某尾矿坝稳定性分析及加固措施

葛凯华　唐　菲　左锋雷

(1.平泉小寺沟矿业有限公司；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院)



某尾矿坝稳定性分析及加固措施

葛凯华1唐菲2左锋雷1

(1.平泉小寺沟矿业有限公司；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院)

摘要以某尾矿坝为工程背景，应用高精度测量仪器TM30,选设3个GPS控制点和15个观测点，建立了边坡地表位移监测网，对尾矿坝进行观测。根据观测结果,对尾矿坝进行抗滑桩加固,利用FLAC3D,对抗滑桩结构单元进行数值模拟，分析了抗滑桩在坝体中的受力及分布，指出支护中须加强箍筋配置，施工后的观测数据体现了支护方案的可行性。

关键词尾矿坝FLAC3D稳定性分析加固

某尾矿库库容量约1.7亿m3，汇水总面积约7.8 km2。初期坝为堆石坝，透水性良好，坝体纵向长505 m，坝顶宽4 m，上游坡比为1:1.85，下游坡比为1:2，初期坝顶高程76 m，底部高程55 m，坝体高21 m。子坝采用上游法建造，上游坡比1:4.5，堆高145 m。根据设计方案[1-2]，尾矿坝设计标高260 m，由《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ1-90)的规定可知，该库属于Ⅱ等尾矿库。为保证尾矿库的安全运行，需对其进行稳定性监测。

1尾矿坝监测

1.1监测点布设

尾矿坝监测分为水平位移监测与垂直位移监测。尾矿坝坝体边坡属土质滑坡类型，垂直位移监测采用测距三角高程，对竖角观测精度要求较高，故按二等要求进行角度观测。监测仪器为TM30，测角精度为0.5″，测距精度为0.6 mm+1×10-6D。根据尾矿坝坝体将监测网布置成放射形，根据尾矿坝边坡的稳定情况,选定了3个基准点15个观测点。观测点布置如图1。

图1　观测点布置

1.2监测结果及数据分析

尾矿坝坝体监测周期为一周，也可根据坝体变形因素的变化适当增大或减小。表1为前3次的监测数据(由于篇幅有限，在此仅给出5个点的观测数据，其他数据见文献[3])，各点水平偏移与沉降量见图2。

监测结束后，对数据进行自身精度分析,周期变形量分析及总变形量分析。

由图2可知,第2次监测时，水平位移量最大为26.6 mm最小为18.4 mm；沉降量最大为-45.7 mm最小为-14.3 mm，第3次监测时，累计水平位移量最大为51.7 mm最小为37.9 mm，偏移方向均为东南；累计沉降量最大为-90.0 mm最小为-28.4 mm。水平位移量与沉降量都很大，表明坝体不稳定，需采取支护措施。

2抗滑桩加固

2.1计算模型建立

为保证所建模型与实际土层相一致，建模前必须详细了解尾矿坝子坝的材料参数、几何条件及计算机的实现[4-5]。由于FLAC3D本身在前期建模过程中缺乏一定的灵活性，所以考虑利用有限元软件ANSYS10.0来建立三维模型，并对模型进行适当的网格划分，得到其内部节点和单元信息，利用ANSYS-FLAC3D接口程序，将得到的信息转化为FLAC3D能认读的格式，此种方法可提高建模效率[6]。输入到FLAC3D中，解决了FLAC3D复杂三维模型建模困难的问题，极大地提高了工作效率[7]。

在理论计算之前对坝体所处的环境及自身性质等进行适当简化。根据现场试验分析报告[1-2]，将坝体材料属性相近的土层归并，材料的物理力学参数取相应的加权平均值，材料参数如表2所示。

表1　尾矿坝坝体观测数据

图2　各点水平偏移量与沉降量走势

材料编号密度/(kg/m3)凝聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比剪切模量/Pa体积模量/MPa抗拉强度/Pa有效凝聚力/kPa有效内摩擦角/(°)116005260.381210625001229216705290.31149025001231317006300.3997530001332初期坝19500.5380.2540009000250基岩27506720420.20.011500001600000

模型几何尺寸简化如下：下伏基岩为隔水岩层，厚度为100 m；初期坝属性定为透水性较好的岩层，上游与下游的坡比均简化为1:2，坝高定为20 m，顶宽4 m，坝体纵向长度为500 m；子坝上游坡比 1:5；干滩坡比1:100。

计算模型采用莫尔-库仑屈服准则，共划分为81 345 个节点，74 400个单元。材料分为6组，计算是在不考虑地震、降雨以及人类其他工程活动等因素的影响下的天然工况，自重应力为主要考虑的因素。模型四周设为单向边界，底部设为固定约束，坝体坡面则设为自由边界。模型顶板高程取Z=260 m，X轴为边坡倾向相反方向，取X=614 m,Y轴方向为坝体走向方向,Y=±250 m，计算模型见图3。

