韓 雪, 許譽(yù)浩

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱150022)

0 引 言

尾礦壩是礦山的重要工程之一，同時(shí)也是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，其投資及運(yùn)行費(fèi)用巨大。伴隨礦業(yè)工程的不斷發(fā)展，尾礦壩失事屢有發(fā)生。尾礦壩失事不僅使尾礦流失嚴(yán)重，而且破壞下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，造成巨大的生命及財(cái)產(chǎn)損失[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致尾礦壩潰壩等事故的直接原因中，洪水(水位快速上漲對(duì)周邊造成威脅的水流現(xiàn)象)約占50%，滲流破壞約占20%，壩體穩(wěn)定性不足約占20%，其他約占10%[2-3]。在尾礦庫(kù)不穩(wěn)定邊坡變形特征及滑動(dòng)機(jī)制、時(shí)變分析模型等研究基礎(chǔ)上[4-5]，文中以穆棱尾礦壩為研究工程背景，采用數(shù)值分析方法，研究不同降雨強(qiáng)度、不同水位高度下的壩體孔隙水壓力、干灘長(zhǎng)度及安全系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，以期防治尾礦壩潰壩事故的發(fā)生。

1 工程概況與基本力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

1.1 工程概況與工程地質(zhì)條件

尾礦壩位于穆棱市河西鄉(xiāng)雙興村北的溝谷內(nèi)，處于溝谷中段，該溝谷地勢(shì)北高南低。尾礦壩下游1.18 km處雙興村約有800住戶(hù)。壩體長(zhǎng)185.2 m，壩頂標(biāo)高為420～450 m。初期壩壩高14 m，堆積壩高度4 m，總壩高18 m，總庫(kù)容63.95萬(wàn) m3，尾礦壩筑壩形式為透水型碾壓式土石混合壩，設(shè)計(jì)等級(jí)為五級(jí)。堆積壩的形式為上游式筑壩法，其主要優(yōu)點(diǎn)壩體需要的外部填料少，沉積灘上的尾礦砂是最實(shí)用的筑壩材料，使筑壩成本最低。

尾礦庫(kù)地質(zhì)資料表明，庫(kù)內(nèi)巖土層有五層。第一層：表土，黑色，潤(rùn)濕，松散，分布于溝谷漫灘區(qū)。第二層：粉質(zhì)黏土，黃色—黃褐色，軟塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，含少量粗砂，主要分布于溝谷漫灘區(qū)。第三層：細(xì)?；旌贤粒S褐色—灰黃色，軟可塑，以粉質(zhì)黏土為主，碎石約占20%～40%，該層主要分布在谷底漫灘區(qū)兩側(cè)。第四層：粗?；旌贤?，黃褐色，飽和，黏性土約占10%～30%，由于上游庫(kù)水滲透和地表水滲入，該層土處于飽和狀態(tài)且地下水具承壓性。第五層：強(qiáng)風(fēng)化砂巖，褐色、灰黃色，飽和，以細(xì)砂巖為主，局部為粉砂巖，主要分布在壩址區(qū)西側(cè)山林。

1.2 基本力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

初期壩主要組成部分為粉質(zhì)黏土，尾礦砂由尾礦漿脫水后產(chǎn)生的固體工業(yè)廢料與細(xì)?；旌贤痢⒋至；旌贤恋韧馏w混合而成。黏土與尾礦砂的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[6-8]，每種土樣制備6組試件在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)直接剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)得土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角等參數(shù)，通過(guò)變水頭實(shí)驗(yàn)測(cè)得尾礦砂的滲透系數(shù)。各組土樣測(cè)試數(shù)據(jù)采用強(qiáng)度擬合曲線統(tǒng)計(jì)獲得內(nèi)摩擦角和黏聚力參數(shù)，初期壩土樣強(qiáng)度擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.96，其他尾礦砂強(qiáng)度擬合曲線相關(guān)系數(shù)在0.93～0.95。實(shí)驗(yàn)器材與土樣制備如圖1～4，數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析方法得物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 直剪實(shí)驗(yàn)儀器

