某尾矿坝子坝稳定性及加固效果分析

唐菲 葛凯华

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院 北京 100083；2.平泉小寺沟矿业有限公司 河北承德 067512)



某尾矿坝子坝稳定性及加固效果分析

唐菲1葛凯华2

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院 北京 100083；2.平泉小寺沟矿业有限公司 河北承德 067512)

以某尾矿坝为工程背景，根据现场工程地质勘探所获得地质资料及拟加高扩容初步设计资料等，建立三维尾矿坝的数值仿真模型。在此基础上，针对最终设计坝顶标高+260 m(高160 m)情况采用FLAC3D软件中强度折减法求解了坝体子坝边坡安全系数，并确定了潜在滑裂面的位置。根据潜在滑裂面的位置选择土工格栅加固子坝，并通过对加固前后位移场、应力场以及剪切应变增量区的对比分析，表明所采取的加固措施是可行的。

尾矿坝 FLAC3D稳定性分析 加固

0 引言

矿业一直是我国的支柱产业之一。随着国民经济的发展，矿业生产的规模越来越大，尾矿库的数量和规模随之上升。尾矿库的稳定性严重影响着矿区人民的生命财产安全。尾矿库的稳定性和安全性已成为各国政府、矿山企业、学术界所关注的重大问题。

尾矿坝是以尾砂为主要材料建成的一种特殊构筑物，为尾矿库的重要组成部分，坝体一旦失稳溃坝将直接造成资源流失，更重要的是危及人类生命和财产安全，导致生态环境的破坏，因此尾矿坝的稳定性分析与加固有着十分重要的现实意义。

1 坝体安全性指标分析及潜在滑移面位置的确定

某尾矿库，占地面积为7.98 km2，设计库容约1.682 亿m3。坝体初期构造为砌石结构，具有良好的透水性。初期坝坝顶宽4 m，长503 m，上游与下游的坡比均为1∶2。坝体底部标高为55 m，初期坝施工完毕后高度为21 m，子坝在此上游建造，坡比为1∶4.5。子坝现施工至标高为200 m，后期设计标高为260 m[1]。由《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)可知，该库属于Ⅱ等尾矿库。

1.1 模型构建

数值模拟的缺陷在于模型的建立是否与坝体真实参数统一，为了克服这一缺陷，必须详细了解尾矿坝工程概况的内容以及具体参数。基于FLAC3D自身建模的缺陷，本模型采用有限元软件ANSYS10.0来建立三维模型，同时利用其强大的网格刨分功能来获取模型的内部节点信息与单元信息，最后将数据导入到FLAC3D中，进行最终的数据模拟分析[2]。

数值模拟分析就是理论计算的过程，这一过程要求原始数据的准确性，否则会影响到分析结果的不精确。现场试验的分析报告[1-3]给出了上游筑坝中每层土的具体参数，将材料的物理力学参数进行相应归并处理得到材料原始参数，如表1。

表1 尾矿坝材料参数

根据表1给出土层参数建立相应几何模型，初期坝为梯形六面体，其中纵向长度为500 m，高为20 m，斜面坡度及上下游的坡度为1∶2，两坡之间宽度为4 m。子坝上游筑造，坡度为1∶5。子坝高为设计标高260 m。基底设置为基岩，厚度为100 m，无沉降，无透水。

基于ANSYS10.0的刨分功能，模型有限拆分网格已经形成，根据表1中材料参数，可将整个坝体分为6个部分，并将每部分的材料的参数赋予其中，初始状态为天然状态(不考虑强降雨、地震、自然灾害等其他影响，仅考虑土体自重应力)。计算模型图见图1。

图1 计算模型

1.2 计算结果分析

FLAC3D中采用强度折减法求解边坡抗滑稳定性系数[4-7]。边坡抗滑稳定性系数又称边坡安全系数，可利用公式(1)和公式(2)来计算。在计算时把岩土体材料的黏聚力C和摩擦角φ进行折减(Ftrial是折减的系数，CF是折减之后的黏聚力，φF是折减之后的摩擦角)，采用数值算法对边坡的稳定性进行计算。计算过程中采用迭代计算，直到土体达到临界破坏状态，而此时的的折减系数Ftrial便是边坡的安全系数Fs。

CF=C/Ftrial

(1)

φF=tan-1[tan(φ)/Ftrial]

(2)

应用强度折减法分析时，坝体内塑性应变值随着自重的施加而变化，当达到计算平衡时，整个坝体内会显示出一个贯通的塑性区，这个塑性区就是潜在滑裂面所存在的位置。只有当坝体中的某些点的塑性应变值大于该些点周围的点的塑性值时，这些点才能够移动产生滑动面。因此，将塑性应变值较大的点拟合成曲线，就构成了潜在的滑裂面[8-10]。

计算采用平面应变模型，其模型的几何尺寸以及坝体材料的物理力学指标与上述计算时所选取的一致。另外，坝体轴线方向与模型底部均采用全约束，模型左右两个边界均采用水平方向约束。坝体安全系数及滑裂面位置如图2所示。

