嚴 濤 陳風敬 中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

秦華禮 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽 110004

基于Ansys Civilfem尾礦壩穩(wěn)定性動態(tài)分析

嚴 濤＊陳風敬 中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

秦華禮 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽 110004

尾礦庫的運行期間,尾礦壩及其所處的環(huán)境是動態(tài)的變化過程,對尾礦壩穩(wěn)定性分析與評價應(yīng)該是動態(tài)的過程。本著對尾礦壩壩體穩(wěn)定性動態(tài)分析與評價的思想,利用大型商業(yè)軟件Ansys及其二次開發(fā)的Civilefem,模擬與分析尾礦壩穩(wěn)定性的各種影響。

動態(tài)穩(wěn)定性 尾礦壩 有限元法 土木工程模塊

自然生成的邊坡或工程活動需要筑成的邊坡,在內(nèi)外因條件共同作用下,使得坡體在一定的應(yīng)力和土體強度條件下保持平衡穩(wěn)定。當外部條件發(fā)生改變時,其應(yīng)力狀態(tài)也將發(fā)生改變,當應(yīng)力的改變影響坡面土體強度的變化,平衡可能被打破,由新的平衡取代原有的平衡狀態(tài),因此邊坡可能出現(xiàn)失穩(wěn)以至導(dǎo)致滑坡[1]。尾礦壩作為尾礦庫工程需要筑成的邊坡,也存在著失穩(wěn)以至滑坡的可能性。尾礦壩及其所處的環(huán)境是一個動態(tài)的變化過程,因此動態(tài)的尾礦壩穩(wěn)定性分析與評價是必要的,也只有這樣才能全面、客觀地把握尾礦壩穩(wěn)定性狀況。

1 穩(wěn)定性動態(tài)分析

要想全面客觀把握尾礦壩穩(wěn)定性狀況,就要動態(tài)考慮尾礦庫在運行期間尾礦壩及其所處環(huán)境的變化過程:如尾礦壩一直在上升堆積,堆壩材料的顆粒組成、強度、剛度、密度和滲透狀況等物理性質(zhì)可能會變化。對尾礦壩坡度的控制時,要考慮庫內(nèi)水位、氣象條件,外部載荷等這些內(nèi)部和外部的變化必然引起尾礦壩穩(wěn)定性的變化。僅僅計算現(xiàn)狀穩(wěn)定性安全系數(shù)是遠遠不夠的,還要考慮影響尾礦壩穩(wěn)定性因素特征值的變化,即使當前壩體穩(wěn)定性滿足國家標準規(guī)定的安全要求,但將來隨著壩體和外部條件的變化就不一定能夠滿足安全要求。

本著對尾礦壩壩體穩(wěn)定性動態(tài)分析與評價的思想,本文模擬分析尾礦壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性、設(shè)計標高穩(wěn)定性、壩坡、壩高、不同壩坡條件下的壩高、施加地震載荷后的壩坡和堆壩材料抗剪強度及剛度下降等對壩體穩(wěn)定性的影響。

2 模擬結(jié)果的匯總分析

以某尾礦壩為模型,其計算結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 孔隙水壓分布圖

圖2 壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)

從圖1可以看到孔隙水壓的分布情況,從圖2可以看到各個滑動面的位置、圓心及半徑,安全系數(shù)等信息。

2.1 尾礦壩現(xiàn)狀和設(shè)計標高穩(wěn)定性

尾礦壩現(xiàn)狀和設(shè)計標高穩(wěn)定性計算結(jié)果見表1。

表1 尾礦壩現(xiàn)狀和設(shè)計標高穩(wěn)定性計算結(jié)果

對比《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》AQ 2006-2005,抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

該尾礦壩現(xiàn)狀、設(shè)計標高穩(wěn)定性安全系數(shù)符合規(guī)程要求。

2.2 壩高

對該尾礦庫東壩標高196m(現(xiàn)狀)、206m、226m、306m分別在坡比0.25、0.3、0.4、0.6、0.8下穩(wěn)定性安全系數(shù)進行計算,只列出有限元計算結(jié)果開展分析。

