基于GEO-Studio的某尾矿坝动力稳定性分析

魏有林 丁成功

（1.酒钢肃南宏兴矿业有限责任公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

尾矿库作为矿山重要危险源之一，溃坝事故发生的案例众多，给下游库区人民、企业以及周边环境带来严重的灾难。进入21 世纪，地球已经进入活跃期，地震发生频率和强度都有增高的趋势，并且随着近年来选矿工艺的改善，越来越多的细颗粒尾矿被排入库内，降低了坝体排渗能力，不利于坝体动力稳定性的提升。所以开展尾矿库动力稳定性相关的研究对于矿山安全生产、保护下游生命财产安全和周边环境具有重要的意义［1-10］。

本文以云南某尾矿库为研究背景，运用GEOStudio 的QUAKE 分析模块进行尾矿坝动力稳定性分析，研究了该尾矿坝在地震波作用下的液化情况、加速度响应、位移变化、安全系数的规律，为同等类型尾矿库的设计研究提供借鉴。

1 尾矿库工程概况

云南某尾矿库坝顶标高为2 035 m，坝轴线处原始地形最低标高为1 975 m，坝高60 m，坝顶宽20 m，全库容756.19 万m3，有效库容642.78 万m3；最终坝顶标高为2 055 m，总坝高80 m，坝顶宽度6 m，总库容1 716.49 万m3，有效库容1 459.02 万m3，为三等库。一期尾矿坝为透水碾压土石坝（透水堆石斜墙黏土坝），坝体外坡2 000 m 标高以上台阶坡比1∶3.0，2 000 m 标高以下台阶坡比1∶2.0，外坡共设置5 条马道，马道宽2.0 m，分别位于1 985，2 000，2 010，2 025，2 040 m 标高。坝体内坡台阶坡比为1∶2.25，每隔15 m 设置1 条马道，马道宽3 m，共设置4 条，分别位于1 995，2 010，2 025，2 040 m 标高。二期采用上游法模袋堆筑子坝，即自2 035 m 标高以上采用黏土加一期高2 m 坝体至2 037 m 高程，内坡比1∶2.25，外坡比1∶3。2 037～2 055 m 高程采用上游法模袋子坝，尾矿库采用模袋法筑坝后，每级模袋子坝外坡比为1∶4.0，内坡比为1∶2.0，坝顶宽18.0 m，底宽36 m，每级模袋子坝高3.0 m，外坡平台宽5.0 m，共6 级子坝，模袋子坝总高18 m，外坡比约为1∶5.61。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

针对尾矿库现状（2 035 m 标高）和最终（2 055 m标高）典型剖面，依据该尾矿库现状工程勘察剖面和概化分区情况，建立数值计算模型（图1）。在建立体模型的基础上，进行GEO-Studio 默认网格划分，现状坝模型共有3 090 个节点、3 010 个单元，最终坝模型共有3 441个节点，3 400个单元。

2.2 参数设置

根据基本物理力学试验及动力试验成果进行参数设置，材料基本物理参数指标见表1，动力响应计算参数见表2。

2.3 地震波

该尾矿库所处区域根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）和《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001）确定，抗震设防烈度为8 度，其峰值加速度和地震持续时间为0.20g和20 s，在本次动力稳定性分析过程中，选用典型地震波对其开展洪水工况下的尾矿坝稳定性分析。理论分析及试验结果均表明，动应力和抗剪强度主要取决于地震水平运动，故此处动力分析仅考虑地震水平运动的影响。

2.4 边界条件

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该尾矿坝动力稳定性计算有限元模型的边界条件：①初始应力状态，模型底部边界水平和竖直方向位移为固定约束，左右两侧边界的水平向位移为固定约束，竖直向自由；②动力计算，模型左右两侧边界的水平向位移约束改为竖直向约束，水平向自由，地震波由模型底部输入；③永久变形计算，模型底部边界和左右两侧边界位移均为固定约束。

3 数值计算分析

3.1 加速度响应分析

现状及最终尾矿坝在地震波作用下最大水平加速度反应值如图2 所示。可见，在地震波作用下，坝体内水平加速度反应沿坝高分布呈现出一定的规律，随着高程增加，水平向最大加速度先减小后变大，在坝顶达到最大。现状坝加速度反应值最大值0.29g，放大系数为1.45，最终坝加速度反应值最大值0.32g，放大系数为1.6，加速度放大系数在2 倍以下，加速度反应较小，对坝体整体稳定影响较小。

3.2 动剪应力分析

现状及最终尾矿坝在地震波作用下动剪应力值如图3所示。可以看出，地震波作用下动剪应力随着高程的增大而增大，随着峰值加速度的增大而增大；等值线与坝坡面近似平行，最大值位于坝基底部（约200 kPa），在尾粉土及其他土层中，动剪应力较小（小于200 kPa），也不会发生剪切破坏，因此坝体整体是稳定的。

3.3 液化区域分析

现状及最终尾矿坝在地震波作用下液化区域如图4所示。可以看出，地震波作用下坝体存在不同程度的液化，主要在现状坝顶区域和最终坝二期子坝坡脚附近存在一定范围的液化区域，在尾矿坝内所蓄尾矿土存在较大的液化区域，尤其在坝顶附近，但尾矿土的液化不影响坝体的整体稳定，可以不作处理。最终坝子坝坡脚附近存在部分液化单元，对坝坡的稳定有一定影响，因此，建议对二期子坝坡脚坝基如30 m 范围内进行适当处理。总体来说，液化范围较小，对坝体稳定影响较小。

3.4 地震坝坡稳定性分析

现状及最终尾矿坝在地震波作用下的安全系数实时曲线图及坝坡动力稳定最危险滑弧如图5、图6所示。可以看出，现状坝最危险滑弧的安全系数在5 s 时刻达到最小，为1.032；最终坝最危险滑弧的安全系数在7.3 s 时刻达到最小，为1.017。在动力响应过程中，安全系数实时变化，但安全系数始终大于1，坝体处于安全稳定的状态。

3.5 地震永久变形分析

现状及最终尾矿坝在地震波作用下的永久变形如图7所示。可以看出，尾矿库的永久变形随着高程的增大而增大，最大值位于坝顶附近，现状坝体最大永久变形0.39 m，最终坝体最大永久变形0.46 m，最大变形均小于坝高的1%（规范规定一般不超过坝高的1%），坝体变形符合规范要求。从变形趋势可以看出，地震工况下坝体整体呈现向内部收缩的趋势，最大沉降变形主要发生在坝顶部位的坝肩位置附近。总体而言，地震作用下坝体永久变形较小。

4 结 论

（1）基于GEO-Studio 有限元软件进行尾矿坝动力稳定性分析，计算结果较真实情况接近，可以为后期尾矿库的安全运维提供指导，也为其他尾矿坝安全设计方案提供参考。

（2）地震波作用下最大水平加速度分别出现在坝顶或其附近，沿高程呈现先减小后增大的规律，加速度放大系数在2 倍以下，加速度反应较小，对坝体整体稳定影响较小。

（3）地震波作用下动剪应力随着高程的增大而增大，随着峰值加速度的增大而增大，等值线与坝坡面近似平行，最大值位于坝基底部。

（4）地震波作用下现状及最终坝体存在局部液化，液化区主要集中于靠近浸润线的部位，但未形成液化贯通区域，液化不影响坝体的整体稳定。可针对液化区域做适当处理，提高该处抗液化能力，进而增强坝体的动力稳定性。

（5）地震波作用下现状及最终坝体稳定实时安全系数始终大于1，尾矿库坝体整体安全可靠。