理正軟件在尾礦壩壩坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

喬連朋

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450000）

理正軟件在尾礦壩壩坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

喬連朋

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450000）

尾礦庫(kù)中的尾砂不斷的堆存，將逐漸形成高勢(shì)能人造危險(xiǎn)源，對(duì)下游人民造成嚴(yán)重威脅，尾礦庫(kù)發(fā)生安全事故的一個(gè)重要原因是壩體浸潤(rùn)線過(guò)高，滲流量大造成壩坡穩(wěn)定性下降。以河南省QSG尾礦庫(kù)為工程背景，運(yùn)用理正滲流計(jì)算軟件對(duì)尾礦庫(kù)正常水位和洪水水位兩種工況下的壩體浸潤(rùn)線位置與滲流量進(jìn)行了推求，并分析尾礦壩在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行三種工況下的壩坡穩(wěn)定性，對(duì)尾礦壩不同工況下的壩坡穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。計(jì)算與分析結(jié)果表明，該尾礦庫(kù)在不同工況下運(yùn)行，浸潤(rùn)線相對(duì)較低，滲流量適中，壩坡穩(wěn)定。

尾礦壩；壩坡穩(wěn)定分析；浸潤(rùn)線推求；滲流計(jì)算

尾礦庫(kù)現(xiàn)狀運(yùn)行的好壞，不只是單純的影響礦山企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)效益，還會(huì)對(duì)下游及周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)與環(huán)境造成嚴(yán)重影響[1-2]，為此降低安全事故發(fā)生概率，對(duì)尾礦庫(kù)系統(tǒng)的安全管理顯得至關(guān)重要。尾礦庫(kù)系統(tǒng)安全管理中尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定性是核心問(wèn)題[4]，本文結(jié)合QSG尾礦庫(kù)運(yùn)行現(xiàn)狀采用分析計(jì)算對(duì)壩坡的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。

1 工程概況

河南省QSG尾礦庫(kù)目前總壩高42 m。初期壩為碾壓式透水堆石壩，其壩高22 m，頂寬4 m，壩頂軸線長(zhǎng)度146 m。上游坡坡比1∶2.0，下游坡坡比1∶1.75，在下游壩高14 m處設(shè)置有馬道，馬道寬1 m。初期壩壩面及坡面均采用干砌塊石鋪筑平整，結(jié)構(gòu)完好。后期子壩采用廢石筑壩，后期子壩總高度20 m，下游坡平均坡比1∶2.3。

QSG尾礦庫(kù)壩高已運(yùn)行達(dá)42 m，已經(jīng)成為一種人造的具有高勢(shì)能危險(xiǎn)源，如果發(fā)生事故將會(huì)給下游人民群眾帶來(lái)極大的危害。以后運(yùn)行中，為避免發(fā)生事故，不影響礦山企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)效益和保證下游人民群眾的安全，該尾礦庫(kù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，做出評(píng)價(jià)安全性是非常必要的工作。

2 尾礦壩滲流穩(wěn)定性計(jì)算分析

尾礦壩由尾礦庫(kù)初期壩和后期堆積子壩組成，尾礦庫(kù)初期壩可看作是尾礦壩的排水棱體，內(nèi)坡尾砂灘面坡比為1%。最小干灘長(zhǎng)度150 m有余。尾礦堆積之壩高38 m處，正常水位36.2 m，最高洪水位37.5 m，下游水位均0 m。該尾礦庫(kù)滲流分析采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)的理正滲流分析計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算模型的選取，根據(jù)該尾礦庫(kù)運(yùn)行情況，模擬正常水位運(yùn)行和最高洪水位運(yùn)行兩種工況，壩體滲流穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的選取結(jié)合壩體實(shí)際情況與《QSG尾礦庫(kù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告》確定，尾礦壩滲流穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 尾礦壩滲流穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

2.1 正常水位壩體浸潤(rùn)線推求

在AutoCAD中建立滲流模型，其中x軸垂直于壩軸線方向，正方向指向下游，y軸豎直方向，正方向指向上。通過(guò)理正滲流分析計(jì)算軟件計(jì)算，正常水位工況下滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算分析，可得該尾礦壩正常水位工況下的浸潤(rùn)線位置曲線圖，如圖1所示。

