張小紅 侯文靜

（1.扶風縣水產(chǎn)工作站 陜西 扶風 722200；2.扶風縣河道管理站 陜西 扶風 722200）

1 引言

尾礦是指非金屬礦山以及金屬礦山開采出的礦石，經(jīng)過破碎篩選后，產(chǎn)生的像是泥沙一樣的廢棄礦渣。但是這些廢棄的礦渣并非完全無用，它常含有其他組分的礦物質(zhì)，可以被再次利用。為了充分利用這些礦渣，就出現(xiàn)了尾礦庫，用以攔截貯存非金屬和金屬礦山選礦廠進行礦石選別后排出的尾礦或廢渣。尾礦庫一般通過攔截山谷谷口或者通過圍地構(gòu)筑而成，它是一個具有高危險性的建筑物。尾礦庫內(nèi)堆放廢棄礦渣，具有很高勢能，受到礦渣擠壓以及受降雨等的影響，尾礦庫極易發(fā)生泥石流危險，發(fā)生滑坡潰壩事故。

近年來全國各地多處發(fā)生尾礦庫的失事事故。例如，1962年9月26日火谷都尾礦庫發(fā)生垮壩事故，1985年8月牛角垅尾礦庫發(fā)生潰壩，1986年4月30日金山尾礦庫發(fā)生潰壩等。這些事故警示人們必須加強尾礦庫的穩(wěn)定研究，確保尾礦庫的安全穩(wěn)定運行。本文利用PHASE2軟件，對某尾礦庫進行穩(wěn)定性分析研究，為該尾礦庫的安全管理提供一些理論方面的依據(jù)，確保其正常運行，預(yù)防發(fā)生潰壩事故。

2 PHASE2軟件及穩(wěn)定分析基本理論

2.1 PHASE2軟件介紹

PHASE2是一款功能強大的巖土工程彈塑性有限元分析軟件，它被廣泛應(yīng)用于各類工程項目分析中，包括地表或地下開挖的支護設(shè)計、邊坡穩(wěn)定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領(lǐng)域。PHASE2的一個重要的功能是基于有限元法的強度折減邊坡安全系數(shù)計算。使用Mohr-Couloum或者Hoek-Brown強度準則，對強度折減的安全系數(shù)計算完全自動進行。當進行邊坡安全系數(shù)計算時，PHASE2與SLIED的模型可以互相導(dǎo)入，這樣可以對比極限平衡法和有限元計算的安全系數(shù)以及滑面的差別，為設(shè)計提供更全面的參考。同時，PHASE2也能進行滲流分析，用戶定義水力邊界條件和材料滲透系數(shù)，軟件求解孔隙水壓力分布以及流徑和水力梯度，孔隙水壓力結(jié)果可以自動耦合到應(yīng)力分析中。

2.2 穩(wěn)定分析基本理論

PHASE2軟件中對邊坡安全系數(shù)的計算采用強度折減的方法，其基本原理是在進行有限元彈塑性應(yīng)力變形計算時，首先對于某一假定的強度折減系數(shù)Fs（即安全系數(shù)），將土的強度參數(shù)c、tanφ按照同一比例同時進行折減，進而得到不同的強度參數(shù)，分別用這些強度參數(shù)進行有限元數(shù)值計算來確定邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移，并且對應(yīng)力、應(yīng)變及位移的分布特征以及有限元計算過程中的數(shù)學特征進行分析，根據(jù)一定的失穩(wěn)判據(jù)確定邊坡達到極限平衡狀態(tài)，此時相對應(yīng)的強度折減系數(shù)就是總體安全系數(shù)。安全系數(shù)F采用折減強度參數(shù)的方法，調(diào)整摩擦角與粘聚力如下：

折減的內(nèi)摩擦角 φr：φr=arctan（tanφ/F）

折減的粘聚力cr：cr=c/F

3 模型建立及結(jié)果分析

3.1 工程概況

略陽某礦業(yè)有限責任公司某尾礦庫是為滿足東溝壩分公司發(fā)展而建，東溝壩分公司位于略陽縣硤口驛鎮(zhèn)邵家營村，距縣城35km，屬漢江、嘉陵江支流分水嶺地段。礦區(qū)公路向北7km和向南11km分別在煎茶嶺和硤口驛與319省道勉略段相接，交通便利。礦區(qū)位于秦嶺山脈南麓，漢江支流分水嶺地段，漢江支流沮水源頭山區(qū)?；鶐r裸露，溝溪發(fā)育，流量小，無大河，屬低中山構(gòu)造剝蝕地形。區(qū)內(nèi)植被茂盛，除耕地外基本均被植被覆蓋，主要以落葉灌雜林為主，淺山區(qū)間雜有少量松、樺、青岡等喬木。大溝位于陳家壩河的上游，溝內(nèi)長年流水，由北向南匯入陳家壩河，溝長約4.43 km，匯水面積約3.7km2，流量 0.02m3/s～5.2m3/s。

