深厚沖積層上尾礦壩加高抗震穩(wěn)定分析*

郄永波 周漢民 崔 旋 韓亞兵

(1.北京礦冶科技集團有限公司；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室)

受地形地質(zhì)條件限制，當尾礦庫無法選擇到理想的庫址時，不可避免的需要建于高地震烈度、深厚覆蓋層等地區(qū)。建于河床深厚沖積層上的尾礦壩，因沖積層具有顆粒不均勻、夾有薄砂層或黏土層、滲透性強、承載力低等特點，建壩之后存在的技術問題較多，如壩基滲流、壩基抗滑穩(wěn)定、壩基沉降與不均勻沉陷、壩基砂層液化等，其動力響應及地震穩(wěn)定性均值得深入研究[1]。本研究以國內(nèi)某深厚沖積層上尾礦庫為例，針對其加高擴容面臨的抗震穩(wěn)定性問題，對綜合抗震措施進行分析，并采用動力有限元時程分析法，進行抗震穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

某尾礦庫位于我國西南高地震烈度區(qū)，當?shù)氐V產(chǎn)資源豐富，山勢陡峭，溝谷幽深，尾礦庫選址困難。受地形條件限制，尾礦庫選址于河道開闊地帶形成的沖洪積河漫灘上，采用一面傍山、三面筑壩形成傍山型尾礦庫，原設計總壩高23 m，總庫容413萬m3，為四等庫。初期壩為透水砂礫料壩，壩高12.5 m，頂寬7.5 m，內(nèi)坡比為1∶2.0，外坡比為1∶2.5。后期壩采用砂礫料上游法堆筑，子壩一次建成，壩高10.5 m，頂寬5.0 m，內(nèi)坡比為1∶1.75，外坡比為1∶2.0。初期壩基礎采用碎石樁振沖加固方式處理，加固寬度50.4 m，樁深8 m。壩基河床沖積地層自上而下為粗砂層、粉砂層、粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉質(zhì)黏土層，總厚度大于80 m。庫址所屬區(qū)域抗震設防烈度為9度，設計基本地震加速度值ah=0.40 g，地震分組屬第2組?？辈熨Y料顯示，壩基覆蓋層等效剪切波平均值約為Ves=165 m/s，屬于軟弱場地土類型，場地類別Ⅲ類，設計特征周期為0.55 s，屬于建筑抗震不利地段。

2 加高方案及抗震安全措施

目前該尾礦庫使用已接近尾聲，受地形、征地、環(huán)保等因素制約，礦區(qū)周邊新建尾礦庫選址已不具備條件，只能通過對現(xiàn)狀尾礦庫進行加高增容延續(xù)生產(chǎn)。結(jié)合該尾礦庫現(xiàn)狀及實施條件，按照“技術可行、安全可靠、經(jīng)濟合理、簡單易實”的原則，擬采用增大干灘長度、加強排滲設施、控制壩體高度、放緩壩坡、設置壓坡體、壩體水平加筋等綜合抗震措施，提高尾礦壩加高后的抗震穩(wěn)定性，壩體加高后的典型剖面如圖1所示。

圖1 尾礦壩加高后的典型剖面

抗震安全措施如下：

(1)增加干灘長度。在庫內(nèi)設置大口徑排水井，增加庫區(qū)排水能力，在滿足澄清距離要求的前提下，確保庫內(nèi)處于低水位運行狀態(tài)，保持足夠的干灘長度。

(2)控制壩體高度，放緩壩坡。受河道限制，尾礦壩采用中線法及下游法加高均不具備空間條件，只能采用上游法加高。尾礦壩設計加高高度為14 m，最終加高高度為24.5 m，總壩高37 m。加高部分綜合外坡比為1∶5，同時在現(xiàn)狀壩頂預留50 m 寬安全平臺，進一步放緩綜合坡比，最終外坡比為 1∶4.5。

(3)加強排滲，降低壩體浸潤線。為進一步降低壩體浸潤線，在加高壩體內(nèi)每3 m埋設1層直徑300 mm的水平盲溝+豎向盲溝立體排滲系統(tǒng)，水平盲溝與外壩坡的水平距離為50 m，控制浸潤線埋深大于10 m。

(4)坡腳設置壓坡體。為提高抗滑力，在現(xiàn)狀壩體外坡設置壓坡體，壓坡體寬度為10～17.5 m，高23 m，外坡比為1∶2，中間設置1級8 m寬臺階，外壩坡采用干砌石處理。

