于浩澤 高義軍 郭奇峰 劉文勝 潘繼良 張文飛

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團南山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

金屬礦石經(jīng)過破碎、細化、分選和提取所遺留的廢棄物稱為尾礦,因尾砂粒徑小、強度低及透水性差,易受雨水影響而產(chǎn)生滑坡[1];礦石在開采過程中也會剝離出大量廢土,這些廢土往往堆積于排土場中形成高勢能人工松散堆墊[2],同尾礦庫一樣存在著極高的危險性。這兩者的管理、監(jiān)測和維護,每年都會對礦山企業(yè)造成很大的經(jīng)濟壓力。近年來,我國對于強降雨及其他極端天氣情況下尾礦庫穩(wěn)定性要求有了進一步提升,如果通過設(shè)計優(yōu)化采用廢石土堆排尾礦庫壩體,則能夠在確保尾礦庫壩體處于極端天氣情況下的安全性和穩(wěn)定性的同時,還能夠?qū)崿F(xiàn)廢石土的排放,為礦山企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。

為滿足礦山安全性和經(jīng)濟性要求,國內(nèi)外許多學(xué)者對尾礦庫坡面堆排開展了相關(guān)研究[3-6]:唐飛[7]首次總結(jié)大量工程實踐所創(chuàng)造的尾礦庫與廢石土聯(lián)合堆排經(jīng)驗,并提出尾礦庫上方建排土場坡面堆排技術(shù);穆貴清等[8]通過模擬實驗的方式發(fā)現(xiàn)坡面堆排工程中底部用以排滲的石塊層效果較差時,會導(dǎo)致堆排體內(nèi)部含水量增大,嚴重時甚至會造成潰壩;王曉民等[9]分析了不同堆排方式對壩體的安全穩(wěn)定性的影響,提出了自外向內(nèi)、自下而上包裹式分層堆排的安全施工方案;朱遠樂等[10]在坡面堆排設(shè)計中考慮了地震荷載,通過調(diào)整邊坡腳以及設(shè)置工作平面對方案進行了優(yōu)化。

本研究從降雨和堆排對尾礦庫壩體穩(wěn)定性的影響出發(fā),在ABAQUS 模擬軟件中對已有的4種堆排方案進行強度折減計算安全系數(shù),兼顧經(jīng)濟效益優(yōu)化堆排方案,然后根據(jù)凹山尾礦庫特定工程背景模擬強降雨條件下凹山尾礦庫壩體穩(wěn)定性,研究結(jié)果可以為企業(yè)尾礦庫壩堆排改造與建設(shè)提供合理的參考依據(jù)。

1 尾礦庫工程概況

凹山尾礦庫地處安徽馬鞍山市向山鎮(zhèn)西南上南莊村境內(nèi),原始地形位于兩低山丘陵凹地之間,凹山庫區(qū)內(nèi)最低高程+15.50 m。該庫采用上游法施工工藝筑壩,設(shè)計壩高99.5 m(標高+115 m),庫容8 863萬m3,尾礦庫等級為三等。自尾礦庫投入運營以來,存在著不同程度的安全隱患問題,雖然礦山企業(yè)相繼采取工程防范措施,但鑒于尾礦庫的特殊性,極端自然災(zāi)害導(dǎo)致潰壩時將對當?shù)鼐用窦暗V山企業(yè)造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。

庫區(qū)所在地降雨季節(jié)為5—8月,春末夏初為梅雨期,多陰雨天氣,降雨量約占全年的1/3,年平均降雨量1 100 mm,年內(nèi)日最大降水量為107 mm,4—8月份為防洪季節(jié)。庫區(qū)周圍沒有大的地表水系,地下水以大氣降水補給為主,因庫區(qū)地形復(fù)雜不利于地下水集聚,故排滲較好,主要經(jīng)尾礦庫排到下游溝渠。

尾礦庫采用上游法筑壩,后期子壩由尾砂堆積而成,子壩外坡比為1 ∶2.5,內(nèi)坡比為1 ∶2.5,外坡總坡比為1 ∶5.0,尾礦庫原壩體側(cè)視圖見圖1。

