李 娜 張 航

(1.廣西冶金研究院有限公司； 2.湖北三鑫金銅股份有限公司)

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理正巖土軟件在廣西某尾礦庫邊坡穩(wěn)定性計算中的應用

李 娜1張 航2

(1.廣西冶金研究院有限公司； 2.湖北三鑫金銅股份有限公司)

尾礦壩的穩(wěn)定性分析在山谷型尾礦庫建設中非常重要，以廣西某尾礦庫為例，介紹了地層、構造、地下水及地震力等穩(wěn)定性影響因素，采用理正巖土軟件對該尾礦壩進行穩(wěn)定性計算分析。計算表明，該尾礦壩目前的安全系數Kmin=2.549,大于五級庫規(guī)范值1.15，說明該尾礦壩處于穩(wěn)定狀態(tài)；設計加高15 m后安全系數Kmin=1.626，其穩(wěn)定性仍然能夠滿足要求，但需要做好防排洪及排滲措施。

理正巖土軟件 尾礦壩 穩(wěn)定性

尾礦庫潰壩災害波及范圍廣，危害大[1]，為提高尾礦壩穩(wěn)定性，需要對其運行狀況進行精準計算[2]。目前用于邊坡穩(wěn)定性評價研究的軟件有很多種，常用到的有ARCGIS、ANSYS、FLAC3D、SLOPE/W、SLIDE 等[3]。本研究利用適用范圍較廣的理正巖土軟件，對廣西某尾礦庫壩體進行穩(wěn)定性分析[4]。

1 尾礦庫工程概況

廣西某尾礦壩庫區(qū)地貌屬構造侵蝕—剝蝕類型低山—丘陵地貌，溝谷走向121°，坡底寬50～72 m，呈不對稱“V”型，溝谷兩側山體自然坡度一般20°～35°，局部大于50°。整體地勢北西高、南東低，山體最高點位于尾礦庫西北側，標高342 m，溝谷兩側山體最高點稍低，標高215.4～239.5 m。溝谷兩側山體部分有基巖直接出露，植被較發(fā)育，灌木叢生。山地經濟以松杉、肉桂八角為主，山谷產水稻。

現狀壩體是在2009年已建成壩高10 m碾壓式土石壩的基礎上加高而成，筑壩材料為尾礦庫庫邊山體，垂直沖溝走向堆積碾壓而成，壩頂標高189.13 m。因此，現狀尾礦庫后期壩體實際坐落標高為175～189.13 m，壩高約14.13 m，壩頂寬約3.3 m，壩頂軸線長約62 m。壩外坡為三級臺階狀，平均坡度1∶1.4，壩內坡平均坡度1∶1.7。壩面上設有平臺(馬道)兩個，上、下兩平臺寬約10 m。碾壓土石壩外壩面平整，有植被，無滲流。尾礦壩現狀如圖1所示。

圖1 尾礦壩現狀

2 尾礦壩現狀穩(wěn)定性計算

2.1 尾礦庫邊坡堆積壩組成及力學參數

2.1.1 尾礦庫邊坡堆積壩組成

根據勘察報告，場地巖土層自上而下有素填土(填筑土)①、尾粉砂②、下伏基巖為寒武系砂巖③(∈)。場地巖、土體物理力學參數根據現場原位測試、室內巖土試驗確定，按國家標準及行業(yè)規(guī)程規(guī)定進行數理統(tǒng)計，分析相關設計參數建議值，如表1所示。

2.1.2 場地地質

經地面調查，尾礦庫二級壩(含尾礦庫)及場地周邊未發(fā)現崩塌、滑坡及地裂等地質災害，壩體也未發(fā)現漏洞、管涌、流土、裂縫、坍塌和滑動位移等不良地質作用現象，勘察過程中也未遇到軟弱結構面(夾層)不良地質現象。

表1 地基設計巖土體物理參數建議值

注：巖石承載力特征值依據《廣西壯族自治區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(DBJ/T45-002—2011)附錄C確定；*為經驗值。

2.1.3 場地水文地質條件

尾礦庫內及附近無大的地表水系，勘察各鉆孔內均未發(fā)現地下水，故地下水對壩體穩(wěn)定性無影響。據野外地質調查及訪問，尾礦庫二級壩場地附近未發(fā)現污水水源。尾礦庫內坡實際有防滲膜覆蓋，碾壓土石壩體不存在浸潤線，壩內按無水狀態(tài)下進行驗算。

2.1.4 地震力

由于該尾砂壩所處地理位置地震烈度為Ⅵ級以下，在壩體抗滑穩(wěn)定分析時，可以不考慮地震力影響。

2.2 壩體穩(wěn)定性計算

采用北京理正軟件設計研究院“理正巖土計算6.0版”軟件進行壩坡穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定最小安全系數計算。各層土、地基參數取值均按勘察報告提供的數值，計算時已將各層土、地基參數、壩上行走汽車荷載等一并輸入計算。

應用理正巖土軟件計算時，采用規(guī)范為通用方法，計算目標是安全系數計算，因為壩基含有原一期庫舊尾砂軟弱夾層，因此計算方法選用適用性較廣的圓弧滑動法。計算時不考慮地震力、水的作用，計算項目類型為復雜土層土坡穩(wěn)定性計算。軟件將壩體分為4個區(qū)域，其參數如表2所示。

表2 壩體不同區(qū)域參數值

壩體坡面線段數為6，其中超載距離0.500 m，寬2.300 m，荷載20.70 kPa，270.00°，坡面具體情況如表3所示，不同土性區(qū)域參數如表4所示。

