基于FLAC3D余震对尾矿坝稳定性影响的研究

曹进海，胡军

（辽宁科技大学土木工程学院，辽宁鞍山114051）

基于FLAC3D余震对尾矿坝稳定性影响的研究

曹进海，胡军

（辽宁科技大学土木工程学院，辽宁鞍山114051）

针对余震对尾矿坝稳定性的影响问题，以某上游式尾矿坝为例，基于完全非线性有限差分法，从不同余震烈度、网格变形、位移变化及超孔压比等方面对尾矿坝进行数值模拟分析，结果表明：余震对坝体会造成非常严重的破坏，余震产生的位移偏移量大于主震产生的位移偏移量，以监测点B为例，余震结束时产生的水平位移偏移量是主震结束时产生的水平位移偏移量的1.75倍；坝体位移偏移量的大小跟余震的烈度有关，余震烈度越大，坝体的偏移量就越大；当坝体内土体处于饱和时，余震发生时坝体内超孔压比能够迅速达到主震作用时的超孔压比值，尤其当强余震作用时这种现象更为明显，从而证明余震对坝体的稳定性是有较大影响的，其分析结果可为后续尾矿坝的抗震设计及坝体的防灾减灾提供参考依据。

尾矿坝；完全非线性；超孔压比；余震；FLAC3D；坝体稳定性

0 引言

尾矿坝是矿山生产的重要组成部分，据统计，我国尾矿坝90%以上均采用上游式筑坝，该筑坝方式操作简单、成本相对较低，但是安全性不高，主要体现在坝体浸润线过高，坝体、沉积滩在动力作用下容易失稳液化，严重影响着矿山企业及下游人民群众的生命财产安全。目前，基于渗流及动力因素对尾矿坝稳定性的影响分析已经很多，而且大多数学者和科研人员已经作了较为系统的研究[1-7]。例如，赵天龙等[4]通过对尾矿坝与挡土石坝在溃坝机理和溃坝过程方面的对比分析，指出了我国尾矿坝当前理论研究中存在的问题，并对今后的研究方向提出了建设性意见；潘建平[5]通过采取在尾矿子坝铺设土工织物及在初期坝外坡施加反压体等措施对尾矿坝进行动力分析，提出了一种有效的尾矿坝综合抗震措施；张力霆等[6]采用有效应力法从加速度、动孔压及液化区等方面对尾矿坝的动力特性进行了分析。但是就余震对尾矿坝稳定性影响这方面的研究至今还鲜有评价[8-9]，虽说余震的破坏性不如主震的破坏性大，但是坝体在经历过主震以后其安全性大大降低，并且已出现不同程度的损坏，再经历余震很容易造成决定性破坏；另一方面，单次余震的破坏性不大，但是主震过后往往伴随着数天或数月的余震，多次连续的余震作用对尾矿坝破坏性的叠加，其危害性是不能被忽视的。例如，1976年的唐山大地震，当天就发生了两次强烈余震，其震级达到6.5级和7.1级。因此深入研究余震对尾矿坝稳定性的影响，对进一步提升尾矿坝等土工构筑物防灾减灾能力具有重大的理论及现实意义。

本文基于FLAC3D显式有限差分软件[10]，采用完全非线性有限差分法，从余震震级角度模拟余震对尾矿坝稳定性的影响，从坝体变形、位移变化及超孔压比等方面对尾矿坝进行了系统的分析，其分析结果可为提升运行中尾矿坝的防灾减灾能力及今后尾矿坝的抗震设计提供可行性依据。

1 计算模型及参数

1.1 工程概况

某尾矿坝采用上游法修筑，初期坝为透水堆石坝，坝底标高为1 130 m，初期坝坝高20 m，坝顶宽为6 m，外坡坡度为1∶2、内坡坡度为1∶1.8；堆积坝坝顶标高1 250 m，总坝高为120 m，坝坡下游坡度为1∶4，沉积滩上游坡度为1∶100；干滩长度取200 m；计算区域的水平距离取750 m。该尾矿库设计总库容约为2.3亿m3，汇水面积约为3.3 km2，属于二等尾矿库。

1.2 模型建立及参数确定

计算时选取的断面为尾矿坝中心最大断面，由于尾矿库成分比较复杂，为便于分析计算，现将模型概化见图1。坝体位于未风化的基岩上，在计算中不予考虑。根据勘察材料和尾矿坝材质特点对模型进行网格剖分，剖分单元以六面体单元为主，相比四面体单元大大改善了网格的质量，有效提高了模型的计算精度，单元剖分数为7 720个，节点剖分数为7 942个，剖分结果如图2所示。尾矿坝整体稳定性主要取决于坝坡的稳定性，故本次研究取初期坝坝顶处、坝坡中间位置处及堆积坝坝顶附近三个典型位置作为监测点进行坝体稳定性分析，即图1中标记的A、B、C点作为计算分析中位移变化的监测点。边界条件：初始应力场生成采取模型底部固定，侧向水平向固定；动力计算部分，模型底部水平和竖向约束释放，堆料侧向水平固定，地震波从模型底部输入。