圖1 尾礦庫側(cè)視圖Fig.1 Side view of tailings pond

2 堆排方案優(yōu)選

堆排方案設(shè)計應(yīng)充分考慮設(shè)計庫容和施工難度,并防止尾礦庫原壩堆排過多發(fā)生整體剪切破壞,設(shè)計方案安全系數(shù)應(yīng)滿足《GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的要求。凹山尾礦庫是三等庫,按照《GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》第4.4.1條的要求,堆排后的壩坡在正常工況下壩坡安全系數(shù)應(yīng)該大于或等于1.20。

2.1 堆排穩(wěn)定性評價理論

根據(jù)施工工藝及礦區(qū)庫存要求的不同,目前已有4個堆排方案,下文中將以強度折減法為標準對各個方案進行穩(wěn)定性評價。

有限元強度折減法是一種可廣泛應(yīng)用于評價邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析方法,其是在強度折減彈塑性法和彈塑性有限元法的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。1975年,Zienkiewicz 等在《土工程彈塑性有限元數(shù)值分析》論文中最先提出了強度折減法。強度折減法要求在適當?shù)臉藴氏掳聪禂?shù)對抗剪強度進行折減,求得在穩(wěn)定性臨界點時的抗剪強度折減系數(shù)。由此對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行分析所得到的達到臨界狀態(tài)時的抗剪強度折減系數(shù)在傳統(tǒng)意義上即為Bishop 在極限平衡法中給出的邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)[11]。強度折減法也可以與滲流—應(yīng)力耦合來計算降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù),如蔡亞飛等[12]就在ABAQUS中建立了邊坡的物理模型,并應(yīng)用強度折減法和滲流—應(yīng)力耦合理論,模擬出降雨條件下邊坡的應(yīng)力場、位移場、滲流場以及安全系數(shù)。

根據(jù)強度折減法理論,土體的抗剪強度參數(shù)可分別表示為

式中,c、φ為土體所能提供的抗剪強度參數(shù);cm、φm為維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度參數(shù);Fs為強度折減系數(shù)。

利用ABAQUS 可獲得折減過程塑性應(yīng)變歷程及范圍,從而從整體上綜合評價邊坡穩(wěn)定性。在ABAQUS 中,可以將材料特定參數(shù)設(shè)置為預(yù)設(shè)場的函數(shù),通過逐步降低預(yù)設(shè)場的值從而使土體逼近穩(wěn)定性臨界點,達到強度折減法求安全系數(shù)的目的。

2.2 堆排方案介紹

尾礦庫堆排方案設(shè)計考慮的主要指標為安全穩(wěn)定性、庫區(qū)容量和施工難度,根據(jù)不同側(cè)重點設(shè)計有4個方案:基礎(chǔ)全換填、基礎(chǔ)清除局部素填土、基礎(chǔ)局部碎石樁加固、基礎(chǔ)不處理。4個方案的剖面示意見圖2。

圖2 4個方案剖面圖Fig.2 4 schemes section diagram

(1)方案1,基礎(chǔ)全換填(表層素填土和粉質(zhì)黏土全部清除)。在此方案中應(yīng)將天然基礎(chǔ)軟土層大部分去除,改用力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的巖石材料換填以作為持力層,可以有效地提高基礎(chǔ)的承載能力并減少基礎(chǔ)的沉降量。

(2)方案2,基礎(chǔ)清除局部素填土。基礎(chǔ)表層的素填土與粉質(zhì)黏土一并去除。通過穩(wěn)定計算分析得出主壩壓坡體第一級臺階高度對于不同基礎(chǔ)處理方案邊坡穩(wěn)定有很大影響,所以本方案考慮在基礎(chǔ)處理前對主壩壓坡體內(nèi)第一級臺階高度進行調(diào)整,即把原方案第一級臺階標高+35 m 調(diào)整到+28 m,其余臺階高度及臺階邊坡角均未調(diào)整。

