云南小麥地尾礦庫加高擴容方案的動力抗震分析

劉兵川，孫麗萍

( 1.云南省鐵路設計公司，云南 昆明 650118；2.云南交通職業(yè)技術學院，云南 昆明 650500)

0 引言

隨著尾礦庫技術的進步[1]，尾礦庫加高擴容也越來越常見，極大的解決了礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題。但壩高越高，其抗震能力更應該得到重視。騰志國[2]提出采用擬靜力法對尾礦壩進行抗震分析的不足，并結合實例介紹了尾礦壩動力分析方法的必要性和計算方法；張富有等[3]提出一種考慮液化區(qū)域影響的尾礦壩動力穩(wěn)定性計算方法，并計算了在連續(xù)降雨情況下尾礦壩的動力穩(wěn)定性；孫國文等[4]討論了干灘面長度、堆壩坡度、尾礦砂密實度以及浸潤線高度對壩體穩(wěn)定性的影響。但尾礦庫加高擴容的前提是保證壩體的穩(wěn)定性，在不考慮地震的工況下，通常壩體穩(wěn)定性能夠滿足；在考慮地震的工況下，尤其是抗震設防烈度高的地區(qū)，穩(wěn)定性往往不能滿足要求，從而尾礦壩的抗震成為影響加高擴容的關鍵因素。因此，筆者將庫內尾礦視為黏彈性體，采用能夠較好的反映尾礦動應力—動應變特征的等效線性模型，對小麥地尾礦庫不同加高擴容方案進行動力抗震分析。

1 小麥地尾礦庫概況

小麥地尾礦庫屬云南磷化集團200萬噸/年磷礦采選工程項目配套之一，服務于云南磷化集團200萬噸/年磷礦浮選廠產(chǎn)出的尾礦，總體規(guī)劃需分三期完成。其位于小麥地溝的中上游，距離白蠟山選廠6.5 km，該溝出口至螳螂川距離5.0 km，壩址地段為一不對稱的“V”型侵蝕谷地，壩基處谷底寬約50 m。左壩肩自然邊坡坡度約46°，灌木較為茂盛，部分基巖裸露；右壩肩自然邊坡坡度約38°，第四系覆蓋層厚度介于3.0～13.0 m。

該尾礦庫自2007年10月竣工并投入使用至今。一期壩(壩頂高程2105 m)運行1.4年后，于2009年進行二期工程。二期工程分為第一階段(“下游法”加高壩體至高程2127 m)和第二階段(“下游法”加高壩體至高程2142 m)，尾礦庫規(guī)模為三等庫，壩高70 m，壩體為碎石土壩。尾礦在壩前排放，庫內尾礦灘頂高程約2135.20 m，累計堆存尾礦約539萬m3。正常運行時干灘長度約400 m，沉積灘坡比5‰。

為了繼續(xù)延長該庫的服務年限和堆存容量，擬采用模袋法對其進行加高擴容，堆積壩外坡比1∶5.0。壩體剖面見圖1。

圖1 壩體剖面圖Fig.1 Sectional map of the dam

2 動力抗震分析參數(shù)與方案

建立尾礦庫壩體有限元模型，先對壩體進行靜力分析，初期壩和尾礦材料采用雙曲非線性模型，等效線性模型是把土視為黏彈性體，采用等效彈性模量E(或G)和等效阻尼比λ這兩個參數(shù)來反應土體動應力—動應變的基本特征。

將壩體和壩基靜力分析結果作為時程法地震動力分析的初始狀態(tài)，采用等效線性法進行地震動力分析。根據(jù)動力分析成果，考慮地震過程中壩體應力的瞬時變化，分析每一時刻大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)動力計算結果，采用應力重分布計算地震作用引起的壩體永久變形。

2.1 物理力學參數(shù)

2.1.1 靜力計算參數(shù)

壩體各土層靜力計算參數(shù)見表1。

2.1.2 動力計算參數(shù)

根據(jù)勘察對庫內尾礦的劃分，取了2種尾粉土土樣，分別進行了動力三軸試驗，尾粉土①1制樣干密度為1.72 g/cm3，尾粉土①2制樣干密度為1.58 g/cm3。尾礦的動力參數(shù)試驗結果見表2、表3、圖2至圖4。

表1 壩體各土層靜力計算參數(shù)Table 1 The calculation parameters of each soil layer of the dam

表2 尾礦的動力計算參數(shù)Table 2 Dynamic calculation parameters of tailings

2.2 輸入地震加速度

小麥地尾礦庫所處位置抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20 g，設計地震分組為第三組[5]。計算選用附近場地提供的人工擬合地震加速度時程[6]，地震動時程峰值為2.17 m/s2，地震震動持續(xù)時間為20 s，時步為0.02 s。地震時程曲線見圖5。

2.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)加高擴容方案，對所分析的剖面進行單元網(wǎng)格劃分，單元尺寸大約為6 m。以壩體加高18 m時為例，剖面共劃分單元數(shù)4185個，節(jié)點數(shù)4298個，模型的網(wǎng)格劃分見圖6。

