某尾矿坝的有限元计算分析

楚金旺

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

某尾矿坝的有限元计算分析

楚金旺

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

基于坝体分区分层填筑和坝体材料非线性，采取材料分区和逐级施加荷载的方式建立尾矿坝有限元计算模型，并进行计算分析。计算结果表明该尾矿坝的变形与应力与尾矿坝的复杂地形地质条件相适应，分布较为复杂；各分区与坝基之间的变形基本协调，应力从坝顶到坝基逐渐增大，应力分布符合一般规律。剪应力水平小于1.0，未发现剪切破坏单元，但坝基含砾粉质粘土层的剪应力水平相对较高。

尾矿坝； 邓肯- 张模型； 非线性； 应力； 位移； 剪应力水平

1 前言

某尾矿库是我国一个大型矿山综合开发利用项目的配套工程，主要包括尾矿坝、库内排洪设施、上游拦排洪设施和回水设施等。该尾矿坝总坝高135m，一期坝为堆石透水坝，坝顶标高2 410m，坝高95m，二期坝为一期坝采用堆石料下游法加高30m，坝顶标高2 440m，三期坝为上游法尾矿水力充填筑坝，最终坝顶标高2 450m。

2 计算原理

该尾矿坝一期坝、二期坝采用堆石料筑坝，三期坝采用尾矿水力充填法筑坝，堆石料和尾矿的变形不仅随荷载的大小而变化，还与加荷的应力路径相关，应力应变关系呈现明显的非线性。邓肯- 张非线性模型公式简单，参数物理意义明确且容易获取，为应用最广泛的模型之一。其中E—ν模型以切线弹性模量Et和切线泊松比νt作为计算参数[1～2]，切线弹性模量表达式为：

(1)

切线泊松比为：

(2)

(3)

对于卸载情况，采用回弹模量Eur进行计算：

(4)

式中：pa——单位大气压力；

S——剪应力水平，反映材料强度发挥程度；

K、n、Rf、G、F、D、Kur、nur——模型参数，可根据三轴试验资料整理而得[3～4]。

3 计算模型

3.1 计算参数

根据尾矿坝坝址工程地质、一期堆石坝、二期堆石坝和三期尾矿堆积坝填筑情况对坝体进行分区，由室内三轴试验得到坝体、坝基的邓肯E—v模型计算参数，见表1。

表1 坝基坝料邓肯- 张E—v模型计算参数

3.2 坝体填筑加载过程与网格剖分

根据材料分区和填筑过程，荷载采用逐级施加的方式。按照坝基、一期坝、一期坝内尾矿、二期坝、二期坝内尾矿、三期尾矿堆坝顺序，将尾矿坝及坝基分为39级加载。加载过程模拟和网格剖分见图1。

图1 坝体填筑加载过程模拟

4 有限元计算分析

根据上述有限元计算原理、模型参数和加载过程，对该尾矿坝进行了有限元计算分析，尾矿坝的位移、应力和应力水平的最大值见表2。

表2 尾矿坝有限元计算结果(最大值)

4.1 变形

正常水位工况下，尾矿坝向下游方向的水平位移最大值为75.0cm，出现在坝体下游2 335m高程与坝基相接处，向上游方向的水平位移最大值为24.0cm，出现在库区2 400m高程附近尾粉质粘土与尾粉砂相接处；竖直向最大沉降为290.3cm，出现在尾粉质粘土库区2 390m高程附近处。坝轴线剖面的水平位移最大值为55.0cm，位于河床坝段的2 340m高程处，竖向位移最大值为250.0cm，位于河床坝段的2 350m高程处。尾矿坝正常水位工况下变形等值线图见图2a、图2b。

洪水工况下尾矿坝变形与正常水位工况相比，水位的上升使变形有所增大，但由于水位上升较低，数值变化甚小，其分布规律与正常水位时分布规律一致。向下游方向的水平位移最大值为75.0cm，出现在坝体下游2 335m高程与坝基相接处，向上游方向的水平位移最大值为24.5cm，出现在库区2 400m高程附近尾粉质粘土与尾粉砂相接处；竖直向最大沉降为291.1cm，出现在尾粉质粘土库区2 390m高程附近处。坝轴线剖面的位移分布规律与正常水位时期基本一致，由于上升水位较低，数值基本不变。尾矿坝洪水工况下变形等值线图见图2c、图2d。

