方星燃

（新疆有色冶金設(shè)計研究院有限公司,新疆烏魯木齊 834600）

0 概述

我國是一個工業(yè)大國，礦產(chǎn)資源總量豐富，近些年礦產(chǎn)資源的開發(fā)為我國經(jīng)濟發(fā)展作出了重大貢獻。隨著國際金屬價格的不斷攀升，我國金屬非金屬礦產(chǎn)的開發(fā)力度也逐漸加大。對礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用大幅度提升，新建礦產(chǎn)的規(guī)模也呈逐年上升狀態(tài)。而隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，以“礦渣”狀態(tài)排出的尾礦也逐年增加。于是尾礦庫也隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)開始大規(guī)模新建。為提高尾礦庫的安全運行水平，2021 年九月我國開始實施新版《尾礦庫安全規(guī)程》（GB39496-2020）。新標準對新建尾礦庫的等級、筑壩方式均作出條件限制。2020年三月應(yīng)急管理部等聯(lián)合印發(fā)了《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案》，自2020 年起，在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開發(fā)的前提下，全國尾礦庫數(shù)量原則上只減不增，不再產(chǎn)生新的“頭頂庫”。

隨著各項監(jiān)管政策的日趨收緊，各企業(yè)為保證經(jīng)營利潤，降低尾礦處理成本，尾礦庫的規(guī)模等級呈放大趨勢。

對于設(shè)計人員來說單一尾礦庫等級提高后勢必增加設(shè)計難度及穩(wěn)定驗算的工作量。在設(shè)計過程中Autobank 軟件是針對水利行業(yè)設(shè)計要求而開發(fā)的分析軟件，可對大壩、涵洞、水閘、渠首等構(gòu)筑物進行穩(wěn)定分析。而尾礦專業(yè)由于專業(yè)較為特殊目前市場上暫無針對尾礦專業(yè)而單獨開發(fā)的相關(guān)計算軟件。因此將類似的水利行業(yè)計算軟件應(yīng)用到與之類似尾礦行業(yè)是有一定必要性的。

本文利用Autobank 軟件對尾礦壩進行了滲流分析計算、穩(wěn)定性驗算。將滲流計算結(jié)果等參數(shù)導(dǎo)入穩(wěn)定計算模型后進行計算，驗證了尾礦庫壩體的安全穩(wěn)定性。

1 工程模型介紹

本項目計算模型為哈密焱鑫銅業(yè)土屋銅礦尾礦庫，原設(shè)計初期壩壩頂高程為593.0m，壩基高程為574.0m，壩高為19.0m，壩頂寬度為5.5m，壩長2216m，上游側(cè)邊坡為1:1.8，下游側(cè)邊坡為1:2.0。技改設(shè)計采用采礦廢石筑壩，子壩共為8 級，最終堆積壩頂標高為633.0m，最終堆積壩高40m，總壩高59m，技改后尾礦庫等級為三等庫。

由于本項目為技改工程，計算以已建設(shè)壩體593.0m標高以下為初期壩，593以上部分為碎石加高壩體。在建立模型的過程中除根據(jù)浸潤線進行分區(qū)輸入物理參數(shù)外還應(yīng)根據(jù)已建成壩體與即將建成壩體進行分區(qū)參數(shù)輸入。

2 模型建立過程

2.1 模型建立要點

為保證計算的準確性，滲流計算穩(wěn)定計算采用同一計算模型。首先在AutoCad 中將壩體各參數(shù)繪制成圖，主要要素為各不同界面的土層物理學(xué)參數(shù)、節(jié)點坐標（相對）、水位關(guān)系。將繪制好的圖形文件導(dǎo)出為.dxf 格式后導(dǎo)入Autobank 軟件。在Autobank中重新核對各坐標點是否有誤，Autobank 識別Auto-Cad創(chuàng)作的圖元有一定概率出錯，應(yīng)在Autobank中重新進行校正。

