張 新

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550003）

在實際生產(chǎn)過程中，舊堆場的閉庫之后，尾礦資源所開發(fā)利用時，需挖方運移所產(chǎn)生的邊坡大多在10-25m 間，但當(dāng)遇到由于施工場地狹窄，不具備放坡條件的邊坡，此類尾礦壩體邊坡的支護形式、坡高比如何選擇，在相關(guān)的邊坡技術(shù)規(guī)范里沒有明確的規(guī)定，并且計算方法至今還不成熟，計算高度也大大超過了規(guī)范要求。所以對尾礦邊坡的高切坡研究是具有指導(dǎo)和參考價值的。

1 工程地質(zhì)概況

（1）場區(qū)概況。某尾礦堆場堆積物為生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢棄尾礦，初始壩為堆石濾水壩，壩頂寬度5m，壩頂高程894m。尾礦堆場總體呈南東—北西塊狀展布，長約1200m，平均寬約700m，高度約75，面積約90 萬m2，填埋高程870m～942m，有效庫容約2875 萬立方米，目前尾礦堆積高程約930m，筑有8 級子壩。目前尾礦堆積高程約925m，如圖1 所示。

圖1 尾礦堆場壩體局部

（2）尾礦物理參數(shù)選取。從現(xiàn)場勘察取得的74 個尾礦樣，對所采取的尾礦樣用于指標(biāo)及分類試驗、強度試驗、有效孔隙確定和透水性測試，并且取樣4 件一組對其進(jìn)行固結(jié)不排水（CU）靜三軸剪切試驗，固結(jié)不排水剪為試樣先進(jìn)行飽和（采用反壓飽和）、其飽和度大于97%厚分別在不同周圍壓力100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后在不排水條件下試驗分別按不同圍壓100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下，施加軸向壓力進(jìn)行剪切直至破壞。據(jù)測試結(jié)果得出下表：試驗結(jié)果統(tǒng)計表如下：

表1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2 Midas GTS數(shù)值模型建立

2.1 軟件介紹

Midas GTS 數(shù)值模擬分析軟件是目前國內(nèi)主流的一款適用于大型邊坡模擬的數(shù)值分析工具，其軟件自帶國內(nèi)外各種經(jīng)典的本構(gòu)模型，滿足任何工況下的模擬分析，并且軟件的可靠度已經(jīng)通過國家權(quán)威機構(gòu)認(rèn)定，在本次模擬計算中，為了方便對邊坡進(jìn)行設(shè)計與內(nèi)力驗算，決定采用彈性力學(xué)經(jīng)典的分析方法-結(jié)構(gòu)—荷載法。本次模擬的尾礦大型壩體邊坡由于具有遇水膨脹的特性性，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，將結(jié)構(gòu)的熱傳遞單元DC3D6 轉(zhuǎn)化為其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析3D stress 單元類型，即C3D6R，錨桿鋼筋由熱傳遞單元DC1D2 轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元Truss 單元類型，即T3D2。

2.2 邊界條件的設(shè)置

下面對尾礦在重力荷載的靜壓力下二維穩(wěn)態(tài)受荷模型的邊界條件處理如下。

其中，Tport為壩體內(nèi)邊界進(jìn)出口溫度；T0為壩體外界環(huán)境溫度。為便于模擬結(jié)果的對比，并且根據(jù)以往的相似模擬實驗溫度值，并考慮到施工工況的影響，將壩體外界環(huán)境與入口處初始溫度設(shè)置為 22℃。

（2）巷道內(nèi)外墻壁邊界條件。根據(jù)以往模擬經(jīng)驗，本次模型的邊界條件將壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與外側(cè)圍巖接觸面按第三類邊界條件處理，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

（3）位移邊界。根據(jù)假設(shè)，巖體兩側(cè)側(cè)壓力相等，因此邊界條件設(shè)置為對稱邊界，即限制Y 軸和Z 軸的旋轉(zhuǎn)自由度，與X 軸的位移自由度。

2.3 分析步設(shè)置

在Midas GTS幾何模型材料及網(wǎng)格劃分完畢后，選用靜力分析步中的邊坡靜力分析。根據(jù)經(jīng)驗將總計算步長設(shè)為1500，增量為1；初始條件下將所有節(jié)點溫度設(shè)置為25℃，并且從第一步開始開始加載，增量為1，并將前面計算分析得到的溫結(jié)果加載到有限元分析的模型之中。數(shù)值模型建下圖2所示。

