高 太，王汝杰，高錦財(cái)，余忠銀

（1.鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司 齊大山選礦廠，遼寧 鞍山 114000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

EKG 兼具電滲法對(duì)高壓縮低滲透土的排水作用和土工合成材料良好的加筋固結(jié)功能，在巖土界引起了眾多工作者的關(guān)注。劉漢龍、王軍、張樂(lè)等采用真空預(yù)壓與電滲結(jié)合對(duì)軟土地基進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，采用電動(dòng)土工合成材料加固軟黏土地基比真空預(yù)壓?jiǎn)为?dú)加固軟黏土地基處理效果好，膜下與塑料排水板之間的真空度大小直接決定排水加固效果[1-3]。邱晨辰使用EKG 真空聯(lián)合電滲進(jìn)行軟黏土室內(nèi)研究，發(fā)現(xiàn)采用EKG 脫水之后的試驗(yàn)土體，沉降比真空和電滲法更大，土體表面也更加均勻，EKG處理軟黏土不良地質(zhì)具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。孫召花采用工程案例現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，利用EKG處理流塑狀態(tài)的吹填淤泥，實(shí)現(xiàn)縮短排水加固周期、增強(qiáng)土體強(qiáng)度和提高電能利用的功能[5]。Jones、Tyagi V K、Olivier J 利用EKG 處理工程污水、污泥、包括含高濃度金屬污染物的城市淤泥，均獲得比其他聯(lián)合方式更好的排水效果，有效解決了淤泥質(zhì)土高壓縮性排水困難的問(wèn)題[6-7]。EKG 在試驗(yàn)研究和工程案例中獲得的成果引發(fā)了科研工作者更多的思考，此后，EKG 的應(yīng)用范圍被不斷擴(kuò)大，2011 年Jones 利用土工合成材料的積極作用，將EKG 應(yīng)用于液壓原件中，Glendinning 等采用EKG 和濕式黏性填料設(shè)計(jì)加固土墻，實(shí)現(xiàn)了提高土墻抗剪強(qiáng)度的目的[8－10]。Evans M D 在軟黏土研究基礎(chǔ)上，利用電動(dòng)脫水原理解決了細(xì)粒砂土引起的道路地基凍脹問(wèn)題[11]。EKG 在加拿大等油砂尾礦較多的國(guó)家中也引起了廣泛重視，Bourgès－Gastaud、Shang J Q、Sébastien 等將EKG 應(yīng)用于油砂流體細(xì)尾礦的脫水處理，從電流、含水率、排水量與時(shí)間的關(guān)系曲線以及能量方面進(jìn)行細(xì)致的試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)EKG 對(duì)流體細(xì)尾砂的排水效果十分理想，解決了油砂尾礦可利用原料難分離、提取的問(wèn)題[12－13]。Fourie 利用EKG 進(jìn)行大型戶外試驗(yàn)，顯著降低了現(xiàn)場(chǎng)濕堆尾礦庫(kù)含水量，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處理高嶺石尾礦砂和蒙脫石、金剛石尾礦的耗電量比室內(nèi)小模型實(shí)驗(yàn)低出近30 倍，EKG 對(duì)細(xì)尾砂的排水應(yīng)用效果獲得良好的評(píng)價(jià)[14]。

為驗(yàn)證應(yīng)用EKG 在干堆尾礦庫(kù)中的排水性能和穩(wěn)定性提升效用，以吉林某干堆尾礦庫(kù)為例，采用Geo－studio 軟件對(duì)比分析算例尾礦庫(kù)應(yīng)用和不應(yīng)用EKG 2 種不同工況的滲流、靜力、動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，以此評(píng)價(jià)EKG 應(yīng)用于干堆尾礦庫(kù)的效果。

1 工程概況

某金礦選礦廠的尾礦砂經(jīng)機(jī)械脫水后以濾餅狀運(yùn)至干堆場(chǎng)堆存，干堆尾礦壩由初期壩和堆積壩組成。初期壩頂標(biāo)高436 m，壩底標(biāo)高418 m，最大壩高18 m，壩長(zhǎng)78 m，壩頂寬3 m，壩前坡1∶1.75，壩后坡1∶2，堆積壩采用尾砂堆筑，外坡平均坡度控制在1∶4，尾礦堆積每升高4 m，設(shè)置馬道1 條，馬道寬4 m，尾礦堆積體以1%坡度坡向庫(kù)內(nèi)。試驗(yàn)區(qū)尾礦砂的主要物理指標(biāo)見(jiàn)表1。依據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，本庫(kù)的等別為四等尾礦庫(kù)，但因尾礦庫(kù)下游0.5 km 處設(shè)有選礦廠，2 km 范圍內(nèi)有1 座村莊，故將本庫(kù)按三等庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

表1 試驗(yàn)區(qū)尾礦砂的主要物理指標(biāo)