表1 材料物理力學參數(shù)表

圖1 尾礦庫有限元模型網(wǎng)格剖分圖

圖2 折減系數(shù)為1.64的邊坡剪切應(yīng)變分布圖

圖3 折減系數(shù)為1.74的邊坡剪切應(yīng)變分布圖

圖4 折減系數(shù)為1.77的邊坡剪切應(yīng)變分布圖

圖5 折減系數(shù)為2.02的邊坡剪切應(yīng)變分布圖

3.2 數(shù)值模型建立

采用PHASE2有限元軟件模擬，建立該尾礦壩數(shù)值模型。模型根據(jù)實際壩體情況做適當簡化，以水平向右方向為X軸正向，鉛直向上為Y軸正向，建立模型X方向長135m，Y方向高40m，砂礫石地基取10m厚，初期壩高10m，壩坡系數(shù)為1∶2，礦渣填筑高出初期壩20m，邊坡系數(shù)為1∶3，模型頂部寬度取為20m。在模型底部約束垂直位移，在模型兩側(cè)約束X、Y方向水平位移。各分區(qū)材料參數(shù)見表1，模型見圖1。

3.3 計算結(jié)果及分析

經(jīng)過PHASE2計算求得尾礦庫的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.74，處于穩(wěn)定狀態(tài)。最危險滑弧經(jīng)過礦渣區(qū)，不穿過初期壩剖面，可見尾礦庫初期壩的穩(wěn)定性能較好。下面給出不同的折減系數(shù)下邊坡的穩(wěn)定情況。

從圖2至圖5可以看出，隨著折減系數(shù)的增加，尾礦庫礦渣區(qū)屈服范圍逐漸增大。在折減系數(shù)為1.64時，整個壩體未出現(xiàn)屈服；當折減系數(shù)達到1.74時壩體開始出現(xiàn)屈服區(qū)，屈服區(qū)的范圍近似成圓弧狀分布，這也說明了邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡法假定邊坡的滑動面為圓弧狀是合適的。此外，尾礦庫邊坡用極限平衡法進行計算求得的邊坡安全系數(shù)為1.78，與強度折減法求得的安全系數(shù)的差距小于3%，說明兩種方法具有一致性，將強度折減法運用于尾礦庫的穩(wěn)定分析中是合適的。

同時觀察邊坡屈服過程可發(fā)現(xiàn)，邊坡總是滑出部位以及邊坡的最頂部起滑部位最先出現(xiàn)屈服，與直觀的理解相一致。因為在邊坡滑動過程中，總是滑出部位及起滑部位收拉，且拉應(yīng)力最大，故會出現(xiàn)滑出部位與起滑部位最先屈服的現(xiàn)象。隨著滑出部位與起滑部位屈服以及強度參數(shù)的折減，邊坡的滑動屈服范圍越來越大，直至最終整個邊坡形成貫通的滑動面。

觀察尾礦庫強度折減系數(shù)與邊坡總位移的關(guān)系曲線可以看出，當折減系數(shù)為1.74時恰好為邊坡位移的突變點，當折減系數(shù)大于1.74時邊坡位移急劇增大，說明邊坡失穩(wěn)，開始整體的滑移運動。這也是強度折減法確定邊坡安全系數(shù)的準則之一。

4 結(jié)語與展望

本文利用有限元數(shù)值分析方法，運用PHASE2軟件對某尾礦庫壩體抗滑穩(wěn)定進行數(shù)值計算，基于強度折減的基本原理確定了尾礦庫的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，計算求得其安全系數(shù)為1.74，處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是本文中未考慮地下滲流對邊坡穩(wěn)定的影響，眾所周知，滲流對邊坡穩(wěn)定具有很大的影響，考慮滲流作用時尾礦庫的穩(wěn)定安全系數(shù)可能會發(fā)生較大的變化，故若需驗證尾礦庫的穩(wěn)定性，還需從滲流角度出發(fā)對尾礦庫進行深入的分析。

本文計算的尾礦庫穩(wěn)定性未考慮降雨的作用，該尾礦庫處于陜南地區(qū)，降雨較多，出現(xiàn)大暴雨的情況也較多，故若需對邊坡的穩(wěn)定性做深入的研究探討必須隨降雨情況下的尾礦庫滲流做深入的分析，將滲流與強度折減耦合，求解尾礦庫的安全系數(shù)。

尾礦庫的修建過程不是一次性完成的，它是經(jīng)過多級堆載形成。在這種情況下，其水理性質(zhì)和力學性質(zhì)會發(fā)生相應(yīng)的變化，在數(shù)值模擬的過程中必須考慮這些因素對邊坡穩(wěn)定的影響，但是這些因素在一定程度上又很難弄清楚，即認為很難準確的模擬尾礦庫的滲流、應(yīng)力狀態(tài)。因此在尾礦庫的運行期間，必須要加強現(xiàn)場的監(jiān)測，統(tǒng)計監(jiān)測數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)值分析兩者對照以了解尾礦庫的運行狀態(tài)，從而確保尾礦庫的穩(wěn)定安全運行。陜西水利

[1]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析原理、方法、程序[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[2]王鳳江.國外尾礦壩事故調(diào)查分析[J].金屬礦山,2004,增刊:49.

[3]樓建東，李慶耀，陳寶.某尾礦壩數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2005,20(2):58-60.

[4]謝振華,陳慶.尾礦壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 [J].金屬礦山,2006,(10 69-74.

[5]寧民霞.水對尾礦壩穩(wěn)定性影響研究[D].遼寧工程技術(shù)大學，2003.

[6]祝玉學,戚國慶,陸兆明.尾礦庫工程分析與管理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999:193.

[7]騰志國.關(guān)于尾礦壩地震穩(wěn)定性的分析及評價[J].河北冶金,2003,（2）:8-12.