(3)方案3,基礎(chǔ)局部碎石樁加固。為了減小工程量,主壩壓坡體第一級臺階調(diào)至+28 m,然后做基礎(chǔ)處理。根據(jù)穩(wěn)定計算的最危險滑弧,考慮從滑出面區(qū)域?qū)A(chǔ)進行局部碎石樁處理,即僅在鄰近壓坡體坡腳120 m 以內(nèi)采用碎石樁加固,碎石樁處理平面面積約4.8 萬m2。根據(jù)穩(wěn)定性計算,要求壓坡體+28 m標高平臺以下范圍均采用塊石堆體。

(4)方案4,基礎(chǔ)不處理?；A(chǔ)不處理的情況下,對典型剖面不同的第一臺階高度分別進行穩(wěn)定性分析計算。

2.3 堆排方案優(yōu)選

經(jīng)強度折減得到的各種方案的危險塑性斷裂帶(安全系數(shù))見圖3。PEMAG(塑性應(yīng)變)衡量塑性變形程度,當期大于0.01 時可認為有較大的永久變形產(chǎn)生,即云圖中灰白色及以上區(qū)域都產(chǎn)生了危險的塑性變形。根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果,4個方案安全系數(shù)均高于規(guī)范值,且均具有一定安全裕度。從云圖得到的斷裂帶位置來看,方案1、方案4為坡頂至第一級臺階坡腳處,貫穿了堆排體的每一級臺階,滑坡體較大,約210 萬m3;方案2與方案3為坡頂至第二級臺階坡腳的弧形帶,滑坡體約190 萬m3。

圖3 設(shè)計方案與安全系數(shù)對比Fig.3 Comparison of design scheme and safety factor

方案1 至方案4 在設(shè)計庫容,施工難度和施工周期上各有側(cè)重,對各種方案優(yōu)缺點的詳細分析見表1。

表1 方案優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of the schemes

綜合穩(wěn)定性分析與方案投資比較,方案2 在滿足最小安全系數(shù)的前提下,清基工程量最少,施工周期最短,工程投資也相對較少,且能有效解決原方案廢石土的堆存,于是選擇方案2為基礎(chǔ)進行進一步的滲流分析。

3 強降雨條件下壩體滲流分析

3.1 降雨入滲理論

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論,當降雨條件發(fā)生時,邊坡的非飽和入滲場會發(fā)生如下變化:首先,隨著雨水不斷入滲坡體,邊坡上部的非飽和區(qū)含水量會不斷增加,基質(zhì)吸力會不斷降低。其次,基質(zhì)吸力的降低又會使非飽和土體的黏聚力減小。根據(jù)摩爾—庫侖抗剪強度準則,構(gòu)成邊坡的土體的抗剪強度也會降低,這會顯著降低邊坡的穩(wěn)定性[13]。

邊坡降雨入滲問題是一個非飽和土體滲流問題,在ABAQUS 中滲透系數(shù)由飽和度決定,而飽和度又與基質(zhì)吸力相關(guān),所以對于任何土壤條件,都存在著一條限制土壤“入滲能力”的臨界曲線。任何時刻,一旦降雨強度超過了入滲能力臨界曲線,多余的雨水將不再入滲,轉(zhuǎn)而形成地表徑流。

降雨入滲是一個十分復(fù)雜的過程,Mein 和Larson 首先采用了土壤允許入滲的容量fp、曾采用降雨強度q、土填飽和時的水力傳導(dǎo)系數(shù)Kws這3個因子描述土壤降雨入滲全過程中可能出現(xiàn)的不同現(xiàn)象[14]:q＜Kws時,降雨全部入滲,地表不會產(chǎn)生徑流,入滲率保持不變;fp＞q＞Kws時,降雨全部入滲,地表不會產(chǎn)生徑流,fp隨著入滲深度的增加而變小,但此時降雨強度還未達到土壤允許入滲的容量,此時坡面為流量邊界;q＞fp時,降雨強度大于土壤的入滲容量,部分降雨并不入滲而形成地表徑流,土體處于飽和狀態(tài)。

