库水位对尾矿坝抗震液化稳定性的影响分析

2011-01-22周汉民

中国矿业 2011年10期

周汉民

(北京矿冶研究总院，北京 100070)

1 引言

近年来，随着矿山选厂生产规模的扩大及新建尾矿库征地困难等原因，各地相继出现了一些高坝大库，高地震烈度区的高坝稳定性是尾矿坝工程中的关键问题，对此广大科技工作者、工程技术人员进行了大量的研究[1-4]。我国90%以上的尾矿坝采用上游法筑坝[5]，这种筑坝方法简单易行，但坝体沉积密度一般偏低，浸润线偏高，渗流难以控制，大部分坝体处于饱和状态。试验证明饱和尾砂具有不稳定结构，对振动荷载非常敏感[6—7]，在地震作用下易发生液化破坏。位于云南省内的某尾矿库，由于先天选址不合理及入库尾砂较细等原因，尾矿库长期处于高水位运行状态，坝体内浸润线较高。地震作用下的坝体稳定性及液化区范围成为了影响该尾矿库稳定的关键问题。本文通过动力时程有限元计算，分析比较了坝体在不同库水位运行工况下静力渗流场、动力响应及液化区范围。

2 工程概况

云南某初期坝高30m ,最终设计坝高115 m。坝体平均坡度1∶5。尾矿堆积坝体由4种材料组成，从上至下依次为尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土和尾黏土。坝基为较薄的粉质黏土和泥岩层。由于受库区地形条件的限制及公司生产规模的提高，尾矿堆存上升速度过快，且尾矿平均粒度偏细，坝体固结时间短，力学强度低，造成坝体浸润线偏高，干滩长度不够等情况，且该库库址位于高地震烈度区——8度地震设防，地震液化问题成为了坝体稳定性的关键问题，为此必须进行动力有限元分析以确定可能液化区。

在动力分析中须确定适当的设计地震时程曲线，但往往这是比较困难的。为解决这个问题,本次分析中采用当前较常用的人工地震波合成方法——三角级数法[8]来合成所需的地震时程曲线。依据《水工建筑物抗震设计规范》及工程勘察报告取峰值加速度为0.2g，特征周期Tg=0.3s，反应谱最大代表值βmax=2.0。按此峰值加速度和现行水工抗震规范设计反应谱，生成了如图1所示水平向地震动时程。该地震动时程长度为20 s。

图1 设计地震时程曲线

3 理论计算分析

3.1 动力反应计算

尾矿坝的地震动力反应分析采用基于等价粘弹性模型的等价线性分析方法，该方法采用迭代的方法使计算最终采用的尾砂剪切模量和阻尼比值适应实验室给出的模量和阻尼比随应变幅变化的非线性曲线。尽管存在一些缺点，但概念明确，应用方便，而且在参数的确定和应用方面积累了较丰富的试验资料和工程经验，实用性强，能为工程界所接受。

运用有限元方法进行动力计算，其控制方程如式(1)所示。

={F(t)}

(1)

3.2 液化分析

本次计算中的地震液化分析可分为两部分：振动孔隙水压力计算和地震液化判别。

3.2.1 振动孔隙水压力

振动孔隙水压力计算模型采用Seed等人提出的应力模型。其孔隙水压力的表达式为：

(2)

3.2.2 地震液化判别

目前国内外应用最广泛评定尾矿坝地震液化可能性的方法为抗液化剪应力法，这个方法是由美国Seed等人首先提出的，将不规则变化的地震剪应力随时间变化概化为一种等效的一定循环次数的均匀剪应力τav，则可以用同样的应力循环数对尾砂样k进行振动三轴试验，测定出引起液化所需的动剪应力，或称抗液化剪应力τL。如果某单元τav>τL，则该单元液化；反之，τav<τL，则该单元不液化。分析时用式(3)表示每一单元的抗液化安全系数(Fs)L：

(Fs)L=

(3)