(5)壩體加筋措施。為提高加高壩體抗震性，設計采用壩內(nèi)水平加筋方式，利用土工格柵的拉拔性能及其與尾砂體之間的摩擦咬合作用力，有效延長最危險滑移面的劃弧長度，使滑移線不斷向庫內(nèi)推移，從而提高壩體穩(wěn)定性。加筋材料選用TGDG80單向土工格柵，每3 m鋪設1層，長度深入庫內(nèi)80 m。

3 抗震穩(wěn)定性分析

3.1 計算參數(shù)

本研究靜力計算參數(shù)采用Mohr-Coulomb模型參數(shù)，動力計算采用等效線性模型，最大動剪切模量Gmax、等效剪切模量Geq、等效阻尼比λ等按照文獻[2]中的方法進行擬合，相關計算參數(shù)如表1所示。

本研究計算中采用當前較常用的人工地震波合成方法——三角級數(shù)法[3]，由地震反應譜推測出人工合成的地震波。尾礦壩所在區(qū)域的抗震設計烈度為9度，峰值加速度為0.4 g，反應譜特征周期Tg=0.55 s，最大代表值βmax=2.0。

表1 抗震穩(wěn)定性計算參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 靜力結(jié)果分析

靜力條件下滲流場及自重應力場分布如圖2所示。由圖2可知：增加干灘長度及排滲措施后，起到了降低壩體浸潤線的作用，初始應力場分布自上而下應力逐漸增大，符合一般規(guī)律。

圖2 靜力條件下壩體自重應力場分布(單位：kPa)

3.2.2 動力響應分析

在靜力分析的基礎上，采用等效線性法[4-6]進行動力時程分析，加高壩體典型部位的加速度響應時程曲線如圖3所示。由圖3及相關計算結(jié)果可知：加高壩體的加速度放大系數(shù)整體較小，最終壩頂處、加高壩體壩腳處的加速度放大系數(shù)分別為1.06、1.43；加高壩體壩腳處的地震加速度響應最大，主要與尾礦壩深厚覆蓋層的減震作用以及加高壩體內(nèi)加筋措施對頂部整體加固作用有關。

3.2.3 尾礦壩液化分析

由圖4可知：液化區(qū)主要分布于庫內(nèi)水面線以下及下游壩坡腳處，庫內(nèi)水面線以下液化區(qū)位于正常水位后側(cè)，對于壩體穩(wěn)定性暫不產(chǎn)生影響[6]；坡腳處由于該尾礦壩在初期壩建設中對壩基進行了振動擠密碎石樁加固處理，基本消除了壩基地震液化的可能。

圖3 加高壩體典型部位水平向地震加速度響應

圖4 尾礦壩剪應力比及液化區(qū)分布

3.2.4 動力穩(wěn)定性分析

由圖5可知：在9度地震作用下，尾礦壩的最小安全系數(shù)為1.019，大于相關規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.0，說明對尾礦壩采取綜合抗震措施進行加高后，在地震過程中是穩(wěn)定的。分析圖6可知：滑動面穿過尾砂后，深入深厚沖積層內(nèi)相對強度較低的粉質(zhì)黏土層，在坡腳下游50 m河道內(nèi)滑出，說明在深厚沖積層條件下，尾礦壩的滑動形式以沿壩基內(nèi)相對軟弱層的深層滑動為主，滑動體積巨大，一旦失穩(wěn)將造成嚴重后果，運行管理中除了關注壩體自身變形之外，坡腳下游滑出區(qū)的變形監(jiān)測也應引起足夠重視。

圖5 尾礦壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)時程曲線

圖6 最小安全系數(shù)及對應滑動面

4 結(jié) 論

(1)對于地處高地震烈度區(qū)、深厚沖積層上的尾礦壩的加高擴容問題，可采取控制壩高、放緩壩坡的加高方案，并采取增大干灘長度、加強壩體排滲、設置壓坡體、壩內(nèi)加筋等抗震措施，可有效解決加高后壩體抗震安全問題。

(2)通過動力有限元分析，深厚沖積層對尾礦壩的地震響應具有一定的削弱效果；通過綜合采取抗震安全措施后，液化區(qū)主要出現(xiàn)在庫內(nèi)水面線以下和下游壩坡腳處，控制干灘長度、加強排滲、壩基設碎石樁等措施具有削減超孔隙水壓力的作用；基于動應力的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.019，能夠滿足動力穩(wěn)定要求。

(3)對于強震區(qū)、深厚沖積層上的尾礦壩在運行中，應嚴格控制庫內(nèi)干灘長度及運行水位、及時排出壩體內(nèi)滲水、降低浸潤線、預留安全超高。