以上做法只是對于入滲邊界條件的一個抽象描述,在ABAQUS 中可以針對不同類型的入滲邊界條件做詳細設(shè)定[15]:

(1)定義與孔壓相關(guān)的孔隙流動。在計算中,孔隙流體流速可以作為孔壓的函數(shù),有以下關(guān)系:

式中,vn為邊界法線方向的流速;ks為滲流系數(shù);uw為邊界上的孔隙水壓力;為參考孔壓。此式可以很好地模擬基質(zhì)吸力的提升所引起的滲流速度降低。

(2)定義自由滲出段邊界。該種邊界只允許孔隙流體流速沿法向向外,即只允許流體輸出不允許輸入,此時假設(shè)土體表面上的孔壓為正時,孔隙流體流速與孔壓成正比;孔壓為負時,流速為0。案例模型中,坡角處水平面為此類邊界。

(3)直接定義滲流速度。滲流速度分為表面孔隙滲流速度和集中孔隙滲流速度,將其按載荷看待時,分別對應(yīng)于面載荷和集中載荷。案例模型為二維,為平面應(yīng)變問題,所以采用定義表面孔隙滲流速度的方案,與降水直接接觸的坡面為此類邊界。

3.2 壩體滲流模擬

降雨入滲會使尾礦庫壩體內(nèi)部的含水率上升,而含水率的上升又會使壩體內(nèi)孔隙水壓力發(fā)生變化。在天然狀態(tài)下,地下水位線(浸潤線)分隔開飽和區(qū)與非飽和區(qū),飽和區(qū)中孔隙水壓力為正,非飽和區(qū)中孔隙水壓力為負,負孔壓越小,其基質(zhì)吸力就越大。降雨入滲的實質(zhì)即是影響非飽和區(qū)的土體,使其孔隙水壓力趨向于0,在此過程中非飽和區(qū)土體的基質(zhì)吸力逐漸降低,抗剪強度逐步減弱。

考慮到庫區(qū)地區(qū)歷史最大日降雨量為107 mm,于是本次模擬將110 mm/d 作為強降雨強度,0～72 h降雨過程中原壩體與堆排壩體的孔隙水壓力的分布情況分別見圖4、圖5。

圖4 原壩體不同時刻孔隙水壓力分布圖Fig.4 Distribution map of pore water pressure of the original dam at different times

圖5 堆排壩體不同時刻孔隙水壓力分布圖Fig.5 Distribution map of pore water pressure of stack-drainage dam at different times

在初始狀態(tài)下,可以看到2個壩體包括基質(zhì)吸力在內(nèi)的孔壓仍然呈現(xiàn)線性分布,壩體坡腳處為自由排水面,壩體內(nèi)部地下水位位置符合地質(zhì)勘探結(jié)果,2個壩體孔壓符合初始條件,原壩體頂部孔壓為-592.51 kPa,堆排壩體頂部為-858.73 kPa。降雨12 h 原壩體與堆排壩體水位線以上大部分區(qū)域孔壓有大幅抬升,說明正處于q＜Kws階段,雨水下滲速度較大,但一直到36 h,2個壩體都處在fp＞q＞Kws階段,造成孔壓分布變化不明顯。到降雨48 h,原壩體率先于堆排壩體到達q＞fp階段,反映在孔壓分布圖上則是原壩體坡腳處首先出現(xiàn)了正的孔壓力,而堆排壩體的下滲深度要比原壩體大,原因在于原壩體之上的尾砂較細碎,其透水性要比堆排體中的廢石土差得多。直到72 h 降雨停止2個壩體的降雨入滲深度都未發(fā)生大的變化,只有正孔壓范圍都從坡腳向坡頂蔓延,原因是坡體下部受降雨入滲和壩體上部水分下滲的雙重影響,使壩體下部總是要比上部更快達到飽和。最終由于飽和度的提高,孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力逐漸減小,雨水的下滲速度放緩,加之降雨強度逐漸減小,可看到2個壩體的入滲深度停留在差不多的位置,但原壩體由于更低的滲透性,其表面附近積累了比堆排壩體更大的孔隙水壓力。

