超細(xì)粒尾礦堆積壩動(dòng)力反應(yīng)分析

唐 愷 常 宏

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司)

超細(xì)粒尾礦堆積壩動(dòng)力反應(yīng)分析

唐 愷1,2,3常 宏4

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司)

以陜西省漢中市某超細(xì)粒尾礦后期子壩為例，利用Geo-Studio軟件的quake模塊建立了細(xì)粒尾礦高堆壩的動(dòng)力反應(yīng)分析模型，并對(duì)壩體動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)壩體中不同部位的地震反應(yīng)加速度、位移隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行了分析，計(jì)算了壩體永久變形，確定了尾礦壩液化區(qū)域，在此基礎(chǔ)上提出了防止細(xì)粒尾礦壩液化的相關(guān)建議，為確保尾礦壩的正常運(yùn)行和穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)，也為類似工程提供參考。

細(xì)粒尾礦 高堆壩 動(dòng)力反應(yīng) 壩體永久變形 液化區(qū)域 應(yīng)對(duì)措施

近年來(lái)，隨著選礦工藝水平的不斷提高，尾礦粒度-200目(0.074 mm)占90%以上的礦山越來(lái)越多，因此，使得進(jìn)入尾礦庫(kù)內(nèi)的顆粒越來(lái)越細(xì)，細(xì)粒筑壩將越來(lái)越普遍。細(xì)粒尾礦強(qiáng)度低、滲透性差，極易使尾礦壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線抬高或從壩面溢出，輕者在浸潤(rùn)線出逸處流失尾礦砂，形成沖溝，重者造成尾礦壩的滑動(dòng)，影響壩體的穩(wěn)定性[1-4]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆積實(shí)踐，細(xì)粒尾礦堆積壩的浸潤(rùn)線比一般尾礦堆積壩高，浸潤(rùn)線位置的高低對(duì)于尾礦壩的穩(wěn)定性影響較大，尤其在地震時(shí)易引起液化，降低壩體的穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)細(xì)粒尾礦筑壩進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析。

1 動(dòng)力穩(wěn)定性分析本構(gòu)模型

細(xì)粒尾礦堆積壩主要由尾細(xì)砂、尾粉土及尾黏土組成，壩體結(jié)構(gòu)疏松、孔隙大、含水量大，壩體剛度較小，長(zhǎng)期處于飽和或接近飽和狀態(tài)，固結(jié)程度差，在地震作用下易產(chǎn)生液化破壞。針對(duì)細(xì)粒尾礦最常用、最成熟的分析模型為哈丁-德聶維契提出的等效線性模型，該模型方程為

式中，σm為平均固結(jié)應(yīng)力，MPa；Pa為量綱參數(shù)；K、n為試驗(yàn)參數(shù)。

2 細(xì)粒尾礦堆積壩動(dòng)力計(jì)算模型

2.1 模型構(gòu)建

本研究細(xì)粒尾礦堆積壩動(dòng)力計(jì)算模型沿用滲流分析計(jì)算模型，從而可耦合以往的滲流計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用Geo-Studio軟件對(duì)該模型進(jìn)行剖分，模型單元915個(gè)，節(jié)點(diǎn)977個(gè)，如圖1所示。

圖1 壩體動(dòng)力計(jì)算幾何模型

2.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)尾礦堆積壩的勘察資料及相關(guān)試驗(yàn)資料，本研究計(jì)算采用的參數(shù)見表1。

表1 最大動(dòng)剪切模量參數(shù)

2.3 邊界條件設(shè)置

地震動(dòng)力作用對(duì)作用物主要產(chǎn)生水平向的剪切變形，因此在動(dòng)力計(jì)算過(guò)程中，對(duì)尾礦堆積壩模型底邊進(jìn)行水平和垂直方向的雙向位移約束，模型兩側(cè)進(jìn)行豎向位移約束，水平向自由。

2.4 動(dòng)荷載輸入

根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)抗震規(guī)范，對(duì)土石壩在8度地震時(shí)，計(jì)入豎向地震作用后，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低一般不超過(guò)1%，9度時(shí)降低約4%，危險(xiǎn)滑弧的位置改變較少。因此，本研究在對(duì)細(xì)粒尾礦堆積壩的動(dòng)力反應(yīng)分析中，可不考慮地震豎向分量的影響，尾礦堆積壩所處的區(qū)域?yàn)?度地震設(shè)防區(qū)，最大加速度調(diào)整至0.2 g，并進(jìn)行了基線校準(zhǔn)，地震振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s。