圖2 數(shù)值模型建

3 計算結(jié)果分析

圖3 天然工況下最大剪應(yīng)變云

圖4 天然工況下總位移云

圖5 降雨工況下最大剪應(yīng)變云

圖6 降雨工況下總位移云

計算結(jié)果分析：總體上看壩體盡管高度較高，但是總體相對穩(wěn)定；由上面模擬計算可知，尾礦邊坡的主要剪應(yīng)變集中區(qū)域在邊坡的后緣，這是由于在堆積過程中后面坡度較前緣陡很多，并且堆積較松散；相反由于前緣坡度減緩所以剪應(yīng)變小，沒有形成明顯的滑裂帶。在應(yīng)變圖上可以看出滑坡前緣有局部地區(qū)剪應(yīng)變值較大，這是因為滑坡前緣臨空，受到后緣和中段較大的下滑力作用，且地層分界差異較大。

從圖中可以看出，自然條件下滑坡的最大剪切應(yīng)變?yōu)?.13，降雨條件下的剪切應(yīng)變?yōu)?.35。隨著剪切應(yīng)變值的增加，地質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性大大降低。模型在自然條件下的上部巖土的剪切應(yīng)變基本為0.06，在降雨條件下模型的上部巖土的剪應(yīng)變值基本上為0.1，表明在降雨條件下，雨暈增加。

Midas gts 中的位移云圖看到尾礦壩體在不同位置的變化。這里需要說明的是，云圖中的位移值不是實際的滑坡位移值，而是尾礦礦物在多次降低指標(biāo)后尾礦壩體破裂時形成的位移，這與現(xiàn)實中滑坡的真實位移不一致。在不同的收斂指標(biāo)下，計算步驟不同，最終位移值也不同。因此，位移云圖仍然是研究滑坡穩(wěn)定性和變形破壞的重要內(nèi)容。

4 計算結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范計算結(jié)果校核

在充分考慮地質(zhì)研究區(qū)域野外原位測試、室內(nèi)常規(guī)試驗、直剪試驗等各種試驗條件的基礎(chǔ)上，并結(jié)合各層巖土的天然重度γ、飽和重度γsat、粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ、水下粘聚力c 和水下內(nèi)摩擦角φ，分別分析正常運行狀態(tài)與洪水運行狀態(tài)（飽和狀態(tài)）時，尾礦堆積壩的穩(wěn)定性，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2002）5.2.3，采用瑞典圓弧滑動法，在不考慮地質(zhì)邊坡變化荷載影響的情況下，用“理正巖土計算5.0 版”算各坡體的穩(wěn)定性，計算時考慮了地下水的滲透力，并采用瑞典條分法結(jié)合總應(yīng)力法：

表2 壩體穩(wěn)定分析計算成果表

因《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）中3 級壩體的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)（瑞典圓弧滑動法）在正常運行下為1.20，在洪水運行下為1.10，由表12 可看出該尾礦堆積壩不論是正常運行時還是洪水運行時壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求。

5 結(jié)論與建議

（1）通過計算結(jié)果可看出，該初始壩的抗穩(wěn)定性較好，安全系數(shù)較高，這與有限元計算結(jié)果相吻合。

（2）由模擬計算可知降雨工況下，尾礦壩體最大剪應(yīng)變急劇增大，因此應(yīng)警惕暴雨對壩體穩(wěn)定性的影響。

（3）本文的三維模型效果較好，其建模參數(shù)和網(wǎng)格劃分以及計算結(jié)果均可以作為相同類型項目作為參考。

（4）建議干堆尾礦邊坡必須控制堆積高度（小于25m），并沿整個坡體面均勻分布堆積；必須布置排滲設(shè)施，隨時保持堆積頂部工作面的平整；應(yīng)在坡頂工作面前沿臨空面后退30m 設(shè)安全警戒線；雨季（下暴雨）必須停止進(jìn)行尾礦的堆填作業(yè)，將人員及機械設(shè)備退后至安全警戒線以外；對壩體進(jìn)行變形觀測、浸潤線的觀測以及初始壩的滲流進(jìn)行檢測，定期（每增加二級）對壩體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核驗算；壩體在做堆積時嚴(yán)格采用設(shè)計的上游坡和下游坡比；進(jìn)一步完善壩面排水溝和植被覆蓋或綠化、壩肩截水溝、觀測設(shè)施。