固定壩高,壩體安全系數(shù)與坡比關(guān)系見圖3。

圖3 固定壩高壩體安全系數(shù)與坡比關(guān)系

從圖3可以看出,壩體在196m、206m、226m和306m標高下,隨著壩坡越來越陡,穩(wěn)定性安全系數(shù)都下降,坡比對尾礦壩穩(wěn)定性的影響比較明顯。隨著坡度增大,壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯減小,因此在堆壩時,要嚴格控制堆積壩的坡度。

固定坡比,壩體安全系數(shù)與壩高關(guān)系見圖4。

從圖4可以看出,當坡比≥0.4時,隨著壩高的上升,壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)保持下降趨勢,隨著坡比的降低,這種下降的趨勢越來越不明顯;當坡度≥0.3時,就沒有這種下降趨勢。

芬頓氧化技術(shù)的影響因素主要為pH值、Fe2+、H2O2投加量及投加方式。普通的芬頓氧化技術(shù)中雙氧水加藥方式為單點投加，而這種加藥方式在雙氧水投加初期系統(tǒng)會產(chǎn)生大量羥基自由基，過多的羥基自由基不能完全與廢水中有機污染物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致芬頓試劑產(chǎn)生的部分羥基自由基被無效消耗，最終導(dǎo)致雙氧水利用率下降以及降低預(yù)處理效果。本文主要研究多點投加芬頓氧化技術(shù)最佳反應(yīng)條件和多點投加方式的優(yōu)化(包括投加位點及投加量)。

圖4 固定坡比壩體安全系數(shù)與壩高關(guān)系

從壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)的定義來看,σn為法向應(yīng)力分量,τ為剪切應(yīng)力分量,隨著坡比的降低,垂直方向的應(yīng)力在法向的應(yīng)力分量增大,剪切方向的應(yīng)力分量減小,所以安全系數(shù)下降的趨勢變小,以致最后消失,在0.25坡比時甚至有上升的趨勢。

2.3 施加地震載荷

極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)時已經(jīng)考慮到地震的影響:水平作用力acwi,其中ac為水平加速度,wi為土體自重。計算時輸入?yún)?shù),則可方便快捷地得到計算結(jié)果。

水平加速度ac的取值取決于地震烈度,根據(jù)《中國地震烈度表》GB/T 17742-1999,分別計算烈度Ⅴ、烈度Ⅵ條件下壩體穩(wěn)定性安全系數(shù),該尾礦壩在烈度Ⅴ地震下的穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.9,烈度Ⅵ地震下的穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.537。

從計算結(jié)果可以看出,該尾礦庫東壩抗震能力很差,在地震烈度不是很大的情況下,壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)就不能滿足《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》AQ 2006-2005的要求,足以看出地震對尾礦壩穩(wěn)定性的影響較大。

2.4 堆壩材料抗剪強度及剛度

尾礦庫在運行過程中,堆壩材料的性質(zhì),如顆粒組成、密度、飽和度等因素會有變化;運行環(huán)境,如氣象條件、庫內(nèi)水位等因素也會有變化,而這些變化都必將引起堆壩材料抗剪強度和剛度的變化,這些因素相互關(guān)聯(lián),相互影響,組成一個有機整體,共同作用于堆壩材料。如果遇到連續(xù)降雨的惡劣天氣,肯定會使堆壩材料趨于飽和而變松軟。以該尾礦庫東壩為模型,計算壩體在強度和剛度相繼折減之后穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化。

將強度及剛度折減計算結(jié)果匯總整理得圖5。

圖5 強度及剛度折減計算結(jié)果

從圖5可以看出隨著強度與剛度的折減,壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)均保持下降趨勢,但是強度對壩體穩(wěn)定性影響的敏感程度要遠大于剛度。

下面計算強度及剛度同時折減時的壩體穩(wěn)定性安全系數(shù),直到安全系數(shù)不滿足《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》AQ 2006-2005的要求時為止,這時得到的強度與剛度值為堆壩材料強度與剛度的基本要求,見表3。