2 EKG 工程概況分析模型

2.1 EKG 應(yīng)用方案

根據(jù)尾礦壩尺寸，對(duì)干堆尾礦壩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)EKG工程應(yīng)用鋪設(shè)設(shè)計(jì)，自下而上每間隔2 m 水平鋪設(shè)1 層電動(dòng)材料，豎直方向陰陽(yáng)電極交叉鋪設(shè)，標(biāo)高420～434 m 均鋪設(shè)170 m 長(zhǎng)的電動(dòng)材料，標(biāo)高436 m 處鋪設(shè)電動(dòng)材料198 m，標(biāo)高462～468 m 均鋪設(shè)70 m 長(zhǎng)，標(biāo)高438～460 m 電動(dòng)材料鋪設(shè)長(zhǎng)度隨標(biāo)高變化出現(xiàn)8 m 和12 m 交替變化，現(xiàn)場(chǎng)電壓60 V，采用輪循通電方式。

2.2 模型尺寸及參數(shù)

根據(jù)提供的設(shè)計(jì)資料，干堆尾礦初期壩最大壩高18 m，壩前坡1∶1.75，壩后坡1∶2.0，頂寬3 m，堆積壩最大壩高32 m，外坡平均坡度1∶4。根據(jù)基巖地質(zhì)資料，設(shè)置時(shí)基巖材料模型選取為不滑動(dòng)層，初期壩和堆積壩均輸入庫(kù)倫摩爾參數(shù)，原始尾礦壩工況與采用EKG 后的尾礦壩工況參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)尾礦壩邊坡幾何尺寸和基巖、初期壩、堆積壩材料組成參數(shù)，設(shè)置邊界條件，左水位標(biāo)高設(shè)置為436 m，右邊界水位標(biāo)高設(shè)置450 m，初期壩前坡面和坡頂設(shè)置為零流量邊界，尾礦壩模型如圖1。

圖1 尾礦壩模型

2.3 工程設(shè)計(jì)方案

工程模擬主要是對(duì)原始尾礦壩工況和采用EKG 鋪設(shè)排水的尾礦壩工況進(jìn)行滲流－靜力－動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算分析，共設(shè)計(jì)2 組工況對(duì)比，3 種模擬條件，即原始尾礦壩工程概況與EKG 工程概況下的尾礦壩在滲流、靜力、動(dòng)力條件下的穩(wěn)定性對(duì)比分析。滲流穩(wěn)定性計(jì)算主要由流量傳導(dǎo)率（滲透系數(shù)比率）決定，EKG 工程概況下的滲透系數(shù)由修正后的電動(dòng)流量系數(shù)換算得到，滲流計(jì)算時(shí)間設(shè)定為30 d，靜力穩(wěn)定性分析采用瑞典圓弧法和畢肖普法計(jì)算危險(xiǎn)滑移面安全系數(shù)，動(dòng)力穩(wěn)定性分析依據(jù)設(shè)計(jì)資料選取修正峰值加速度和修正峰值持續(xù)時(shí)間，3 種計(jì)算條件的重要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 工況設(shè)計(jì)參數(shù)

3 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.1 滲流計(jì)算結(jié)果

運(yùn)行計(jì)算得到滲流結(jié)果，堆積壩從左自右取6個(gè)特征點(diǎn)的孔隙水壓力值繪制的2 種工況下不同特征點(diǎn)孔隙水壓力如圖2，其中點(diǎn)1 是堆積壩坡面最低點(diǎn)與初期壩頂間的交點(diǎn)，點(diǎn)4 是標(biāo)高468 m 的堆積壩左上角頂點(diǎn)，點(diǎn)2、點(diǎn)3 是標(biāo)高436～468 m 間任意點(diǎn)，點(diǎn)5、點(diǎn)6 是標(biāo)高468 m 堆積壩部分的任意點(diǎn)。從滲流結(jié)果可以看出，采用EKG 之后的堆積壩浸潤(rùn)線明顯降低，初期壩最低點(diǎn)孔隙水壓力值最大處接近為0，從取點(diǎn)的孔隙水壓力值折線對(duì)比圖來(lái)看，隨著壩高的增加，EKG 對(duì)孔隙水壓力的抑制作用越明顯。

圖2 2 種工況下的不同特征點(diǎn)孔隙水壓力

3.2 尾礦壩靜力穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

孔隙水壓力狀態(tài)邊界設(shè)置為初期壩前平臺(tái)，標(biāo)高418 m 處，EKG 工況材料參數(shù)輸入室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的平均值，原始工況參數(shù)以測(cè)試值為準(zhǔn)，參數(shù)輸入后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，2 種工況下的最小安全系數(shù)如圖3。EKG 工況下的危險(xiǎn)滑動(dòng)面體積比原始工況滑動(dòng)面體積減小，安全區(qū)域擴(kuò)大，EKG 工況后的尾礦壩最低安全系數(shù)不小于1.788，對(duì)比最大安全系數(shù)不大于1.360 的現(xiàn)狀工況，EKG 提高了尾礦壩的靜力穩(wěn)定性。

