劉 藝

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

尾礦庫(kù)是金屬非金屬礦山的重大危險(xiǎn)源，安全問(wèn)題已成為各國(guó)政府和礦山企業(yè)所關(guān)注的重大課題。據(jù)有關(guān)資料分析，洪水漫壩、潰壩、排洪系統(tǒng)失效、滲流破壞、邊坡失穩(wěn)、地震液化等，都是尾礦壩的主要致險(xiǎn)因素[1]。其中大約40%的尾礦壩事故是由滲流破壞和邊坡失穩(wěn)引起的。例如，1997年10月22日，美國(guó)BHP銅業(yè)公司餓尾礦壩邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致23萬(wàn)m3尾礦下泄；1962年9月26日云南錫業(yè)公司火谷都尾礦壩潰壩事故，是由第二期壩的修改，未做穩(wěn)定驗(yàn)算，壩坡太陡，壩體斷面單薄引發(fā)的[2]。新版的尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定計(jì)算問(wèn)題提出更高的要求。因此，研究尾礦壩的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題至關(guān)重要。本文應(yīng)用Midas-GTS軟件對(duì)尾礦壩二維、三維穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析，為今后的尾礦壩的設(shè)計(jì)提供參考。

尾礦壩的穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法大體上分為極限平衡法和數(shù)值分析法。極限平衡法有瑞典圓弧法、畢肖普法、薩爾瑪法和摩根斯坦—普萊斯法等，其原理簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，有多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，在工程上應(yīng)用最廣泛的是瑞典圓弧法和畢肖普法；數(shù)值分析法有限單元法、離散元法、邊界元法等，其通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，選擇材料的本構(gòu)關(guān)系來(lái)模擬求解壩體的應(yīng)力應(yīng)變值，然后再按照一定的準(zhǔn)則，判斷并給出壩體的穩(wěn)定性區(qū)域等指標(biāo)，在工程上應(yīng)用最廣泛的是有限單元法。

1 有限元強(qiáng)度折減法的基本原理

極限平衡法是土坡穩(wěn)定分析中的傳統(tǒng)方法，基于強(qiáng)度折減的有限元法用于邊坡穩(wěn)定分析是較新的方法。有限元強(qiáng)度折減法的基本原理[3]是將坡體強(qiáng)度參數(shù)粘聚力C和內(nèi)摩擦角值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的C1、值，即經(jīng)過(guò)折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：

2 尾礦庫(kù)概況

某尾礦庫(kù)屬于山谷型尾礦庫(kù)，該尾礦庫(kù)初期壩壩頂寬5.0m，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)120.0m，壩高10.0m，上游平均坡比為1：2.2，下游平均坡比為1：2.5。堆積壩高60.0m，坡比為1：4.5，灘長(zhǎng)400.0m，平均坡比1：100，洪水期最小干灘長(zhǎng)70.0m，正常運(yùn)行期最小干灘長(zhǎng)200m，屬于三等尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)區(qū)松散土層為第四系人工尾礦堆積物，以尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土為主，基底及岸坡地層為第四系殘坡積、沖洪積成因的碎石土、卵石等組成。尾礦壩堆積體分區(qū)復(fù)雜，根據(jù)顆粒粗細(xì)程度和尾礦固結(jié)度以及參考徐宏達(dá)教授級(jí)高工的概化分區(qū)方法[4]進(jìn)行區(qū)域劃分，圖1為尾礦壩典型剖面。

圖1 尾礦壩典型剖面

3 物理力學(xué)參數(shù)的選取

巖土體物理力學(xué)參數(shù)選取是影響邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要因素。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探、原位測(cè)試以及室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮選取了巖土體的物理參數(shù)。

本次模型計(jì)算主要采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)

4 模型的建立

邊坡巖土體的本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫(kù)倫模型。模型采用實(shí)體單元中的高級(jí)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，在上部加密網(wǎng)格尺寸，有利于提高有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度。

結(jié)合壩體材料分區(qū)，采用Midas-GTS巖土工程分析軟件進(jìn)行大壩的建模并剖分網(wǎng)格。建立計(jì)算模型坐標(biāo)系，規(guī)定為：X軸為沿水平方向，垂直于初期壩壩軸線(xiàn)，指向上游為正，取初期壩外坡坡腳為坐標(biāo)原點(diǎn)；Y軸為垂直方向，向上為正，取初期壩外坡坡腳為零點(diǎn)；Z軸為初期壩壩軸線(xiàn)方向，與溝谷正交，正方向指向左岸，取最右端斷面處為Z軸零點(diǎn)。二維、三維有限元模型見(jiàn)圖2、圖3。二維網(wǎng)格共有節(jié)點(diǎn)22265，單元21854；三維網(wǎng)格共有節(jié)點(diǎn)76965，單元73500。

圖2 二維模型網(wǎng)格

圖3 三維模型網(wǎng)格

5 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析

邊坡達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上的位移將產(chǎn)生突變，產(chǎn)生很大的且無(wú)限制的塑形流動(dòng)，有限元計(jì)算都不收斂，采用力或位移不收斂作為邊坡破壞的判據(jù)是合理的。因此可把節(jié)點(diǎn)塑形應(yīng)變或位移突變作為邊坡失穩(wěn)的依據(jù)。

根據(jù)邊坡破壞的特征，邊坡破壞是滑面上的節(jié)點(diǎn)位移和塑形應(yīng)變將產(chǎn)生突變，滑動(dòng)面在水平位移和塑形應(yīng)變突變的地方，因此可以在MIdas-GTS程序的后處理中通過(guò)繪制邊坡水平位移或者等效塑形應(yīng)變等值線(xiàn)云圖來(lái)確定滑動(dòng)面。

圖4 尾礦壩二維正常運(yùn)行工況，F(xiàn)s=1.68

圖5 尾礦壩二維洪水運(yùn)行工況，F(xiàn)s=1.45

圖6 尾礦壩二維特殊運(yùn)行工況，F(xiàn)s=1.32

圖7 尾礦壩三維正常運(yùn)行工況，F(xiàn)s=1.82

圖8 尾礦壩三維洪水運(yùn)行工況，F(xiàn)s=1.57

圖9 尾礦壩三維洪水運(yùn)行工況，F(xiàn)s=1.43

從圖4～圖9的計(jì)算結(jié)果可知，該尾礦壩在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行下是穩(wěn)定的。該尾礦壩二維、三維穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果規(guī)律一致，最危險(xiǎn)滑裂滑裂區(qū)域位置基本相同，三維比二維計(jì)算的最小安全系數(shù)值略高，這主要是由于滑體的端部效應(yīng)，二維穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，無(wú)法考慮滑體端部的抗滑貢獻(xiàn)，而三維穩(wěn)定性則能夠考慮這一有利因素，造成三維安全系數(shù)高于二維安全系數(shù)的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

（1）相對(duì)于傳統(tǒng)的極限平衡法，有限元強(qiáng)度折減法在進(jìn)行尾礦壩邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)未作任何假設(shè)，破壞自然的發(fā)生在土的抗剪強(qiáng)度不能抵抗剪應(yīng)力的地帶，因此從理論上說(shuō)其計(jì)算的出的滑裂面就是邊坡破壞時(shí)的最危險(xiǎn)滑裂面。

（2）相對(duì)于傳統(tǒng)的極限平衡法，有限元強(qiáng)度折減法可以計(jì)算尾礦壩的三維邊坡穩(wěn)定，能更好的模擬工程實(shí)際，得到更精確的結(jié)果，具有很好的實(shí)用性，為工程設(shè)計(jì)提供更多的依據(jù)。