總體上看原壩體與堆排壩體在降雨的全過程中雖然有著相似的變化過程,但就某一點在2個壩體中的表現(xiàn)來說不能一概而論,而這也正是堆排對尾礦庫壩體產(chǎn)生影響的關(guān)鍵,特征點的孔隙水壓力變化情況見圖6。

圖6 特征點孔隙水壓力變化圖Fig.6 Variation map of pore water pressure at characteristic points

初始狀態(tài)下坡頂、坡中以及坡腳的孔隙水壓力并不相同,但降雨發(fā)生12 h 后,3 處的孔壓都來到了-50 kPa 附近。此后坡腳的孔壓平穩(wěn)增長,坡中與坡頂?shù)目讐阂月缘陀谄马數(shù)乃俣仍黾?。在降雨后?坡中的孔壓突然增大到與坡腳齊平,與上述分析中的土體基質(zhì)吸力降低造成雨水下滲不暢在坡中部大量聚集的結(jié)論相吻合。而坡頂由于長時間的降雨,吸力降低在60 h 就已不再大幅增長,即q＞fp,后續(xù)的降雨多以地表徑流的形式向壩體下方傳遞。反觀堆排壩體,坡腳位置由于頂部覆土的存在,大大拉長了其與自由排水面和坡面的距離,受降雨影響小,孔壓主要受地下水位的影響。所以從100 kPa 開始以極小的速率緩慢增加,坡中與坡頂?shù)目讐涸诮涤觊_始12 h 后增大到-100 kPa 后保持平穩(wěn),36～72 h 期間坡頂與坡中孔隙水壓力發(fā)生交叉。分析其原因在于不同深度土體的滲透性不同:36 h 時,坡面首先達到飽和,相當于一個短暫的不透水層,但坡頂區(qū)域的雨水依然在下滲,這就在坡頂區(qū)域內(nèi)形成了一個負壓區(qū),使坡頂孔壓小于坡中,當雨水繼續(xù)下滲,不透水層來到了坡頂,坡中就形成了負壓區(qū),使得坡頂與坡中孔壓實現(xiàn)交叉。對比原壩體與堆排壩體特征點孔壓圖,在堆排的保護下,特征點孔壓不存在持續(xù)增長的趨勢,且孔壓一直保持在0 kPa 以下,說明堆排可以很好地遏制孔壓的增長,間接地為壩體提供了安全運行所需的抗剪強度。

4 強降雨條件下壩體穩(wěn)定性分析

4.1 位移分析

基于上述的孔隙水壓力的分析,再進一步疊加進壩體在強降雨工況下位移的發(fā)展情況,來討論壩體的穩(wěn)定性變化趨勢。0～72 h 壩體水平位移以及豎直沉降分布如圖7、圖8所示。

圖7 水平位移分布圖Fig.7 Horizontal displacement distribution map

圖8 沉降分布圖Fig.8 Subsidence distribution map

原壩體水平位移主要發(fā)生在沿坡頂?shù)狡履_的弓形區(qū)域,與危險滑動面基本一致,最大水平位移發(fā)生在上部坡面處。堆排壩體水平位移發(fā)生在沿坡頂?shù)降诙壟_階坡腳的弓形區(qū)域,與其自身的危險滑動面也高度重合,最大水平位移在其第三級臺階處,據(jù)此可得出水平位移為壩體滑坡變形的主要形式。壩體最大沉降發(fā)生在頂部,頂部附近有不明顯的對稱面,之所以如此是因為降雨入滲后,基質(zhì)吸力降低,孔隙水壓力增加,有效應(yīng)力減小,壩體頂部依據(jù)含水量的差異而不同程度地出現(xiàn)了卸載回彈的現(xiàn)象而后由于容重增加產(chǎn)生了固結(jié);對于壩體底部,后期降雨入滲緩慢,頂部產(chǎn)生固結(jié)時,底部才剛剛進入卸載回彈階段。堆排壩體的最大沉降是發(fā)生在第三級臺階處,也就是最大水平位移發(fā)生處,反映了這部分壩體向下、向外位移的趨勢,更加印證了堆排壩體的不穩(wěn)定性。