圖2 制備土樣

圖3 變水頭實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 滲透系數(shù)測(cè)定

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2 模型建立

2.1 數(shù)值計(jì)算模型與邊界條件

尾礦壩壩體高度h18 m，壩長(zhǎng)l185.2 m，有限元網(wǎng)格劃分單元尺寸為2 m×2 m。依據(jù)工程地質(zhì)條件，計(jì)算模型有限元網(wǎng)格按6個(gè)區(qū)域劃分，分別為初期壩、尾細(xì)砂、尾中砂、尾粉砂、尾粉土和地基風(fēng)化砂巖，如圖5所示。分析模型采用Geostudio的seep/w分析模塊，對(duì)壩體降雨入滲和洪水邊界條件進(jìn)行設(shè)置。降雨入滲量計(jì)算范圍10～25 mm/h，洪水邊界高度計(jì)算范圍16.5～17.3 m。壩體土物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)按表1。

圖5 數(shù)值模型網(wǎng)格

2.2 計(jì)算工況

采用三種計(jì)算工況。

(1)工況一。分析降雨入滲條件下，不同降雨強(qiáng)度，壩體孔隙水壓力、安全系數(shù)隨時(shí)間的變化。

(2)工況二。分析洪水水位升降，壩體干灘長(zhǎng)度、安全系數(shù)隨時(shí)間的變化。

(3)工況三。分析洪汛期最高水位時(shí)，降雨入滲與洪水最高水位共同作用，壩體安全系數(shù)隨時(shí)間的變化。

2.3 土水特征曲線確定

非飽和土-水特征曲線獲得方法主要有，實(shí)驗(yàn)測(cè)定法和經(jīng)驗(yàn)擬合法[9-13]。數(shù)值計(jì)算一般采用函數(shù)擬合法。尾礦壩分析模型的6個(gè)區(qū)域，即初期壩、尾細(xì)砂、尾中砂、尾粉砂、尾粉土和壩基。非飽和土層主要以粉質(zhì)黏土與尾細(xì)砂為主。經(jīng)對(duì)不同擬合函數(shù)模型和工程地質(zhì)特征分析，穆陵尾礦壩降雨入滲作用分析中，非飽和土的土水特征曲線宜采用Fredlunt-Xing函數(shù)擬合法獲得，最終的擬合曲線如圖6所示。

圖6 非飽和土層基質(zhì)吸力與體積含水率曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 降雨強(qiáng)度對(duì)孔隙水壓力與安全系數(shù)的影響

3.1.1 孔隙水壓力

采用Geostudio中的seep/w模塊，分析壩體孔降水強(qiáng)度p隨降雨強(qiáng)度r和持時(shí)t的變化，圖7和8分別是降雨強(qiáng)度為10和25 mm/h的壩體孔隙水壓力隨降雨持時(shí)的變化情況。

由圖7、8計(jì)算分析表明，降雨強(qiáng)度為10 mm/h時(shí)，坡面流徑隨降雨持時(shí)的增加而加強(qiáng)，降雨持時(shí)較短時(shí)，壩體邊坡表面為負(fù)孔隙水壓力，坡面流徑在第2、4、6 d時(shí)并不明顯，在第8 d時(shí)徑流明顯加快；當(dāng)降雨強(qiáng)度為25 mm/h時(shí)，坡面徑流速率與范圍明顯強(qiáng)于降雨強(qiáng)度較小時(shí)，坡面孔隙水壓力逐漸從負(fù)孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎海紫端畨毫Φ脑龃髸?huì)造成土體抗剪強(qiáng)度降低，同時(shí)壩體內(nèi)部的徑流作用和強(qiáng)降雨對(duì)邊坡的沖刷，導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性降低。

圖7 降雨強(qiáng)度10 mm/h時(shí)孔隙水壓力

3.1.2 安全系數(shù)

分別對(duì)降雨強(qiáng)度γ為10、15、20、25 mm/h的壩體穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出安全系數(shù)α隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖8 降雨強(qiáng)度25 mm/h時(shí)孔隙水壓力