2.2 洪水水位壩體浸潤(rùn)線推求

洪水水位工況下，滲流計(jì)算模型建立與計(jì)算方法同正常水位壩體浸潤(rùn)線推求，其滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1浸潤(rùn)線位置示意圖（正常水位）

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算分析，可得該尾礦壩洪水水位工況下的浸潤(rùn)線位置曲線圖，如圖2所示。

圖2浸潤(rùn)線位置示意圖（洪水水位）

尾礦庫(kù)初期壩為碾壓式透水堆石壩、子壩采用廢石堆筑（壩體本身透水性較好），可有效降低壩體的浸潤(rùn)線，將壩體內(nèi)的滲水安全有效的引出，提高壩體的安全穩(wěn)定性。由以上計(jì)算結(jié)果與分析可知，正常水位和洪水水位兩種工況下，壩體浸潤(rùn)線位置較低（相對(duì)于壩體總高度），各斷面壩軸線處浸潤(rùn)線高程不等，滲流量適中，尾礦庫(kù)初期壩、子壩均可滿足尾礦庫(kù)壩體的排滲要求。

表2 正常水位工況滲流計(jì)算結(jié)果

表3 洪水水位工況滲流計(jì)算結(jié)果

3 尾礦壩穩(wěn)定性分析

該尾礦庫(kù)所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度。根據(jù)《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005），壩體穩(wěn)定計(jì)算分以下三種工況，工況Ι：正常運(yùn)行=正常水位+壩體自重；工況Π：洪水運(yùn)行=最高洪水位+壩體自重；工況Ш：特殊運(yùn)行=最高洪水位+壩體自重+地震（7度）。依據(jù)《QSG尾礦庫(kù)巖土工程勘察報(bào)告》確定壩坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。其壩體材料物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 壩體材料物理性質(zhì)指標(biāo)

3.1 正常運(yùn)行工況尾礦壩穩(wěn)定性分析

正常運(yùn)行工況下，尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算采用理正計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算并分析，其參數(shù)選取、計(jì)算過(guò)程與計(jì)算結(jié)果如下：

控制參數(shù)：采用規(guī)范，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL274-2001)。計(jì)算工期，穩(wěn)定滲流期。采用圓弧滑動(dòng)法，不考慮地震。坡面線段數(shù)5，具體控制參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 坡面信息控制參數(shù)表

水面信息：采用有效應(yīng)力法，孔隙水壓力采用近似方法計(jì)算，不考慮滲透力作用，考慮邊坡外側(cè)靜水壓力。

計(jì)算條件：土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)，當(dāng)下滑力對(duì)待；自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面，條分法的土條寬度:0.500 m，搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng):0.500 m，搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng):0.500 m。

計(jì)算結(jié)果：總的下滑力為12709.185 kN，總的抗滑力為16153.375 kN。最不利滑動(dòng)面的滑動(dòng)圓心是(10.597,44.939)m滑動(dòng)半徑為48.304 m，滑動(dòng)安全系數(shù)Kmin=1.271。

正常運(yùn)行工況下，理正計(jì)算軟件對(duì)該尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算的簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3尾礦壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖（正常運(yùn)行狀況）

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知，正常運(yùn)行工況下，該尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算為Kmin=1.271＞1.15，符合該尾礦庫(kù)在正常運(yùn)行期的安全穩(wěn)定系數(shù)值，滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀尾礦壩壩坡穩(wěn)定。

3.2 洪水運(yùn)行工況尾礦壩穩(wěn)定性分析

洪水運(yùn)行工況下，尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算方法、參數(shù)選取、計(jì)算過(guò)程與正常運(yùn)行工況下相同。其計(jì)算結(jié)果，總的下滑力為16129.254 kN，總的抗滑力為19935.758 kN，最不利滑動(dòng)面，滑動(dòng)圓心為(14.187，49.147)m，滑動(dòng)半徑為52.615 m，滑動(dòng)安全系數(shù)Kmin=1.236。

洪水運(yùn)行工況下，理正計(jì)算軟件對(duì)該尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算的簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4尾礦壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖（洪水運(yùn)行狀況）

壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明：現(xiàn)狀尾礦壩壩體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算為Kmin=1.236＞1.05，符合該尾礦庫(kù)庫(kù)在洪水運(yùn)行期的安全穩(wěn)定系數(shù)值，滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀尾礦壩壩坡穩(wěn)定。

3.3 特殊運(yùn)行工況尾礦壩穩(wěn)定性分析

特殊運(yùn)行工況下，尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算與正常運(yùn)行工況下尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算方法、計(jì)算過(guò)程相同，計(jì)算參數(shù)選取有一定差別，不同計(jì)算參數(shù)選取如下：

地震烈度取7度，水平地震系數(shù)取0.100，地震作用綜合系數(shù)取0.250，地震作用重要性系數(shù)取1.000，地震力作用位置取滑弧處水平加速度分布類型矩形。

計(jì)算結(jié)果，總的下滑力為19292.000 kN，總的抗滑力為23092.524 kN。最不利滑動(dòng)面的滑動(dòng)圓心是(7.802,53.636)m滑動(dòng)半徑為60.222 m，滑動(dòng)安全系數(shù)Kmin=1.197。

特殊運(yùn)行工況下，理正計(jì)算軟件對(duì)該尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算的簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5尾礦壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖（特殊運(yùn)行狀況）

壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明：現(xiàn)狀尾礦壩壩體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算為Kmin=1.197＞1.00，符合該尾礦庫(kù)在特殊運(yùn)行期的安全穩(wěn)定系數(shù)值，滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀尾礦壩壩坡穩(wěn)定。

4 結(jié)論

尾礦庫(kù)初期壩與子壩透水性較好，能夠有效降低壩體的浸潤(rùn)線，將壩體內(nèi)的滲水安全有效的引出，提高壩體的安全穩(wěn)定性。運(yùn)用理正軟件計(jì)算了尾礦壩正常水位和洪水水位兩種運(yùn)行工況下的滲流量并分別推求了浸潤(rùn)線位置。由計(jì)算結(jié)果與分析可知，尾礦庫(kù)在不同工況下運(yùn)行，壩體浸潤(rùn)線位置均較低（相對(duì)于壩體總高度），滲流量適中，尾礦庫(kù)初期壩、子壩均可滿足尾礦庫(kù)壩體的排滲要求。運(yùn)用理正軟件計(jì)算，計(jì)算分析了尾礦壩在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行三種工況下的壩坡穩(wěn)定性，壩坡在不同工況運(yùn)行下壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Kmin均滿足規(guī)范要求，尾礦壩壩坡現(xiàn)狀穩(wěn)定。

[1]尹光志，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]徐宏達(dá).尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)初探[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2000，31(9)：15-18.

[3]彭承英.尾礦庫(kù)事故及預(yù)防措施[J].有色礦山，1996，5：38-40.

[4]王文星.尾礦壩穩(wěn)定性分析及安全對(duì)策的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

Application of Lizheng Software in Slope Stability Analysis of Tailings Dam

Qiao Lianpeng
（Henan water resources and environment vocational college,Zhenzhou 450000,Henan）

Tailings in the tailings of the stockpile,will gradually form a high potential man-made dangerous sources, causing serious threat to the downstream people,tailings reservoir safety accidents is an important reason is the dam infiltration line is toohigh,seepage caused by large dam slope stability decreased.Based on the QSG tailings pond in Henan Province,the location and seepage flowof the dam under the normal water level and the flood level of the tailings are calculated by using the seepage flow calculation software,and the tailings dam is analyzed.Under condition of normal operation,flood operation and special operation,the stability ofdamslope under different working conditions is evaluated.The calculation and analysis results showthat the tailings reservoir is running under different working conditions,the infiltration line is relatively low,the seepage flowis moderate and the damslope is stable.

Tailings dam；stabilityanalysis ofthe damslope；suitable quantityofseepage and the damstability

TD926.42

B

1673-9000（2017）03-0110-03

2017-02-03

《水利工程施工》教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)及應(yīng)用（ZJB16267）；河南省水利科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GG201533）。

喬連朋（1986-），男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，助理講師，主要研究方向：水利工程設(shè)計(jì)與施工。