2 種工況的靜力計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4。

圖3 2 種工況下的最小安全系數(shù)

圖4 2 種工況的靜力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從靜力計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，原始工況下的危險(xiǎn)滑移面，孔隙水壓力呈現(xiàn)波動(dòng)性下降，而經(jīng)EKG 作用后各點(diǎn)孔隙水壓力沿滑移面距離的增加而降低，且其壓力值呈現(xiàn)明顯的均勻下降規(guī)律，有利于壩體的持續(xù)穩(wěn)定，距離70 m 處的土條是發(fā)生強(qiáng)度變化的關(guān)鍵位置，采用EKG 后危險(xiǎn)滑移面土體的整體抗剪強(qiáng)度和黏聚強(qiáng)度增強(qiáng)，提高尾礦壩整體穩(wěn)定。靜力分析表明，按照現(xiàn)有尾礦壩坡比加入EKG 鋪設(shè)筑壩，能增強(qiáng)危險(xiǎn)滑動(dòng)面土體強(qiáng)度，提高尾礦壩安全系數(shù)，降低滑坡危險(xiǎn)，保障靜力安全。

3.3 尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

1）地震波的選取。根據(jù)尾礦庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查報(bào)告，GB 18306—2001 中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖及GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，礦區(qū)場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7°，根據(jù)土層的剪切波速經(jīng)驗(yàn)判別該尾礦庫(kù)場(chǎng)地土為中硬場(chǎng)地土，特征周期值為0.20 s，地震動(dòng)峰值加速度取0.20g，綜合考慮，選取EL centro 波作為工程模擬輸入地震波。

2）動(dòng)力計(jì)算結(jié)果。添加原位分析，左右豎向固定x 邊界，基巖底部固定x/y 邊界，計(jì)算壩體建成后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的排水固結(jié)，變形已趨于穩(wěn)定，添加地震分析，得到地震動(dòng)力條件下2 種不同工程概況的震后穩(wěn)定性結(jié)果。震后最低安全系數(shù)由原始工程概況的1.400 提高到1.900，震后危險(xiǎn)滑動(dòng)面土體體積明顯減小，采用EKG 堆筑尾礦壩能提高壩體的抗震穩(wěn)定性能。

3）計(jì)算液化區(qū)結(jié)果。2 種工況的尾礦壩液化區(qū)對(duì)比如圖5。

圖5 2 種工況的尾礦壩液化區(qū)對(duì)比

原始工況液化區(qū)發(fā)生在堆積壩浸潤(rùn)線以下，從最大相對(duì)位移延至壩前底區(qū)域，采用EKG 工況后的尾礦壩液化區(qū)面積隨著浸潤(rùn)線的降低明顯減小，幾乎不產(chǎn)生液化現(xiàn)象。干堆金尾砂堆積壩由尾粉砂組成，滲透系數(shù)低，抗剪強(qiáng)度差，地震作用下孔隙水壓力增加，抗剪強(qiáng)度降低，地震波在介質(zhì)中的傳播擴(kuò)散導(dǎo)致顆粒能量改變，產(chǎn)生震動(dòng)液化，EKG 工況下的尾礦壩增強(qiáng)了土體的排水性能，降低了孔隙水壓力的消極作用。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，采用EKG 筑壩對(duì)堆積壩體具有加筋固結(jié)效果，可提高尾礦壩的整體密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，抑制土顆粒發(fā)生震動(dòng)滑移，有效增強(qiáng)壩體的抗震性能。

4 結(jié)論

1）采用EKG 對(duì)干堆尾礦壩鋪設(shè)筑壩，能有效降低堆積壩浸潤(rùn)線位置，隨著壩高的增加，EKG 對(duì)孔隙水壓力的抑制作用越明顯。

2）經(jīng)EKG 作用后危險(xiǎn)滑移面各點(diǎn)孔隙水壓力沿滑移面距離的增加而降低，其壓力值呈現(xiàn)明顯均勻下降規(guī)律，EKG 筑壩能增強(qiáng)危險(xiǎn)滑移面壩體的整體抗剪強(qiáng)度和黏聚強(qiáng)度，提高尾礦壩靜力穩(wěn)定性。

3）在地震動(dòng)力影響下EKG 工況下的尾礦壩液化區(qū)面積隨著浸潤(rùn)線的降低明顯減小，采用EKG 筑壩對(duì)堆積壩體具有加筋固結(jié)效果，可提高尾礦壩的整體密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，抑制土顆粒發(fā)生震動(dòng)滑移，有效增強(qiáng)壩體的抗震性能。