圖9 不同降雨強(qiáng)度下安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

由圖9曲線可知，總體上不同降雨強(qiáng)度壩體安全系數(shù)均隨降雨時(shí)間的增加而降低，但變化規(guī)律存在差異。降雨強(qiáng)度10 mm/h時(shí)，壩體的安全系數(shù)在第1～4 d緩慢下降，由于壩體內(nèi)空隙水壓力變化影響，第5 d甚至有所回升，隨后繼續(xù)緩慢下降；降雨強(qiáng)度15 mm/h時(shí)，壩體的安全系數(shù)在第1～4 d時(shí)基本保持不變，之后出現(xiàn)較快速率降低；降雨強(qiáng)度20和25 mm/h時(shí)，壩體安全系數(shù)隨降雨持時(shí)持續(xù)降低，而且變化速率快于較低雨強(qiáng)。綜上，不同雨強(qiáng)壩體安全系數(shù)隨降雨持時(shí)的增加而降低，且雨強(qiáng)越大降低速率越快。

3.2 洪水水位對(duì)干灘長(zhǎng)度與安全系數(shù)的影響

3.2.1 干灘長(zhǎng)度

采用Geostudio軟件中的seep/w模塊，對(duì)壩體水位變化進(jìn)行模擬分析，得出不同水位h1干灘長(zhǎng)度lg隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。

圖10 不同水位干灘長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化曲線

圖10可以看出，不同洪水水位，干灘長(zhǎng)度均隨作用時(shí)間的增加而縮短；干灘長(zhǎng)度變化速率隨洪水水位的升高而降低。

3.2.2 安全系數(shù)

采用Geostudio中的slope/w模塊，對(duì)壩體水位變化進(jìn)行模擬分析，得出不同水位壩體安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。

圖11 不同水位壩體安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

由圖11可知，在正常蓄水水位16.5 m時(shí)，隨作用時(shí)間壩體安全系數(shù)比較緩慢的降低，且在第4～5 d、與7～8 d有較小幅度地回升；當(dāng)水位升高到16.8、17.3 m時(shí)，壩體安全系數(shù)隨作用時(shí)間下降速率明顯大于正常蓄水水位；當(dāng)水位上漲到洪汛期最高水位時(shí)，壩體的安全系數(shù)降低速率進(jìn)一步加快。綜上，壩體安全系數(shù)隨水位的升高而降低，且降低速率與洪水水位正相關(guān)。

3.3 降雨入滲與洪水共同作用對(duì)安全系數(shù)的影響

采用Geostudio對(duì)壩體在降雨入滲和洪水共同作用進(jìn)行分析，得到降雨洪水作用壩體安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，并與25 mm/h單降雨作用和汛期最高洪水水位單作用進(jìn)行比較，如圖12所示。

圖12 降雨洪水作用下壩體安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

由圖12可知，在單一邊界條件下，降雨入滲對(duì)壩體安全系數(shù)的降低作用大于洪水作用；在二者共同作用下，壩體安全系數(shù)隨作用時(shí)間的增加而降低，同一時(shí)點(diǎn)壩體安全系數(shù)均低于降雨入滲或洪水單一作用情況。

3.4 壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過(guò)上述對(duì)壩體在不同邊界條件下孔隙水壓力、干灘長(zhǎng)度及安全系數(shù)的研究，取最不利截面結(jié)合簡(jiǎn)化Bishop法，計(jì)算壩體抗滑穩(wěn)定性的最小安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算結(jié)果

表2計(jì)算結(jié)果表明，穆棱尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)在降雨入滲、洪水運(yùn)行以及降雨洪水共同作用情況下均符合五等庫(kù)安全標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

(1)壩體孔隙水壓力隨降雨強(qiáng)度和持時(shí)的增加而增大，壩體安全系數(shù)隨降雨持時(shí)快速下降并最終趨于穩(wěn)定。

(2)壩體干灘長(zhǎng)度、安全系數(shù)隨洪水水位升高和作用時(shí)間增加而線性降低。

(3)降雨洪水共同作用是易引起壩體失穩(wěn)的不利組合，壩體安全系數(shù)降低速率大于降雨、洪水單一作用。

(4)按照五等尾礦壩安全運(yùn)行的穩(wěn)定系數(shù)要求，穆棱尾礦庫(kù)在降雨、洪水單一作用和共同作用下，評(píng)定為穩(wěn)定級(jí)。