式中：N为等效周数。

Seed根据经验认为取不规则地震动剪应力中最大振幅的65%作为规则波的振幅，即取τav=0.65τmax是合适的，此时地震的等效循环次数按其震级可取表1所列数值。

表1 等效循环次数

4 计算模型及参数

4.1 计算剖面

本文选取尾矿坝最危险断面作为计算模型，图2为有限元网格图。尾矿堆积坝高为最终堆积标高115m，材料至上而下依次为尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土、尾黏土和泥岩。计算范围为：左右宽共687m，底部取至泥岩层30m。采用4节点等参单元，断面共5661个单元，5669个节点。在坝顶及坝坡处设置1#、2#两个历时点，用于记录动力分析中的动力响应。边界的约束情况是：底面固定，上表面为自由面，不施加任何约束，垂直面上静力计算中施加垂直于各个面的链杆，动力计算中施加平行于各个面的链杆。

图2 有限元计算模型

4.2 材料及模型参数

动力计算中采用不排水有效应力法，即认为在短暂的地震作用下，孔隙水来不及排出，从而不发生孔压的扩散和消散。

(3)

式中，Pa为大气压力，σ3c为固结压力。

表2 尾矿坝动力学计算参数表

液化区判别采用剪应力对比法，分析中考虑尾砂颗粒组成以及孔隙比等情况，在参数选取上参考文献[9]中极细砂的试验结果，等效循环系数下的液化应力如图3所示。

图3 大平掌尾砂动强度参数

5 有限元计算结果及分析

5.1 静力计算结果

静力条件下坝体渗流场为正常水位及洪水位运行工况下考虑各种排渗措施起作用时的稳定渗流，如图4和图5所示。

图4 正常运行工况下渗流场

图5 洪水位运行工况下渗流场

5.2 动力计算结果

根据以上动力参数对尾矿坝进行了动力有限元分析，得到了尾矿坝在8度地震作用下的地震响应及液化区。

5.2.1 动力响应

图6为坝顶及坝坡处1#、2#历时点的水平向加速度反应时程曲线。

从图中看出，2#历时点地震反应加速度分布大于坝顶1#历时点的反应，这与土坝的地震反应加速度分布上大下小是不相同的。从尾矿坝和土坝的几何形状不同、尾矿坝夹有起减震作用的“软弱”夹层等特点来分析也可得出这样的结论[10]。

根据计算结果，该尾矿坝地震加速度放大系数较小，正常工况下与洪水位运行工况下坝顶加速度峰值相对于输入加速度峰值放大1.3倍，而两种工况下的地震加速度曲线分布基本一致。

5.2.2 液化分析

该尾矿坝在正常运行+8度地震和洪水运行+8度地震两种工况下的液化区如图7、图8所示。从图中可看出液化区主要分布于两处：库内水面线以下和下游坝坡坡脚处。对比两种工况，洪水位运行工况下液化区要比正常水位运行时大的多。正常水位运行工况下液化区主要位于下游坝坡处，深度约为5m，而洪水运行工况下除库内水面线以下出现大部分液化区外，下游坝坡处也有较大的液化区，平均深度约为10m。

从两种工况下库内水面线以下液化区来看，由于库内干滩长度的减少使得在洪水运行条件下库内水面线以下尾砂液化区较正常运行条件下要大的多。图中液化区位于洪水位以下对于坝体的稳定性暂不产生影响，但如果地震工况发生在超洪水位运行情况下，液化区将进一步向坝坡靠近，严重威胁坝体稳定性。

从两种工况下下游坝坡坡脚处液化区来看，由于洪水运行条件下浸润线较高，使得下游坡脚处的尾砂更容易发生液化，范围也更大，目前坝体内部渗流场是按照各种排渗措施均能产生较好排渗效果情况下模拟的，但随着使用年限的增长，可能使排渗设施发生堵塞，浸润线抬高，液化区有进一步向上游发展的趋势。

洪水运行+8度地震工况条件下下游坝坡可能发生较大规模的浅层滑动，影响坝体的整体稳定性。为了安全，必须降低水位，严格控制坝体内浸润线。