某尾礦壩壩體穩(wěn)定性分析

文 興 ,陳 星

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

某尾礦壩壩體穩(wěn)定性分析

文 興 ,陳 星

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

采用摩擦公式和抗傾覆公式等原理,建立了壩體計(jì)算模型,對某尾礦庫漿砌石壩主壩體進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析,得出壩體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)和壩體抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù),提出了增強(qiáng)該尾礦壩安全性的建議,對類似漿砌石壩的壩體穩(wěn)定性計(jì)算和分析有較好的參考價(jià)值。

尾礦壩;漿砌石壩;穩(wěn)定性分析

某尾礦壩主壩位于下水灣下游溝口,初期壩為漿砌石壩,壩頂標(biāo)高為 +367.5 m,壩高 34 m,壩頂寬 10.3 m,壩頂軸線長 133.5 m,壩外坡比為1∶0.37,內(nèi)坡比為 1∶0.1。建壩時(shí),上游緊貼壩面設(shè)有底寬 15.0 m,頂寬 5.0 m,高 20.0 m的堆石體,壩底埋置 1根直徑 500 mm排水管。壩基為灰?guī)r,壩體兩側(cè)嵌入灰?guī)r層中。壩面基本平整,壩體構(gòu)筑情況良好,壩體外坡尚無坍塌跡象。

1 壩體穩(wěn)定性計(jì)算原理及依據(jù)

根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5003-2001)、土力學(xué)和水工建筑物等相關(guān)要求,采用摩擦公式及抗傾覆公式對壩體進(jìn)行穩(wěn)定分析。其壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù) K的規(guī)定見表1。

表1 壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)

壩體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算公式為:

式中:K——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

f——滑裂面上的摩擦系數(shù);

ΣW——作用于滑動面以上的力在鉛直方向投影的代數(shù)和;

ΣP——作用于滑動面以上的力在水平方向投影的代數(shù)和。

根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25-2006),漿砌石壩級別為 2級,抗滑穩(wěn)定性系數(shù) K最小取 1.05。

2 壩體穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)該尾礦庫工程地質(zhì)勘察報(bào)告等資料,主壩采用不透水漿砌石壩,壩體頂寬 10.3 m,外坡坡比1∶0.37,內(nèi)坡坡比 1∶0.1,壩體總高度為 34 m,壩基嵌入基巖下 2 m。壩體計(jì)算模型見圖1。

圖1 漿砌石壩體計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算參數(shù)選取見表2。

表2 尾礦及其它筑壩材料物理力學(xué)性能

2.3 墻后總壓力計(jì)算

由于漿砌石壩壩后尾砂含水,故壩體內(nèi)側(cè)總壓力為總土壓力 Ea和水壓力 Ew之和,受力強(qiáng)度分布見圖2。

圖2 壩體內(nèi)側(cè)受力強(qiáng)度分布

(1)尾砂主動土壓力。采用庫倫土壓力理論計(jì)算壩體內(nèi)側(cè)尾砂主動土壓力。由于壩后尾砂分層分布,需進(jìn)行分層計(jì)算。在計(jì)算下分層尾砂壓力時(shí)需將上部尾砂厚度換算為與計(jì)算層重度相同的當(dāng)量厚度 h′,然后再按一層尾砂分別計(jì)算深度為 h′(計(jì)算層頂面)和 h′+h(計(jì)算層底面)的土壓力。

根據(jù)庫侖理論[1],計(jì)算得各分層的主動土壓力系數(shù)分別為:

尾粘土:Ka1=0.893;

尾粉砂:Ka2=0.489;

尾粉土:Ka3=0.803;

圖2中 A、B、C、D、E 4點(diǎn)處壓力強(qiáng)度分別為:

A點(diǎn):PaA=0

B點(diǎn),分界面以上:

分界面以下:

C點(diǎn),分界面以上:

尾砂的主動土壓力合力 Ea=3252.66 kN/m。

(2)靜水壓力。計(jì)算公式為:

式中:rw——水的容重,9.8 kN/m3;

H——水位以下的墻高,28 m。則:Ew=3841.6 kN/m。

(3)尾砂主動土壓力作用點(diǎn)位置。設(shè) Ea作用點(diǎn)距墻底高度為 Hc,則:

(4)壩體內(nèi)側(cè)總壓力在 X、Y方向的分力:

2.4 漿砌石壩自重及重心計(jì)算

(1)漿砌毛石壩自重。將壩體按圖2劃分為 2部分,漿砌毛石容重按 22 kN/m3計(jì)算,則漿砌毛石壩體自重 G=12749.4 kN。

(2)壩體重心 X0坐標(biāo)。將壩體劃分為 2部分,以 O點(diǎn)為原點(diǎn),各分塊 X坐標(biāo)為:

則壩體重心 X0=GiXi/G=14.7 m。

2.5 揚(yáng)壓力計(jì)算

式中:l——壩底寬度 25.67 m;

α——揚(yáng)壓力折減系數(shù),取 0.4。

則:U=1408.77 kN。

3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

3.1 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

壩后水平分力使墻沿底部接觸面滑移,壩后垂直分力及壩體自重產(chǎn)生摩擦力抵抗滑移?？够€(wěn)定系數(shù)為[2]:

式中:μ——土對壩體基底的摩擦系數(shù),根據(jù)水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范,當(dāng)基巖為硬質(zhì)巖石時(shí),可取μ=0.6;

δ——墻背與填土之間的摩擦角,其值可由試驗(yàn)確定 ,取δ=2°。

計(jì)算得:Kc=1.01＜1.05,故壩體的抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)程要求,處于極限平衡狀態(tài)。

3.2 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

如圖2,在土壓力及靜水壓力作用下,壩體有可能產(chǎn)生沿壩趾 O點(diǎn)向外轉(zhuǎn)動的失穩(wěn),因此需進(jìn)行抗傾覆計(jì)算?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)為[3]:

式中:Xf——以圖2中 O點(diǎn)為原點(diǎn),作用在壩體上總壓力的 X坐標(biāo),Xf=24.19 m;

Yf——以圖2中 O點(diǎn)為原點(diǎn),作用在壩體上總壓力的 Y坐標(biāo),Yf=11.28 m;

XU——以圖2中 O點(diǎn)為原點(diǎn),作用在壩基揚(yáng)

壓力的 X坐標(biāo),XU=17.1 m;

計(jì)算得:Ko=1.86＞1.5,故壩體的抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

通過對該尾礦壩砌石壩壩體的穩(wěn)定性計(jì)算分析,得出壩體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為 1.01,小于規(guī)程要求的 1.05,處于極限平衡狀態(tài);壩體抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為 1.86,滿足規(guī)程要求。建議對壩體進(jìn)行加固處理[4],并堅(jiān)持監(jiān)測監(jiān)控[5],以防止安全事故發(fā)生。

[1]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算 (第二版)[M].北京:水利電力出版社,1994.

[2]楊航宇,等.公路邊坡防護(hù)與治理 [M].北京:人民交通出版社.2003.

[3]舒安平.邊坡穩(wěn)定性分析方法評述[J].巖土工程界,2000,5(5).

[4]陳其付.瑯琊山銅礦尾礦壩穩(wěn)定性分析[J].采礦技術(shù),2010,10(2):43-44.

[5]胡 軍,胡 珊.尾礦壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010,30(2):90-93.

2010-09-14)

文 興 (1981-),男,甘肅慶陽人,工程碩士,工程師,主要從事礦山安全、巖土工程監(jiān)測等方面研究工作,Email:wenxing0618@163.com。