢复，并且土颗粒之间相互移动所损耗的能量也很小时，才可以忽略塑性变形，认为尾砂处于理想的粘、弹性力学状态。随着动荷载的增大，尾砂颗粒之间的连接逐渐破坏，骨架将产生不可恢复的变形，并且尾砂颗粒之间相互移动所损耗的能量也将增大，尾砂越来越明显的表现出塑性性能。当动荷载增大到一定程度时，尾砂颗粒之间的连接几乎完全破坏，尾砂将处于塑性流动或破坏状态［1］。

坝体动力反应分析，即是考查坝内在动荷载作用下发生弹塑性变形的程度，以及考查坝体是否会发生塑流变形的可能性。

本文通过对申家峪尾矿库坝体地震动力分析，选取合适的数学模型和计算方法，为同类型坝体的地震动力分析过程提供参考依据。

1 工程概况

河北金厂峪矿业有限责任公司申家峪尾矿库位于唐山迁西县金厂峪镇，距迁西县城30km。申家峪尾矿库地处山体沟谷，三面环山，南高北低，北面沟口筑透水堆石初期坝，为山谷型尾矿库。库区出露的地层主要为太古界迁西群古老变质岩系，工

程地质和水文地质条件简单。尾矿库原设计坝体标高316m，总坝高114m，设计总库容为650万m3。公司于2012年对尾矿库进行扩建工程，设计堆积标高340m，坝高138m，总库容1369万m3，为二等库。申家峪尾矿库目前正在实施扩建工程，现状堆积标高322m。由于放矿筑坝工艺调整，为确保尾矿库的安全运行，根据《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013）有必要对尾矿库坝体的抗震稳定性进行分析和研究。

2 地震动力非线性分析方法

地震动力分析，可以采用时域法或频域法。本文采用时域上的Wilson-θ逐步积分法，按照等价线性法进行动力分析［2］。根据等价线性法，具有粘滞阻尼的非线性土体可以简化为一个等价粘弹性振动体系，地震作用下土体的运动方程见式（1）。

边界条件为：在基岩面上｛δ｝x=0=0。

采用Wilson-θ逐步积分法求解上述动力方程，按照位移函数确定的应变-位移关系，得到单元的动应变，再根据应力-应变关系求出各单元的动应力。

采用等价线性化的思想考虑土体的动力非线性性质，其基本做法是：根据选定的剪切模量及阻尼比的初始值G0与ξ0，在频域或时域上运用波动理论或线性有限元法估计土体的动力反应，经此确定各土体单元的有效应变γeff（通常取最大剪应γmax的0.65倍），然后依据试验得到的土料G～γ与ξ～γ曲线，估计与当前特征应变水平γeff相应的动力参数，进而再次进行线性分析，以此类推，不断迭代至所选用的动力参数与所取得的有效应变相协调，最终结果即为土体的非线性动力响应。

3 地震和坝基基岩地震参数

分析中采用了典型自然地震波——EL Centro地震波、迁安地震波及根据实际场地条件人工拟合的地震波。通过这三种地震波进行反应成果的对比分析，以充分论证各种地震荷载的动力效应，从而分析确定尾矿坝加高后在动力作用下的稳定性。

根据国家地震局编制的中国地震烈度区划图，迁西县的地震动峰值加速度值为0.10g（g=9.8m/s2），尾矿库场区地震基本烈度为Ⅵ度。

先对三种地震波按当地岩土特征进行地震特征化（地震加速度0.10g（g=9.8m/s2）处理，再加载到坝体进行分析。选取地震反应最大的波谱作为动力反应输入地震波，然后加载到不同标高坝体中进行考查坝体对特征地震波的反应状况［4］。输入的地震波时程曲线见图1～3。

图1 特征化后EL Centro波

图2 特征化后迁安波

图3 特征化后人工波

从图1～3中可以看出，EL Centro地震波较迁安波地震反应更强烈，因此主要采用EL Centro地震波计算分析尾矿库扩建终期坝体标高340m时的状况，坝体计算模型见图4。

