高尾矿堆积坝动力稳定计算分析

于忠锋

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

近年来，随着选矿工艺水平的提高，尾矿粒度越来越细，细粒尾矿强度低，渗透性差，加之坝前放矿不均匀，造成尾矿坝体内夹层较大，导致坝体浸润线抬高或从坝面逸出引起沼泽化，尤其在地震时易引起液化，影响坝体的稳定性[1]。国内高尾矿堆积坝越来越多，坝高超过100 m的高尾矿坝也有数十座，高坝的安全稳定问题比较突出，开展高坝动力稳定计算分析显得十分必要。某尾矿库初期坝坝顶标高为1 270 m，坝高60 m，堆积坝坝顶标高为1 410 m，堆积坝高140 m，总坝高200 m，对应总库容为2 900万m3，为2级坝。《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)[2]有关规定：对于2级尾矿坝的抗滑稳定性，应进行动力抗震计算，包括地震稳定性分析、地震液化分析和地震永久变形分析。

1 动力分析基本方法及原理

坝体动力稳定计算一般采用有限元时程法，该方法考虑地震过程中坝体应力的瞬时变化，计算出每一时刻坝坡抗滑稳定安全系数。在分析过程中采用滑面应力分析法，运用不同的优化方法来确定最危险滑动面，先确定求解安全系数，然后寻找最小安全系数和对应的滑动面位置。这种方法物理意义明确，滑动面上的应力状态更接近真实情况，也同样得到最小安全系数和最可能滑动面，使用方便。

饱和砂土或粉土受地震力作用后，土体积缩小，孔隙压力剧增，从而使有效压力减小，土的抗剪强度迅速减小或完全丧失，形成液化。砂土液化引起的流动滑移通常是先由动力循环作用引起强度降低,然后主要在静力作用下引发流动滑移破坏。因而绝大多数液化流动滑移破坏是在地震以后的一段时间才发生。在强震荷载作用下,土体将产生不可恢复的瞬时滑移变形或整体永久变形。

2 高尾矿堆积坝有限元计算

2.1 计算模型及边界条件

本分析沿用渗流分析计算模型，可耦合以往的渗流计算结果，运用Geo-Studio软件对模型剖分，模型单元为4 326个，节点为4 408个，见图1。对尾矿坝模型底部采用水平和垂直双向位移约束，对模型两侧采用竖向位移约束。

2.2 参数选取

根据尾矿坝的工勘资料及相关试验资料，计算采用的参数指标见表1和表2。

2.3 地震波输入

根据现行的相关抗震规范，7度地震烈度的土石坝在坝体稳定计算时可只考虑水平向地震作用。该尾矿坝位于7度地震烈度区域，地震水平向加速度值为0.10g，采用的场地地震时程曲线见图2。

3 计算结果分析

3.1 静力计算结果分析

沿用渗流分析计算结果进行坝体静力有限元计算，由于篇幅有限，仅给出坝体孔隙水压力等值线情况(图3)。可以看出，孔隙水压力分布规律相似，基本平行于外坡分布，其中尾矿库的最大孔隙水压力值为1 000 kPa，出现在尾矿库坝顶对应的库底附近，比较符合实际。

表1 尾矿坝各土层主要物理力学指标设计取值

3.2 坝体最小安全系数时程结果分析

根据场地地震时程曲线进行动力有限元计算，坝体安全系数时程计算结果见图4。可以看出，尾矿坝最小安全系数随着地震加速度的波动呈现出一定的波动，0 s时安全系数为1.28，整个过程中安全系数一般在1.27左右，最小安全系数为1.04，出现在9.64 s左右。计算结果表明,在地震波作用下坝体最小安全系数大于1.0，坝体是稳定的。

图1 尾矿坝有限元计算模型

材料Kckn尾中砂1.03620.5551.53940.544尾粉细砂1.04770.4941.55570.490尾粉质黏土1.03490.5081.53980.528尾粉土1.03630.5601.54590.489

图2 场地地震时程曲线

图3 尾矿坝孔隙水压力等值线图(单位：kPa)

图4 尾矿坝最小安全系数随时间变化时程曲线

3.3 坝体地震液化结果分析

根据场地地震时程曲线进行动力有限元计算，震后在堆积坝体内产生液化区域[3-4]，见图5。可以看出，在地震作用下，坝体浸润线有一定的抬升，液化区域主要发生在浸润线以下的尾粉砂和尾粉土的浅层区域，液化区域深度在3～12 m。从整体来看，液化区域主要集中在浸润线以下小范围内，未能形成滑移通道，对坝体的整体稳定性影响较小。

图5 尾矿坝地震液化区域分布图

3.4 坝体地震永久变形结果分析

地震作用结束后，坝体出现一定的永久变形，尤其是堆积坝顶附近变形较明显，截取坝顶附近的永久变形值(图6)可以看出，坝体主要产生倾向下游侧的水平向永久变形和下沉变形，其中,水平向最大变形量为0.6 m，变形较明显，而下沉变形最大值为0.3 m，相对较小，永久变形值相对整个坝高来说较小，不会对坝体的稳定造成很大影响。

图6 尾矿坝地震永久变形等值线(单位：m)

4 结 论

(1)从尾矿坝的地震最小安全系数、液化区域分布及永久变形结果来看，在7度地震作用下坝体受到一定程度的影响，但整体是稳定的。

(2)地震发生后，坝体浸润线会有一定的抬升，对坝体稳定性产生一定的不利影响。

(3)应采取增设水平排水层和大口辐射井等有效措施，尽可能降低坝体浸润线，对尾矿库加强科学管理。

[1] 唐 恺，常 宏．超细粒尾矿堆积坝动力反应分析[J]．现代矿业，2015(12)：166-168．

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50863—2013 尾矿设施设计规范[S].北京:中国计划出版社，2013.

[3] 安 君.尾矿坝地震稳定性分析方法及其应用的研究[D].北京：北京工业大学，2007.

[4] 翟文龙.细粒尾矿高堆坝抗震液化稳定性研究[D].北京：中国地质大学，2011.