现将尾矿库土层简化为尾中砂、尾粉细砂和尾粉质黏土三层，其材料的物理力学参数见表1。

图1 尾矿坝概化模型剖面图Fig.1Profile of the generalized model of tailings dam

图2 尾矿坝网格剖分Fig.2Grid subdivision of tailings dam

表1 尾矿库土层材料物理力学参数Tab.1Physical and mechanical parameters of the soil in the tailings dam

2 地震波的确定

研究主要针对余震对尾矿坝的影响，由于地震波的复杂性和余震的不连续性，在实际模拟中无法实现，为了较真实地模拟余震对坝体产生的影响，本次地震波的确定是在一条主震波的基础上添加不同烈度的地震波来模拟余震的发生，即在主波的基础上延长地震波的作用时间来模拟余震对尾矿坝稳定性产生的影响。

本次研究分两种工况：选取一种主震波和两种不同加速度峰值的余震波，即工况一：主震PGA为0.15 g（持时20 s）+时间间隔（持时10 s）+余震PGA为0.075 g（持时20 s）；工况二：主震PGA为0.15 g（持时20 s）+时间间隔（持时10 s）+余震PGA为0.03 g（持时20 s）。地震波取Elcentro波，仅考虑水平向地震波的影响，输入波形见图3。

图3 水平向地震加速度时程曲线Fig.3Time history curve of horizontal to seismic acceleration

3 计算结果分析

FLAC3D适用于非线性大变形分析，具有自动计算永久变形的优点，在岩土工程数值分析方面得到广泛应用，坝体变形和液化是评判尾矿坝稳定性的重要标准，FLAC3D对这两大指标能够进行系统的计算分析，因此针对余震对尾矿坝稳定性影响的问题，本文从永久变形和坝体液化两方面进行研究，采用两种不同工况的震级进行对比分析震级对尾矿坝稳定性的影响，通过数值模拟计算，得出结论。

3.1 永久变形及位移分析

图4 余震作用下监测点位移时程曲线Fig.4Displacement time history curve of the monitoring point under the action of aftershocks

本文就两种不同工况下尾矿坝产生的残余变形和坝体不同位置产生的位移进行对比分析。由图4可知，坝坡在主震结束之后变形仍在持续，而且变化较大，从三个监测点的位移时程曲线可以看出，变化趋势是一致的，而且无论是水平位移还是沉降位移最大值均出现在监测点B附近，而不是出现在坝顶，主要是因为监测点B往下位置浸润线离坝坡较近，在地震作用下发生了大变形，由图5变形区的分布可以证明这一点。现以监测点B为例进行分析，由水平位移时程曲线可知，主震结束时最大位移值为1.6 m，主震和余震之间有10 s的间隔区，在20～30 s之间水平位移仍在继续滑移余震开始前最大位移值为2.6 m，即无动荷载作用下，10 s时间坝体水平向发生约1 m的滑移，主要原因在于，一方面10 s的间隔时间太短，坝体还没有来得及进行排水固结，另一方面在主震作用下坝体已发生扰动，尤其监测点B的下游附近已发生大变形，在这种情况下坝体即便在静载作用下也会发生较大变形，因此在做尾矿坝动力分析时，应该分析动荷载结束之后一段时间内的坝体变形情况，这样更有助于对坝体变形情况的准确性表述；余震PGA为0.075 g时，监测点B水平位移最大值约为5.4 m，变化量为2.8 m，即余震（PGA为0.075 g）作用下监测点B的水平位移变化量是主震水平位移变化量的1.75倍，由图5坝体的网格变形情况也可证明这一点，余震（PGA为0.075 g）结束时坝体的变形幅度明显大于主震结束时坝体的变形幅度；余震加速度峰值取主震加速度峰值的一半，位移却是主震的1.75倍，说明余震虽小但是坝体已经发生破坏，当动荷载再次作用下，坝体将会发生较大的变形，而且由余震PGA为0.03 g时，相同位置产生的变形情况也可看出，余震PGA为0.03 g时，监测点最终水平位移值约为4.9 m，相较余震PGA为0.075 g时的5.4 m，虽然有所减小，但是并没有阻碍坝体发生较大的变形，因此余震的破坏作用是非常大的。竖向沉降位移的变化情况跟水平位移的变化情况相似，在此不再赘述。

此外，由两种不同余震烈度工况计算结果对比可知，余震烈度的大小对坝体变形是有影响的，余震烈度越大坝体位移变化越大，以监测点B为例，余震PGA为0.03 g时，水平和沉降最大位移值分别为4.9 m和1.8 m；余震PGA为0.075 g时，水平和沉降最大位移值分别为5.4 m和1.9 m；烈度增大一倍，位移变化量分别增大0.5 m和0.1 m。