4.2 穩(wěn)定性分析

使用強度折減法得到0～72 h 壩體安全系數(shù)變化情況如圖9所示。

圖9 安全系數(shù)變化圖Fig.9 Safety factor change chart

降雨36 h 前原壩體安全系數(shù)并無明顯變化,36 h后突然降低,說明此時危險滑動面因為雨水滲透造成抗剪強度降低,但是48 h 以后表層土體進入q＞fp,下滲的雨水變少,地表形成大量徑流,斷裂帶土體也達到了最佳含水率附近,產(chǎn)生了固結(jié)的效果,安全系數(shù)也得到了回升,60 h 后已經(jīng)入滲的雨水繼續(xù)下滲,土體容重的增大與抗剪強度降低范圍的增大已遠遠超過了固結(jié)的影響范圍,安全系數(shù)出現(xiàn)了進一步的降低。堆排壩體則是從降雨一開始安全系數(shù)即降低,堆排壩體危險滑動面相對不固定,每級臺階都有可能發(fā)生失穩(wěn),在36 h 附近壩體因固結(jié)作用的影響安全系數(shù)降低的趨勢有所減弱,但總體仍呈一次函數(shù)形式穩(wěn)定降低?？傮w上看,壩體安全系數(shù)在降雨發(fā)生后即穩(wěn)步降低,堆排后安全系數(shù)下降很多,但根據(jù)上述分析可知,危險滑動面僅存在于堆排體內(nèi)部,所以安全系數(shù)的降低并不是由于堆排體把原壩體壓壞導(dǎo)致的,不穩(wěn)定因素全部出現(xiàn)在堆排體內(nèi)部。

5 結(jié) 論

以凹山尾礦庫為研究對象,基于現(xiàn)場勘測得到的數(shù)據(jù),對已有的4個坡面堆排方案應(yīng)用強度折減法進行了安全穩(wěn)定性模擬,并針對基礎(chǔ)清除局部素填土方案建立了強降雨工況下的二維滲流模型,對滲流場和穩(wěn)定性變化特征進行了分析。

(1)基于已有的基礎(chǔ)全換填、基礎(chǔ)清除局部素填土、基礎(chǔ)局部碎石樁加固以及基礎(chǔ)不處理4種堆排方案建立了二維數(shù)值模型,運用強度折減法對各方案的安全穩(wěn)定性以及施工難度、經(jīng)濟效益進行了初步評價。結(jié)果顯示4個方案均滿足最小安全系數(shù)要求,因方案2 具有施工難度低、庫容大的優(yōu)勢,最終選擇了方案2 基礎(chǔ)清除局部素填土為最優(yōu)堆排方案。

(2)基于飽和—非飽和滲流理論及降雨入滲理論分析發(fā)現(xiàn)降雨入滲對堆排壩體坡頂、坡中及坡腳的影響不同。因為降雨入滲速率與基質(zhì)吸力有關(guān),導(dǎo)致了不同深度土體的滲流速度有差異,進一步發(fā)現(xiàn)了負壓層的存在,并且因為負壓層,孔壓不再隨深度成線性變化,降雨約60 h 后,坡頂與坡中對于降雨敏感程度將迎來變化,而坡腳處對于降雨的敏感程度一直較低,壩體堆排之后更是幾乎不變。

(3)堆排對原壩體的孔壓起到了保護作用,但安全系數(shù)卻在堆排后大幅降低,說明堆排將塑性不穩(wěn)定滑動面轉(zhuǎn)移至堆排體內(nèi)部。堆排后壩體安全系數(shù)在降雨發(fā)生后呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的形式,這是由降雨入滲基質(zhì)吸力降低導(dǎo)致的抗剪強度降低以及土體到達最佳含水率而發(fā)生固結(jié)導(dǎo)致的抗剪強度提升兩方面因素引起。