■李亮亮 劉法雪 劉全峰

（山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 250001）

尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析研究

■李亮亮 劉法雪 劉全峰

（山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 250001）

尾礦壩壩體穩(wěn)定性受沉積尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)、浸潤線位置、壩體堆積方法等諸多因素的影響，本文以山東某尾礦壩為例，采用數(shù)值模擬法分別對壩體在正常運(yùn)行工況及洪水運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評價(jià)，通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

尾礦壩數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

1 前言

某尾礦壩位于山東省萊蕪市，采用上游法筑壩，設(shè)計(jì)總壩高94m，總庫容3590萬m3，屬大中型庫。主要由初期壩、尾礦堆積壩及排水系統(tǒng)組成。初期壩為濾水堆石壩（透水壩），高度29m，堆積壩高度65m，壩長1000m，最終堆積標(biāo)高350m。尾礦壩匯水面積1.93km2，壩內(nèi)設(shè)7個(gè)周邊多孔溢水塔，滿足堆筑標(biāo)高350m以下的排水、排洪要求。目前總壩高為78m，已經(jīng)堆至第十六期子壩（標(biāo)高334m）。

2 巖土工程條件

2.1 壩體材料組成

壩體碎石來源于采礦廠的廢石，母巖成分為閃長巖、蝕變閃長巖、蝕變閃長玢巖、矽卡巖及少量紅板巖。紅板巖風(fēng)化程度較強(qiáng)烈，多已風(fēng)化崩解，手捏即碎，其風(fēng)化物充填于碎石之間，閃長巖多為中風(fēng)化，少量強(qiáng)風(fēng)化，大于2cm的顆粒含量約50～70%，顆粒直徑一般3～30cm，最大可達(dá)80cm以上，以棱角～次棱角狀為主，呈松散～稍密狀，鉆孔孔壁易坍塌掉塊，顆粒級配不良，分選性較差，顆粒排列基本無規(guī)律，充填少量粘性土和粉細(xì)砂。

沉積尾礦主要分為尾粉細(xì)砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土、尾粘土：

（1）尾粉細(xì)砂：紅褐～黃褐色，稍密，飽和。顆粒分選性較差，呈次棱角～亞圓狀，主要礦物成分為長石、石英、角閃石和云母等，局部具微層理，可見粘性土夾層，偶見碎石。

（2）尾粉土：褐～黃褐色，中密，很濕。土質(zhì)不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粘性土或粉細(xì)砂。搖振反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低。

（3）尾粉質(zhì)粘土：褐～紅褐色，可塑，局部軟塑。土質(zhì)不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粉土或粉細(xì)砂。無搖振反應(yīng)，土芯切面稍光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

（4）尾粘土：褐～紅褐色，可塑，局部軟塑。土質(zhì)不甚均勻，具微層理，局部夾薄層粉土或粉細(xì)砂。無搖振反應(yīng)，土芯切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高。

2.2 主要物理力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 壩體碎石

表1 壩體碎石現(xiàn)場天然坡腳測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 沉積尾礦

表2 壩體沉積尾礦主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 計(jì)算原理和數(shù)值模型

計(jì)算采用美國Itasca咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的快速拉格朗日分析軟件（FLAC）來進(jìn)行尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。是在考慮了滲流基礎(chǔ)之上的穩(wěn)定計(jì)算。因?yàn)槲驳V壩是后期堆積而成的，周圍山體的初始應(yīng)力對其穩(wěn)定性影響不大，因此計(jì)算模型的左右邊界以尾礦壩上下限為界，底部向下取到260m高程。左右邊界在x方向固定，下部邊界在x，y方向同時(shí)固定。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分圖

采用FLAC軟件的流固耦合模塊進(jìn)行，在每個(gè)堆積階段，先根據(jù)堆積時(shí)間計(jì)算滲流場，得到壩體內(nèi)的孔隙水壓力分布情況，然后根據(jù)孔隙水情況調(diào)整壩體物質(zhì)密度和總應(yīng)力。最后根據(jù)SOLVE fos開始進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)fs用折減強(qiáng)度的方法，通過不斷降低摩擦角和粘聚力，直到產(chǎn)生邊坡破壞。摩擦角和粘聚力按照一個(gè)常量因子同時(shí)減小，F(xiàn)LAC按照相同的途徑得到每一組強(qiáng)度參數(shù)，并進(jìn)行計(jì)算，直到找到穩(wěn)定系數(shù)為止。參數(shù)折減的具體辦法如下：

計(jì)算是在考慮了滲流基礎(chǔ)之上的穩(wěn)定計(jì)算。因?yàn)槲驳V壩是后期堆積而成的，周圍山體的初始應(yīng)力對其穩(wěn)定性影響不大，因此計(jì)算模型的左右邊界以尾礦壩上下限為界，底部向下取到260m高程。左右邊界在x方向固定，下部邊界在x，y方向同時(shí)固定。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)計(jì)算模型及所給的巖土物理力學(xué)參數(shù)，得到各工況下尾礦壩的安全系數(shù)為正常運(yùn)行工況下1.26，洪水運(yùn)行工況下1.24，各工況下壩體最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的情況分別見圖2、圖3。具體情況分析如下：

圖3 洪水運(yùn)行工況破壞模式圖（穩(wěn)定系數(shù)1.24）

圖2 正常運(yùn)行工況破壞模式圖（穩(wěn)定系數(shù)1.26）

4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

對現(xiàn)場長期監(jiān)測的土壓力、孔隙水壓力以及位移觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，繪制2#、10#測斜管變形曲線如下：

從上圖可見，2#測斜管位置壩體沒有發(fā)生整體剪切滑移的跡象，受壩體加高和尾礦淤積影響，頂部有整體向外移動(dòng)的趨勢；10#測斜管位置壩體處于11期子壩高度，測斜管的變形呈現(xiàn)上下小中間大的模式，反映了壩體具有一定程度整體旋轉(zhuǎn)滑移的趨勢，滑動(dòng)面位置處于33m深度處，為尾粘土成分所處位置，與前面計(jì)算得到的滑動(dòng)面位置大致相當(dāng)，驗(yàn)證了計(jì)算推測的結(jié)果。

5 結(jié)論

尾礦壩壩體穩(wěn)定性受壩體沉積尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)、壩體浸潤線的位置、壩體堆積方法、壩體坡度、壩體堆積速度、沉積尾礦的固結(jié)特征等因素的影響，由于尾粘土層抗剪強(qiáng)度較低，在壩底分布連續(xù)且局部較厚，控制了滑動(dòng)面的深度，壩體最有可能滑動(dòng)的滑面從第十六期子壩入口向下，穿尾粉細(xì)砂層、尾粉土（尾粉質(zhì)粘土）后，沿尾粘土層向下游擴(kuò)展，最后在一期子壩附近穿出，整體滑動(dòng)面較深。

正常運(yùn)行工況和洪水運(yùn)行工況下壩體斜坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.26和1.24，是滿足規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定性要求的，是安全運(yùn)行的。但尾礦壩的穩(wěn)定性并不是很高，需要在后期不斷加強(qiáng)監(jiān)測來確保安全。

圖5 10#測斜管變形情況

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P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-202-2

李亮亮（1982～），男，畢業(yè)于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，工程碩士，工程師，國家注冊土木工程師（巖土）。