表3 堆壩材料強度及剛度極限值

在選用堆壩材料之前,最好能做土力學(xué)實驗,在最不利狀況下的強度及剛度達不到表3要求時的材料要慎用。

3 結(jié)語

(1)Ansys Civilfem可以對壩體進行滲流場分析,得到壩體孔隙水壓分布,并可以將結(jié)果直接用于尾礦壩邊坡穩(wěn)定性的分析,使得模擬結(jié)果更切實際。而且Ansys Civilfem可以輕松、直觀得到基于極限平衡法和有限元法的壩體滑動面、安全系數(shù)等信息,可見其功能之強大。

(2)在正常運行條件下,實例尾礦庫東壩壩體現(xiàn)狀、設(shè)計壩高穩(wěn)定性良好,安全系數(shù)符合《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》AQ 2006-2005的要求。

(3)該尾礦庫東壩抗震能力較差,在運行過程中應(yīng)該按照國家標準將防震措施落實到位。

(4)從計算結(jié)果來看,強度及剛度影響著尾礦壩壩坡穩(wěn)定性,隨著強度與剛度的折減,壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)均保持下降趨勢,但是強度對壩體穩(wěn)定性影響的敏感程度要遠大于剛度,通過計算得到該尾礦庫東壩堆壩材料強度及剛度的極限值。在選用堆壩材料之前,最好能做土力學(xué)實驗,在最不利狀況下的強度及剛度達不到工程堆壩材料強度及剛度極限值的材料要慎用。

(5)從計算結(jié)果來看,壩坡對穩(wěn)定性影響很大:隨著壩坡坡度增大,穩(wěn)定性安全系數(shù)全都表現(xiàn)出下降趨勢,而且下降幅度很大。

(6)從計算可以看出壩高對穩(wěn)定性影響不如坡度那么明顯,而且壩高對穩(wěn)定性的影響還取決于坡度的大小。

(7)壩高、坡度、地震載荷、強度及剛度對尾礦壩穩(wěn)定性影響敏感性存在差異,壩體穩(wěn)定性對地震載荷最為敏感,其次是強度與坡度,再次是壩高與剛度。

(8)尾礦壩在運行過程中,其穩(wěn)定性的分析與評價要本著動態(tài)分析與評價的思想,不僅要掌握壩的現(xiàn)狀穩(wěn)定性情況,還要掌握在設(shè)計壩高甚至超高情況下的穩(wěn)定性;不僅要掌握在正常條件下的穩(wěn)定性情況,還要考慮到諸如連續(xù)暴雨、地震等不正常條件下壩體穩(wěn)定性情況。這樣才能對目標尾礦壩穩(wěn)定性狀況全面、客觀地把握。

1 盧廷浩,劉祖德等.高等土力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:12-31.

2 祝玉學(xué),戚國慶等.尾礦庫工程分析與管理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999:24-40.

3 梁 力,李 明,王 瑋,陳寶智等.尾礦庫壩體穩(wěn)定性數(shù)值分析方法[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007, 3(5).

4 李 明,胡乃聯(lián),于 芳,何煦春等.ANSYS軟件在尾礦壩穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究[J].金屬礦山,2005 (8).

5 祝玉學(xué).關(guān)于尾礦庫工程中幾個問題的討論[J].金屬礦山,1998(10).

6 路美麗,崔 莉.影響尾礦壩滲流場的因素分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2004(6).

7 段 進,倪 棟等.ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2006.

8 尹光志,魏作安,許 江.細粒尾礦及其堆壩穩(wěn)定性分析[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2004:30-50.

9 AQ 2006-2005,尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S].

10 Ansys Civilfem英文幫助.

＊嚴 濤:助理工程師。2008年畢業(yè)于東北大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。現(xiàn)從事HSE及化工建設(shè)工程的試車工作。聯(lián)系電話:18607118292,E-mail:yantao@cwcec.com。

2009-11-03)