2.2 提高模型精度的措施

Autobank 軟件計算前要求將模型劃分為若干單元。為提高模型精度應(yīng)盡可能保證每個單元的形狀規(guī)則，內(nèi)角不應(yīng)相差太多，軟件計算邏輯為內(nèi)角大于180°均視為非法。在求解區(qū)域的凹角處應(yīng)布置較多的單元，才可以準確的反應(yīng)該處的應(yīng)力＼應(yīng)變水利坡降等要素。同時軟件支持將復(fù)雜區(qū)塊劃分為四邊形單元，但在實際的設(shè)計工作中由于尾礦庫初期壩與堆積壩整體建模，尺寸較大，劃分為四邊形單元拼接工作量較大，因此本文認為根據(jù)軟件自動網(wǎng)格劃分（三角形單元）在尾礦庫設(shè)計中是合適的。

2.3 邊界條件的確定

由于前期已經(jīng)進行了滲流分析，只需將不同水位下滲流分析的計算結(jié)果分別輸入模型逐一計算即可得到不同工況下的穩(wěn)定分析結(jié)果。在確定邊界條件時軟件可直接輸入水面線的高程Y 坐標，根據(jù)標高繪制邊界線。有限元的邊界條件實際上是賦予每個邊界上的單元節(jié)點的，邊界線為一條折線（PL線），凡是與此線重合的單元節(jié)點程序均認為受此邊界條件的作用，否則認為不受作用，因此邊界線應(yīng)沿求解區(qū)域的單元邊界繪制，防止區(qū)域邊界轉(zhuǎn)折的地方出現(xiàn)漏點。

由于本項目在安全設(shè)施設(shè)計中為保證浸潤線埋深采取了增加排滲管的工程措施，因此在邊界條件輸入時應(yīng)根據(jù)設(shè)計的排滲管坐標逐一輸入“hole”模型點，檢查時可根據(jù)浸潤線與“hole”點交叉時的坡降判斷該點的作用效果。

3 模型計算

3.1 計算參數(shù)

根據(jù)企業(yè)目前實測資料，現(xiàn)有尾礦庫沉積灘平均坡度為1%，設(shè)計沉積灘坡度按1%設(shè)計，澄清距離計算長度為213m。土層（部分）及筑壩材料相關(guān)參數(shù)采用地質(zhì)勘查報告中參數(shù)，其中浸潤線以下部分采用水下參數(shù)。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)AutoBank7.07 程序進行滲流計算，結(jié)果如下：

3.3 計算結(jié)果分析

分別采用軟件的畢肖普法和瑞典圓弧法計算。在不同工況下均滿足規(guī)范要求。由于畢肖普法在模型計算時考慮了土條間的作用力因此計算出的安全系數(shù)要略高于瑞典圓弧法，軟件計算后的結(jié)果與理論推導(dǎo)一致。其不同工況下的計算結(jié)果簡圖見圖1～圖4。

圖1 特殊工況下畢肖普法穩(wěn)定驗算結(jié)果

圖2 特殊工況下瑞典圓弧法穩(wěn)定驗算結(jié)果

圖3 臨界最高洪水位工況下畢肖普法穩(wěn)定驗算結(jié)果

圖4 臨界最高洪水位工況下瑞典圓弧法穩(wěn)定驗算結(jié)果

4 結(jié)論

通過整體建模分析計算了尾礦壩的安全性，且計算結(jié)果準確。軟件可僅輸入一個模型，采用不同的工況和不同的計算方案進行計算分析，可極大的提高設(shè)計人員的工作效率。

本項目所采用計算模型的實際工程為土屋銅礦尾礦庫初期壩及堆積壩，目前土屋銅礦尾礦庫已竣工投產(chǎn)使用，通過對壩體上位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)進行分析可知尾礦庫運行良好。通過實際運用可以看出AutoBank 軟件在尾礦庫設(shè)計中穩(wěn)定驗算分析部分具有建模準確，可視化強、效率高的優(yōu)點。