2.4 計算方案

根據(jù)小麥地尾礦庫加高擴容可行性研究提供的參數(shù)，正常運行時干灘長度340 m，從而確定其庫內上游水邊線位置。加高擴容方案分為4個，分別為① 加高9 m(壩頂高程+2151 m)；② 加高12 m(壩頂高程+2154 m)；③ 加高15 m(壩頂高程+2157 m)；④ 加高18 m(壩頂高程+2160 m)，對4種不同加高高度進行動力抗震分析。

表3 尾礦動抗剪強度參數(shù)Table 3 Dynamic shear strength parameters of tailings

圖2 尾礦動剪切模量Gd與圍壓σ3c關系曲線Fig.2 The relationship curve between dynamic shear modulus Gd and confining pressure σ3c of tailings

3 加高擴容方案抗震分析與研究

3.1 壩坡穩(wěn)定性分析

時程法計算過程中，壩坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)上下變化與地震波的波形變化相近。由于動剪應力隨震動時間而不同，即使存在安全系數(shù)在某一時刻小于1.0的情況，考慮到邊坡在瞬間沖擊荷載下并不一定徹底破壞，在最小安全系數(shù)發(fā)生的緊接著的下一時刻，由于地震加速度的方向的改變，安全系數(shù)得到恢復。因此，邊坡即使在瞬間進入失穩(wěn)狀態(tài)并不一定使邊坡徹底破壞。正因為如此，有學者[7]提出取用公式(1)可得出特殊工況對應的安全系數(shù)，評價壩坡穩(wěn)定性更為切合實際。

圖3 動模量比Ed/Ed0與應變εd關系曲線Fig.3 The relationship curve between dynamic shear modulus ratio Ed/Ed0 and strain εd

圖4 阻尼比D與應變εd關系曲線Fig.4 The relationship curve between damping ratio D and strain εd

圖5 輸入的地震加速度時程曲線Fig.5 Input seismic acceleration time-history curve

圖6 壩體加高18m時有限元計算模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Finite element calculation model and mesh division when the dam is increased by 18 m

Fs=Fsmin+(Fs0-Fsmin)×0.35

(1)

其中：Fs0為靜態(tài)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，F(xiàn)smin為地震過程中瞬時最小安全系數(shù)。

壩坡穩(wěn)定性分析結果見表4、圖7、圖8，總體來看，隨著壩高的增加，壩坡穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小，時程法計算的壩坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs也逐漸減小。其中，尾礦壩在加高18 m(壩頂高程+2160 m)時，對應的尾礦壩靜態(tài)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs0為1.504，在地震時的安全系數(shù)為1.189，滿足規(guī)范[8]規(guī)定的三等庫最小安全系數(shù)在正常運行時1.30與特殊運行時1.15的要求。正常運行的安全系數(shù)要遠大于規(guī)范要求，可見，考慮地震的特殊運行工況決定著壩體加高的高度。在后續(xù)加高至接近18 m時，對庫內尾礦進行系統(tǒng)的勘察與分析，查清庫內尾礦的物理力學性質及浸潤線情況后，并與本次分析所采用的尾礦物理力學參數(shù)和壩體浸潤線進行對比，考慮是否進行再次加高。

表4 尾礦壩穩(wěn)定性計算結果Table 4 Stability calculation result of tailings dam

3.2 永久變形分析

根據(jù)動力分析的結果，由于土體單元為達到新的平衡而產(chǎn)生應力重分布，應力重分布將導致永久變形的產(chǎn)生。

尾礦壩的永久變形及變形趨勢見表5和圖9。

永久變形量隨著壩高增加而增加，永久變形量主要以沉降為主，變形的方向主要向下和向庫內變形。永久變形受液化位置與范圍影響，深度和范圍越大，永久變形量也越大。針對永久變形，在后續(xù)的設計中可考慮在永久變形量較大位置增加尾礦的整體性，有利于整體的變形協(xié)調能力，同時在壩前預留1.5～2.0倍的永久變形量的安全超高，合理控制堆積壩上升速度，以利于尾礦固結密實。

圖7 不同加高方案的靜態(tài)壩坡最危險滑弧Fig.7 The most dangerous slip arc in the static state of the dam slope for different heightening schemes

4 結論

通過采用等效線性模型對小麥地尾礦庫不同加高擴容方案的動力抗震分析，可以看出，考慮地震的特殊運行工況決定著壩體加高的高度。在現(xiàn)狀堆存尾礦的條件下，加高18 m是合理的，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。壩體永久變形以沉降為主，從而導致庫內水邊線向壩前移動，干灘縮短，短時間內不利于壩體穩(wěn)定性。因此，在尾礦庫運行過程中，應嚴格控制正常生產(chǎn)水位和洪水位，盡量增加庫內干灘長度，增加安全超高，合理控制堆積壩的上升速度，以利于尾礦固結密實，同時增強壩前100 m范圍內尾礦的排滲能力，增強尾礦壩的抗震性能。