综上所述，余震的破坏性是大于主震的破坏性的，因此余震对坝体稳定性的影响是不能被忽视的。

3.2 液化区分析

在数值分析中由于计算精度的影响，常用超孔压比描述液化程度，针对余震对尾矿坝液化区影响问题，现运用FLAC3D中强大的内嵌fish语言功能编写超孔压比程序对上述两种工况进行模拟，其计算结果如图6、图7。

图6 监测点A、B、C的超孔压比时程曲线Fig.6Time history curve of the monitoring point under the condition of super pore pressure

由图6不同监测点超孔压比时程曲线可以看出，在余震作用下，不同位置超孔压比变化趋势是不同的。由图6（a）可知，主震结束后监测点A附近超孔压比值在20～30 s内基本趋于稳定，没有孔压的消散，当余震发生时超孔压比迅速又恢复到主震时的水平，主要原因在于监测点A取在了初期坝上游附近该处由于浸润线埋深较浅，尾矿砂饱和区较大，而且在主震结束后孔压未来得及消散，因此当余震再次作用时，超孔压比迅速开始增长；由图6（a）还可以看出，余震烈度对超孔压比是有影响的，烈度越大超孔压比变化幅度就越大，土体结构扰动也就越大。由图6（b）可知，在余震作用时，超孔压比没有出现上升的趋势，向下波动的幅度较大，两种不同余震烈度作用下，坝体反应的趋势基本一致，主要原因在于监测点B下游区域发生较大变形，土体结构发生破坏，孔压得到一定程度的消散，所以在余震PGA为0.075 g时，超孔压比减小幅度较大。由图6（c）可以看出，当主震结束后20～30 s静载时间段内孔压有消散的趋势，而且当余震作用后超孔压比仍然在降低，原因在于，监测点C位于坝顶附近，离浸润线较远，当主震发生时土体内孔压迅速增长，当主震结束时孔隙水在重力作用下回流，孔压得以较快的消散，当余震再次作用时，由于土体已经固结，而且余震烈度较小，达不到使该部分土体孔压上升的能量，所以监测点C处在主震结束后尾矿砂孔压一直处于消散的状态。由此可以看出，只要孔压能够得到有效的消散，余震作用下坝体的稳定性还是比较好的。由图7不同阶段、不同烈度作用下坝体超孔压比等值线云图可以看出，三种状态下超孔压比最大值分布区域基本是一致的，而且三种状态坝坡的超孔压比分布基本没有变化，说明当主震结束后，余震再次作用时坝体内超孔压比仍能达到原来的状态，分析结果与图6结果一致。

图7 坝体超孔压比等值线图Fig.7Contour map of the dam body under the condition of super pore pressure ratio

4 结论

本文以某上游式尾矿坝为例，基于FLAC3D显式有限差分软件，采用完全非线性有限差分法，通过从网格变形、残余变形及超孔压比等方面系统分析了余震对尾矿坝稳定性的影响，根据分析结果得出以下结论：余震对坝体的稳定性有非常大的影响，主要体现在坝体的残余变形上，而且主震结束后坝体由于结构发生变化，在静荷载作用下坝体还会继续发生较大变形，这一点在尾矿坝动力分析时是很容易被大部分人忽略的。余震作用下，坝体产生的位移变化量要大于主震作用下产生的变化量，而且随着余震震级的增大，坝体变形量也逐渐增大；从超孔压比的角度分析坝体液化情况可以看出，处于饱和区的土体再次发生余震时可以迅速达到原来的状态，甚至液化区范围更大，非饱和区孔压有所降低，整体变化不明显。因此余震对坝体的稳定性是有较大影响的；在今后的工程分析中余震因素应该得到广大学者、科研人员的高度重视。

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The Impact of Aftershocks on the Stability of Tailings Dam based on FLAC3D

CAO Jinhai,HU Jun
(School of Civil Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,Liaoning,China)

In light of the influence of aftershocks on the stability of tailings dams,this paper studies performs numerical simulation analysis of an upstream tailings dam from the aspects of aftershock intensity,grid deformation, displacement change and excess pore pressure ratio.The results show that the aftershocks cause very serious damage to the dam for the displacement caused by aftershocks is greater than that of the main shock.Taking the monitoring point B as an example,the horizontal displacement generated at the end of the aftershock is 1.75 times generated at the end of the main shock.The greater the aftershock magnitude is,the greater the displacement of the dam will be. When the soil in the dam is saturated,the overpressure ratio in the dam after the aftershock can quickly reach the overpressure ratio when the main shock is applied,especially under the conditions of strong aftershocks.It shows that the aftershock has a large impact on the dam stability.The results provides favorable reference for the seismic design,disaster prevention and reduction of tailings dam.

tailings dam;fully nonlinear;super pore pressure ratio;aftershocks;FLAC3D;stability of tailing dam

TV641

A

（编辑：刘新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.04.013

2017-05-11

国家自然科学基金项目（51274053）

曹进海（1990-），男，硕士研究生，主要从事尾矿坝动力分析及尾矿坝稳定性监测等相关方面的研究。

胡军（1977-），男，教授，博士，主要从事尾矿坝稳定性监测、岩土边坡稳定性评价等相关方面的研究。