4 动力反应分析

4.1 地震速度

采用特征地震波模拟的坝内节点地震速度最大值见表1，从输入三种特征波的计算结果看，坝内的地震速度反应均不是太大。

4.2 地震加速度

表2给出了采用三种地震波模拟的节点最大地震加速度值。

图4 坝体340m标高地震特征点位置图

表1 标高340m特征地震波坝内地震速度表/（m/s）

从计算结果来看，地震中垂直加速度放大较大，约为输入地震波的1.33倍、1.48倍、1.64倍，可见尾矿坝遭遇到地震时，随震源越远，地震反应越弱。

三种波加速度分布的趋势基本一致，即水平、垂直最大地震加速度的负向加速度均位于坝顶，正向加速度位于沉积滩靠近山体基岩部位或初期坝附近。

4.3 地震位移

表3给出了采用特征波模拟的地震结束时最大位移值。从计算结果看，采用EL Centro波计算的水平方向负向最大位移为0.018m，正向最大位移为0.065m，垂直方向正向最大位移水平负向0.026m，正向0.039m。

表2 标高340m特征地震波坝内地震加速度/（m/s2）

表3 标高340m地震结束时坝体位移结果/m

三种特征波的地震位移分布位置基本一致，即水平方向较大位移位置位于靠近水面的沉积滩面，垂直方向较大位移部位位于沉积滩水域部位，特征地震波下垂直方向位移较水平方向位移有明显的变化，即在遭遇地震时，尾矿库的沉积滩面有裂纹或裂缝。采用EL Centro波模拟的地震结束时位移云图见图5～6。

图6 坝体340m标高Y方向地震位移分布图

4.4 主应力

从地震主应力场的分布云图看，三种特征波计算的最大主应力场与最小主应力场具有相同的变化趋势，坝内沉积尾砂底部最大主应力约1839k Pa，最小主应力约1271k Pa。采用EL Centro波模拟的最大主应力与最小主应力分布云图见图7、图8。

从图7～8主应力分布场来看，静力状态坝内最大主应力σ1为1704k Pa，最小主应力σ3为1179k Pa，地震时由于孔隙水压增大，坝内浸润线有所抬升，主应力场相应变小，其中σ1减小了135k Pa，σ3减小了92k Pa，但地震时特征波对主应力场影响较小，反映在地震作用下坝体达到一定变形时，坝体σ1、σ3并未出现异常状态。

4.5 剪切应力及应变

地震结束时，三种波最大剪应力、最大剪切应变、XY方向剪应力与XY方向剪切应变亦相差甚微，最大剪切应力约为370.9k Pa，最大剪切应变为0.0032；XY最大剪切应力为245.6k Pa，XY最大剪切应变为0.0025。采用EL Centro波计算的最大剪切应力、XY方向剪应力云图见图9、图10。

图7 340m标高地震大主应力分布图

图8 340m标高地震小主应力分布图

图9 340m标高地震最大剪应力分布图

图10 340m标高地震X、Y方向剪应力分布图

从动力剪切应力与应变场分布来看，剪切破坏主要发生在初期坝内坡及坝体与基岩接触部位，坝内沉积尾砂的剪切破坏水平一般，剪切破坏的形式主要为沉积尾砂的深层移动，但随着地震波地作用整体指向X、Y的正方向，亦深层剪切移动均向岩体靠近，所以剪切作用下初期坝体较为安全。

4.6 超空隙水压分布

地震结束时，采用三种特征波模拟的坝内超孔隙水压的分布规律基本一致，只在局部范围略有差别，其中震中波超孔隙水压分布范围最大。采用EL Centro波计算的超空隙水压分布见图11。

图11 340m标高震后超孔隙水压力分布图

从超孔隙水压分布来看，只是局部一定范围达到液化临界值，但并未形成贯通条带，故在孔隙水压消散过程中不会形成贯通性的滑动面，故认为该状态并未超过稳定的极限状态，仍能维持坝体稳定。