2.2抗滑桩布置方案

根据设计规范，初期坝体抗滑桩选单排布置，截面为圆形，截面积为3.14m2，间距取8m,根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)，桩身釆用预应力混凝土，强度为C40。选普通硅酸盐水泥(42.5R),纵向受拉钢筋采用HRB335级(二级)带助钢筋，直径取25 mm，钢筋净距取200 mm；桩身钢筋混凝土保护层厚度为80 mm,采用封闭式箍筋布置，直径取14 mm，间距400 mm,桩长15 m，锚固深度5 m[8]。布置图如图4。

图3　计算模型

图4　抗滑桩的整体布置

2.3桩内力计算

抗滑桩内力计算如图5～图8所示。

图5　抗滑桩桩身内力Fy图

图6　抗滑桩桩身内力Mz图

图7　抗滑桩桩身内力Fz图

从图5～图8中可知：

(1)位于左、右两侧抗滑桩上的剪力、弯矩大小基本相同，而位于中间位置布设的抗滑桩由于左右抗滑桩对其的挤压作用，剪力、弯矩值稍微偏小，反映出在桩身内力图中各桩的内力曲线近乎重合。

图8　抗滑桩桩身内力My图

(2)抗滑桩位于两端的单元与中间单元的剪力反向，说明抗滑桩在滑坡推力和周围岩土体主动土压力的共同作用下，处于近似双向受剪状态。同时，抗滑桩剪力的最大值出现在嵌固段中间部位和桩顶至剪力为零处的中间位置,所以，这些部位都应该加强箍筋配置，以提高抗剪能力。

(3)在滑体推力作用下，桩身弯矩呈现反对称分布。弯矩值最大出现在锚固面上下3 m处，以及桩顶以下上下2～3 m处，说明桩在此处所受到的弯曲作用比较大，该处是抗滑桩相对薄弱的位置，因此，在此处上下5 m范围的桩体是配置抗弯钢筋的重点。

2.4抗滑桩加固后效果对比

抗滑桩于第3次监测后开始施工，施工期间进行了3次测量，当施工完成后开始第7次观测，观测数据如表3，各点水平偏移量及沉降量见图9。

由表3及图9可知，坝体支护前3次的累计水平位移量最大为51.7 mm，支护后的3次监测中，累计水平位移量最大为14.9 mm；坝体支护前3次的最大累计沉降量为39.3 mm，支护后的3次累计沉降量最大为14.3 mm，支护效果很理想。

3结论

(1)应用高精度测量仪器TM30对尾矿坝进行观测，选设3个GPS控制点和15个观测点，建立了边坡地表位移监测网，观测结果表明坝体不稳定，并针对尾矿坝工程特性采取抗滑桩加固。

(2)利用有限元软件ANSYS10.0建立三维模型，并将数据输入到FLAC3D中，利用抗滑桩结构单元分析其在坝体中的受力情况，指出支护中加强箍筋的位置以及抗弯钢筋的配置。

(3)根据模拟结果进行施工，施工后坝体观测数据体现了支护的有效性，该支护方案成功应用后，有效地加强了某尾矿坝的稳定性。研究成果对尾矿坝的安全监测与结构支护设计提供了理论指导及借鉴。

表3　观测数据

图9　初期坝各点水平偏移量与沉降量走势

参考文献

[1]大连理工大学土木水利学院.某尾矿库选矿厂尾矿坝内尾矿砂试验研究报告[R].大连：大连理工大学土木水利学院，2004.

[2]大连理工大学土木水利学院.某尾矿库选矿厂尾矿坝渗流试验与计算分析报告[R].大连：大连理工大学土木水利学院，2004.

[3]葛凯华.某尾矿坝稳定性分析及加固措施研究[D].鞍山：辽宁科技大学,2015.

[4]郑筱彦.抗滑桩支挡作用的数值模拟研究[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[5]Ghose M K, Sen P K. Investigation of soil engineering properties for safe design and construction of the iron ore tailing dam[J]. Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 2001,8(6):318-326.

[6]廖秋林,曾钱帮,刘彤,等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报,2005,24(6):1010-1013.

[7]吴明,傅旭东,刘欢.边坡稳定分析中的强度折减法[J].土工基础,2006,20(1):49-52.

[8]中国地质调查局.DZ/T0219—2006滑坡防治工程设计与施工技术规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

(收稿日期2015-09-03)

葛凯华(1989—)，男，工程师，硕士，067512 河北省承德市平泉县。