图2 位移等值线图(位移单位:cm)

图3 主应力等值线图(主应力单位:MPa)

4.2 应力

正常水位工况下，尾矿坝第一主应力最大值为2.54MPa，第三主应力最大值为0.89MPa，均发生在二期坝体底部坝轴线位置附近。坝轴线剖面的第一主应力极值为2.40MPa，第三主应力极值为0.80MPa，均出现在河床坝基。尾矿坝正常水位工况下主应力等值线图见图3a、图3b。

洪水工况下，第一、第三主应力分布规律与正常水位时期基本一致。第一主应力最大值为2.54MPa，第三主应力最大值为0.89MPa，均发生在二期坝体底部坝轴线位置附近。坝轴线剖面分布规律与正常水位时期基本相似，第一主应力极值为2.40MPa，第三主应力极值为0.80MPa，均出现在河床坝基。尾矿坝洪水工况下主应力等值线图见图3c、图3d。

4.3 剪应力水平

正常水位和洪水位两种工况下，剪应力水平分布规律基本一致，最大值均约为0.84，位于坝体下游坝基2 310m高程处，尾矿库区内最大值为0.72，坝体内未发生剪切破坏。两种工况下，坝轴线剖面剪应力水平分布规律基本一致，从坝顶到坝基逐渐增大，最大值约为0.80，未发生剪切破坏。尾矿坝剪应力水平等值线图见图4。

图4 典型剖面剪应力水平等值线图

5 结论

(1)尾矿坝的变形与应力分布较为复杂，这与尾矿坝的复杂地形地质条件相适应，如上游坝坡由于尾矿库的充填减小了堆石的泊松效应，使得大坝向上游的水平位移较小；由于尾矿的力学性质参数较低，尾矿的沉降大于堆石坝本身的沉降值，最大变形位于尾矿库内。

(2)尾矿坝计算的最大沉降变形为297.4cm，其中堆石坝的最大沉降变形为255.0cm，分别占坝高的2.2%和1.8%，大坝各分区与坝基之间的变形基本协调。尾矿坝的应力从坝顶到坝基逐渐增大，应力分布符合一般规律。大主应力最大值为2.55MPa，小主应力最大值为0.90MPa，位于堆石坝底部的覆盖层内。

(3)尾矿坝的剪应力水平均小于1.0，尚未发现剪切破坏单元。但是坝基特别是含砾粉质粘土层的剪应力水平相对较高，这与含砾粉质粘土层天然孔隙率较高而力学参数较低有关。

[1] 王勖成，邵 敏．有限元法基本原理和数值方法[M]．北京：清华大学出版社,1997．

[2] 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算(第二版)[M]．北京：中国水利水电出版社，1996.

[3] 曹林卫，彭向和，李 德．变形场和渗流场耦合作用下的尾矿坝静力稳定性分析[J]．重庆建筑大学学报，2007，29(5).

[4] 殷宗泽．高土石坝的应力与变形[J]．岩土工程学报，2009，31(1)．

Finite element calculation and analysis of a tailings dam

The finite element calculation model of tailings dam was established and evaluated based on the dam fill in different partitions and layers and nonlinear materials by material partition and loading step by step. The calculation results show that the complex distribution of deformation and stress of the tailings dam adapts to complex topographic and geological conditions, the deformation between the partitions and the dam foundation is basically coordinated, the stress increases gradually from the top of the dam to dam foundation, and the stress distribution accords with the general law. The shear stress level is less than 1.0, and no shear failure unit has been found. However, the shear stress level of the gravel silty clay layer in the dam foundation is relatively high.

tailings dam; Duncan-Zhang model; nonlinear; stress; displacement; shear stress level

TD926.4+1

A

2017-- 06-- 14

楚金旺(1977-)，男，山东禹城人，高级工程师，从事尾矿库设计工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0065-- 04