表3 坡面具體數值

表4 不同土性區(qū)域參數值

[筋帶信息]

采用土工布

筋帶道數:1

筋帶拉力作用方向:筋帶力作用于滑面切線方向

筋帶力調整系數:1.000

[土層信息]

坡面節(jié)點數 7

編號X/mY/m00．0000．000-112．7365．243-223．5865．436-327．8028．693-439．0168．943-547．02414．973-650．37314．973

[計算條件]

圓弧穩(wěn)定分析方法:瑞典條分法

土條重切向分力與滑動方向反向時:當下滑力對待

穩(wěn)定計算目標:自動搜索最危險滑裂面

條分法的土條寬度:1.000 m

搜索時的圓心步長:1.000 m

搜索時的半徑步長:0.500 m

將壩體模型保存為.dxf格式，在確保模型中所有線條完全閉合后導入理正巖土軟件，并按要求依次輸入以上參數。通過軟件計算可知，該壩體的最不利滑動面滑動圓心為(4.436,10.401)，滑動半徑為12.220 m，滑動安全系數為2.549。計算結果如圖2所示。

根據計算，其壩體抗滑穩(wěn)定系數標準K=2.549,大于五級庫規(guī)范值1.15。由此可知：本尾礦庫加高前壩體的抗滑穩(wěn)定性系數大于尾礦庫安全技術規(guī)程的最小值，符合穩(wěn)定性要求。

圖2 計算結果(單位：m)

3 尾礦壩加高壩穩(wěn)定性計算

3.1 尾礦壩加高壩的設計參數

目前尾礦庫堆積侵蝕線實際標高約187.0 m，二期尾礦庫庫容基本達到現已加高后的標高189.13 m?？紤]到新建尾礦庫選址困難，設計批復和建設時間較長，為了確保企業(yè)正常生產，根據尾礦庫的實際情況，提出對該尾礦庫進行擴容，計劃對原尾礦庫二級壩繼續(xù)加高15 m，加高后壩頂標高204.13 m。

后期壩體共加高15 m，壩頂中軸線長約164.09 m，壩頂面寬3 m。后期堆積壩體共有5層子壩體，每一層子壩體高度都為3 m。堆積子壩內坡比為1∶1.5，外坡比為1∶2.5；后期堆積壩總體外坡比為1∶3.03。后期堆積子壩采用95%粗尾砂+5%熟石灰拌勻后逐層(每層厚0.5 m)碾壓堆積成壩，并與現狀壩面緊密嚙合。尾礦庫擬設計加高15 m 后如圖3所示。

圖3 壩體加高15 m后擴容改造

尾礦庫壩體筑壩材料于庫邊山體采取，垂直沖溝走向堆積碾壓而成，自上而下的土層分別是素填土、尾粉砂、中風化砂巖，其容重、黏聚力、內摩擦角等，見表1。碾壓土石壩體不存在浸潤線，壩內按無水狀態(tài)下進行驗算。由于本尾砂壩所處地理位置地震烈度為Ⅵ級以下，在壩體抗滑穩(wěn)定分析時，可以不考慮地震力影響。

3.2 應用理正軟件計算尾礦壩加高后的穩(wěn)定性

加高后壩體穩(wěn)定性計算仍然采用圓弧滑動法，坡面線段數為15，坡面節(jié)點數為16，不同圖形區(qū)域數如表5所示，不同區(qū)號參數值如表6所示。

表5 不同土性區(qū)域參數值

表6 壩體不同區(qū)域參數值

[計算條件]

計算項目：復雜土層土坡穩(wěn)定計算 2

圓弧穩(wěn)定分析方法:瑞典條分法

土條重切向分力與滑動方向反向時:當下滑力對待

穩(wěn)定計算目標: 自動搜索最危險滑裂面

條分法的土條寬度:1.000(m)

搜索時的圓心步長:3.000(m)

搜索時的半徑步長:2.000(m)

通過計算，最不利滑動面滑動圓心為(44.319,56.944)，滑動半徑為57.899m。其計算結果簡圖如圖4所示。

圖4 計算結果(單位：m)

通過計算，A-A剖面抗滑穩(wěn)定安全系數Kmin=1.626,大于五級庫規(guī)范值1.15，說明壩體加高15 m后壩體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結 論

詳細介紹了理正巖土軟件的功能、應用過程及參數的選取，并應用于廣西某尾礦壩中進行計算。通過計算可知，加高前尾礦壩的安全系數K=2.549,大于五級庫規(guī)范值1.15，加高后抗滑穩(wěn)定安全系數Kmin=1.626，大于五級庫規(guī)范值1.15。由此可知，該尾礦庫的壩體抗滑穩(wěn)定性在加高前及設計加高15 m后，安全系數均大于尾礦庫安全技術規(guī)程允許的最小值，可以滿足生產需求，但是要做好尾礦壩的維護工作，并完善其防洪排滲措施。

[1] 張敏哲,金愛兵,王志凱,等.尾礦壩穩(wěn)定性物理模型試驗研究[J].金屬礦山,2013(12):115-117.

[2] 段偉強.某尾礦庫邊坡穩(wěn)定性影響因素研究[J].勘查科學技術,2013(2):27-30.

[3] 李愛兵.尾礦庫山邊坡穩(wěn)定性分析與防治研究[J].地下空間,2001,21(5):412-418.

[4] 李建榮.德興銅礦4號尾礦庫尾礦堆積壩邊坡穩(wěn)定分析[J].有色冶金設計與研究，2002,23(4):62-63.

2016-08-31)

李 娜(1990—),女，助理工程師，碩士，530000 廣西南寧市長堽路40號。