4.7 坝体自振频率

坝体地震动力反应强弱与其结构有关。输入的频率越接近坝体基本自振频率，坝体的地震动力反应越强烈［5］。通过对坝内特征点的速度记录，记录的特征点速度值，通过对加速度时程曲线的FFT变换，找出幅值谱中反应最大点对应的频率，即为坝体的自振频率，计算得到的坝体断面的自振频率值见表4，从结果可以看出在输入地震作用下坝体的地震动力响应不是很强烈，说明坝体在当地特征频率的地震动力下反应较弱。

表4 坝体自振频率计算结果

5 结 论

1）根据申家峪尾矿库的区域地震地质和场地特征以及《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013）的规定，提出了三条特征地震波。通过比较，选取EL Centro地震波作为坝体动力反应分析的输入地震加速度时程。

2）通过对申家峪尾矿坝剖面在340.0m标高下进行动力反应分析，在EL Centro地震波作用下，水平地震反应较垂直地震反应更强烈，地震波在水平方向放大约1.09～1.64倍。

3）从主应力分布及位移云图来看，尾矿坝不会发生深大滑动与大变形，340m标高坝体可以承受EL Centro地震波（烈度Ⅵ度，加速度0.1g）的地震，地震反应不强烈，坝体在地震作用下是稳定的。

4）通过地震后坝内超孔隙水压力分布可以看出，由于受地震作用，浸润线在局部位置会受到抬高，与静力孔压曲线对比，大致抬升约0.8m，但超孔隙水压并未贯通出现，也未形成潜在滑动面，在地震动力作用下仍能满足相应等别安全滩长与安全超高的要求，坝体稳定状态仍处于极限平衡状态以下。因此，坝体仍是安全的。

5）动力作用下，所选取特征点的震幅均不大，从地震结束后的位移云图可以看出也仅在水面区域存在一定的永久变形，但变形量不大，其中水平最大不超过0.076m，垂直不超过0.058m，整体变形未超过静力变形极值，因此坝体在整体形态上是完好的。

6）综上所述，申家峪尾矿库在标高340m时的坝体能够抗击相应烈度的地震，不存在深部滑动和较大变形部位，处于稳定状态。

［1］ 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（2）：1-6.

［2］ 王玲玲，何蕴龙.堆石坝地震反应分析［J］.人民长江，2003，34（6）：20-22.

［3］ 邹德高，徐斌，孔宪京.瑞利阻尼系数确定方法对高土石坝地震反应的影响研究［J］.岩土力学，2011，32（3）：797-803.

［4］ 王迪，李培良.尾矿库抗震液化及震后稳定性分析［J］.矿业工程，2014，12（5）：43-45.

［5］ 张荣伟，陈晓东，张力霆.地震作用下大坝动力反应三维有限元模拟［J］.河北水利，2010（8）：35-36.

Seismic dynamical analysis of Shenjiayu tailing dam

GAO Shang-qing
（Information Institute，National Institute for Occupational Safety，Beijing 100026，China）

ShenJia Yu tailing dam is a second class of height 138m.At present，the dam structure were changed because the discharging method instead of dry tailings，so the work of seismic dynamical analysis should be carried out.Based on the geologic condition and physics mechanics parameters of soil layers，the geometric model of the central section of the dam was built.Seismic dynamica state of tailing dam was calculated in process of wilson-θstep-by-step integration and equivalence linear.The tailing dam seismic velocity，seismic acceleration，seismic displacement，the max main stress，the max shear stress and strain，and the max interstitial hydraulic pressure and natural frequency of vibration in the dam were got.The research has shown that the tailings dam stability is improved with the dry tailings under the loading EL Centro earthquake wave，it was favorable for operation safety.

tailing dam；seismic wave；dynamical calculation；time domain method

TV641.2

A

1004-4051（2016）09-0166-05

2015-11-19

高尚青（1974-），男，硕士，2005年毕业于太原理工大学，现在国家安监总局信息研究院工作，主要从事尾矿库安全技术研究。E-mail：abcgsq123@126.com。