(a) 剖面图

(b)立体图

《尾矿设施设计规范》中对尾矿坝坝坡抗滑稳定安全系数的最小值的要求如表2。

表2 坝坡抗滑稳定最小安全系数

从计算结果看，所得到的安全系数值为1.16，因其小于1.25故不满足规范要求。说明如果坝体加高到最终设计高度则必须加固，而潜在滑动面的位置由图可知在坝高约80 m处。

2 土工格栅加固

2.1 土工格栅单元布置

针对本文中的模型，网格剖分及材料参数如前所述。土工格栅布置形式及加固范围如图3所示，土工格栅的参数如表3所示。

随着中国经济的快速发展，能源消费量也在日益增加，目前中国已经成为全球能源消费量最大的国家。根据国家统计局在2018年初公布的数据，中国在2017年能源消费总量大概为44.9亿吨的标准煤。中国多煤、缺油、少气的能源资源禀赋特点，决定了中国的能源消费主要是以煤炭为主，由此产生的二氧化硫等污染物被排放大气中，导致了环境问题不断恶化，如此必然制约经济的可持续发展。如何有效地协调能源消费、环境污染与经济绿色发展三者之间的关系，是当前中国政府重要的工作之一。

图3 土工格栅的整体布置图

名称数值名称数值弹性模量E/Pa 1×109 耦合弹簧单位面积上刚度k/(N·m-3)2.3×106 泊松比υ0.33耦合弹簧内聚力/kPa0格栅厚度t/mm5内摩擦角/(°)30

2.2 加固前后结果对比

FLAC3D本身具备了强大的后处理功能，但是在使用过程中仍然存在一些缺点，尤其是不具备输出等值线图的功能。在整理计算成果时，相对于色彩缤纷的云图来说，等值线图更清晰易懂，线条配合标签可以直观地将分析结果展示出来。由于FLAC3D具备丰富的FISH函数，因此可以将FLAC3D的计算结果输出到Tecplot中，将计算结果再次整理成图。加固前后的结果对比采用Tecplot软件，使对比结果更清晰，更直观。

2.2.1 位移场对比

由图4、图5为坝体加固前后位移场计算结果的对比图，由图可知坝体加固前y方向位移为1.3 m，而加固后的y方向位移为0.45 m，加固效果明显；加固前最大x方向位移为95 mm，加固后的最大x方向位移为87 mm，从最大值上来看加固后效果不是很明显，但是通过分析坝体整个水平位移分布情况，加固后的分布情况要比加固前有很大改观。

(a)加固前

(b)加固后

(a)加固前

(b)加固后

2.2.2 应力场分析

图6、图7为子坝坝体加固前后水平应力场计算结果的对比图，由图可知坝体加固前水平x方向与y方向最大应力分别为1 474.75 kPa和1 490.3 kPa，而加固后的水平x方向与y方向最大应力分别为1 474.60 kPa和1 490.1 kPa，加固效果比较明显。

(a)加固前

(b)加固后

(a)加固前

(b)加固后

2.2.3 安全系数与剪切应变增量

图8、图9为坝体用土工格栅加固后的安全系数和剪切应变量变化。由图可知尾矿坝通过土工格栅加固后的安全系数变为1.52，大于《尾矿设施设计规范》规定的1.25。且剪切增变量最大值由原来的2降到了0.5，潜在滑裂面的剪切应变增量急剧下降，有效阻止了剪切应变增量区的贯通，故加固效果明显。

3 结论

以某尾矿坝子坝的工程特性以及工程地质条件为背景，分析了尾矿坝加高到设计标高260 m时坝体稳定性情况；应用FLAC3D中的摩尔-库仑模型的屈服准则，并运用强度折减法，对坝体边坡进行了安全系数的求解，且确定了潜在滑裂面的位置；通过对无支护、土工格栅支护的两种状态下位移场、应力场的结果对比，加固后的位移与应力情况有很大改观，且安全系数也达到规范值，加固效果明显。该项加固方案已经在现场得到成功应用，不仅有效地加强了某尾矿坝的稳定性，也同时达到了尾矿库加高扩容的目的。研究成果对某尾矿坝的安全监测与结构加固设计提供了理论指导，相应尾矿坝也可予以借鉴。

(a)剖面图

(b)立面图

(a)加固前

(b)加固后

[2]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.

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Research on Stability Analysis and Reinforcement Measures of One Tailings Dam

TANG Fei1GE Kaihua2

(1.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)Beijing100083)

Taking one tailing dam as the engineering background, a three-dimensional numerical simulation model of the tailings dam is established based on the geological data obtained from the field engineering geological survey and heightening and expanding capacity preliminary design data. On this basis, the sub-dams slope safety factor has been solved by the strength reduction FEM in FLAC3Don account of final design crest level +260 m (160 m in height), and the potential slip surface has also been determined. According to the position slip, the geogrid reinforcement measure has been designed. Based on the contrastive analysis of displacement field, stress field and the shear stress increment area before and after reinforcement, the reinforcement measures are proved to be feasible.

tailings dam FLAC3Dstatic stability reinforcement

唐菲，女，1988年生，硕士研究生，主要研究方向为岩土边坡。

2015-10-19)