3 細(xì)粒尾礦堆積壩動(dòng)力反應(yīng)分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為研究細(xì)粒尾礦堆積壩在水平地震動(dòng)荷載作用下的壩體加速度、位移、孔隙水壓力和動(dòng)剪應(yīng)力等參數(shù)的具體變化情況，分別在壩體頂部、外坡、庫(kù)內(nèi)干灘面及壩體內(nèi)部設(shè)置一系列歷程點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。壩體頂部為1#、2#、3#、14#、7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)；壩體內(nèi)部為14#、15#、16#、17#、18#監(jiān)測(cè)點(diǎn)；壩體底部為8#、9#、10#、11#、12#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

3.2 加速度的動(dòng)力反應(yīng)分析

3.2.1 壩體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)特征

1#、2#、3#、14#，7#點(diǎn)的水平加速度時(shí)程曲線見圖3。

圖3 壩體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平加速度時(shí)程曲線

由圖3可知：1#、2#、3#、14#、7#點(diǎn)的加速度峰值分別為0.18，0.19，0.30，0.32，0.42 g，可見，在壩體頂部加速度峰值由壩前至壩尾逐漸增大且在壩體尾部達(dá)到最大值。

3.2.2 壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)特征

15#、16#、17#、18#點(diǎn)的水平加速度時(shí)程曲線見圖4。

圖4 壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平加速度時(shí)程曲線

由圖4可知：15#、16#、17#、18#點(diǎn)的加速度峰值分別為0.15，0.14，0.13，0.12 g可見，堆積壩體水平斜截面上加速度峰值由壩尾至壩前逐漸減小，其變化范圍小于壩體頂部加速度峰值的變化范圍。

3.2.3 壩體底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)特征

8#、9#、10#、11#、12#點(diǎn)的水平加速度時(shí)程曲線見圖5。

圖5 壩體底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平加速度時(shí)程曲線

由圖5可知：8#、9#、10#、11#、12#點(diǎn)的加速度峰值分別為0.11，0.13，0.15，0.17，0.18 g，可見，在地震作用下尾礦堆積壩體底部的加速度峰值從壩尾至壩前呈逐漸增大的趨勢(shì)。

3.3 位移變化的動(dòng)力反應(yīng)

對(duì)1#、18#、11#、6#點(diǎn)的水平位移時(shí)程曲線(圖6)進(jìn)行分析，可知：1#、18#、11#點(diǎn)為從壩體頂部至壩體尾部自上而下分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，6#點(diǎn)為壩體外坡面分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1#、18#、11#、6#點(diǎn)的水平位移峰值分別為0.18，0.14，0.13，0.17 m，可見，在壩體內(nèi)部隨著壩體高度的增加位移逐漸增大。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移時(shí)程曲線

3.4 液化區(qū)域

計(jì)算過(guò)程中最大加速度設(shè)置為0.2 g，由計(jì)算結(jié)果可知：震后易于發(fā)生液化的區(qū)域主要集中于尾礦堆積壩尾部水面線以下且屬于近水區(qū)域。

3.5 壩體永久變形分析

本研究采用滑動(dòng)位移計(jì)算法對(duì)某細(xì)粒尾礦堆積壩進(jìn)行模擬計(jì)算，可知：4～6 s時(shí)，抗滑安全系數(shù)有數(shù)次小于1的現(xiàn)象出現(xiàn)，即滑動(dòng)面曾多次處于瞬時(shí)失穩(wěn)狀態(tài)，為尾礦壩的局部不穩(wěn)定區(qū)域，即便局部安全系數(shù)小于1也無(wú)法表示該尾礦堆積壩整體動(dòng)力失穩(wěn)，經(jīng)計(jì)算，該細(xì)粒尾礦堆積壩整體仍是動(dòng)力穩(wěn)定的。由圖8可知：尾礦壩體的最終滑動(dòng)位移約0.085 m。

4 建 議

(1)盡可能降低壩體浸潤(rùn)線，通過(guò)增設(shè)排滲設(shè)施，改善壩體排滲系統(tǒng)，提高排滲能力，使壩體固結(jié)，提高壩體的穩(wěn)定性。

(2)在細(xì)粒尾礦堆積壩體中鋪設(shè)水平加筋層(如土工格柵)，提高壩體密度，增強(qiáng)壩體強(qiáng)度。

(3)加強(qiáng)尾礦庫(kù)管理，確保壩前放礦基本為中、細(xì)沙，有利于排水固結(jié)，增加干灘長(zhǎng)度。

[1] 尹志光，魏作安，許 江.細(xì)粒尾礦及其堆壩穩(wěn)定性分析[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2004.

[2] 魏作安.細(xì)粒尾礦及其堆壩穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

[3] 劉 寧，羅敏杰.尾礦堆積壩浸潤(rùn)線影響因素及降低浸潤(rùn)線措施[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(11)：100-101.

[4] 萬(wàn)凱軍，彭易華，徐牧明，等.尾礦堆積壩排滲加固方法及其適用條件探討[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(9)：163-165.

2015-08-13)

唐 愷 (1985—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。