矿山尾矿坝渗流及稳定性分析

胡逸捷，张丽娜，余祥（东华理工大学建筑工程学院，南昌330013）

矿山尾矿坝渗流及稳定性分析

胡逸捷，张丽娜，余祥
（东华理工大学建筑工程学院，南昌330013）

基于渗流耦合及稳定性分析理论，采用非线性有限元软件ABAQUS,对某尾矿坝的抗滑稳定性进行了模拟分析，并与传统的极限平衡方法运算结果进行对比，得出抗滑稳定性最小安全系数。模拟得到的稳定系数因考虑了渗流耦合作用,更为安全，同时引入了强度折减法并综合塑性区和位移云图，使得稳定系数的取得更具可靠性。

尾矿坝；稳定系数；渗流；ABAQUS

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.009

1　引言

尾矿坝作为尾矿库设施的重要组成部分，隐伏着巨大的安全隐患，是事故易发部位，其稳定与否，直接决定了尾矿库能否正常使用[1]。在各国的矿山事故中，由于尾矿坝工程的失效而引起严重危害的事例不胜枚举，尾矿坝的安全问题已成为尾矿库安全工作最为重要的内容[2]。目前，工程上对尾矿坝通常简化成一般边坡或水坝，采用传统的极限平衡方法[3]（包括圆弧滑动法、简布法、毕肖普法等）。极限平衡法虽然原理简单，但所获得的成果可靠性不足，反映的信息量也不足。

数值模拟分析法得益于计算机技术的发展，近年来逐渐得到推广，国内外众多研究机构开发了如ABAQUS等数值模拟软件，使得工程上可更加充分地考虑渗流耦合、复杂边界等因素，得出可靠的坝体稳定系数及其他信息，为其设计和施工做指导[4，5]。本文基于渗流耦合及稳定性分析理论，采用功能强大的非线性有限元软件ABAQUS对某尾矿坝进行了模拟分析，并与传统的极限平衡方法运算结果进行对比分析，对尾矿坝渗流及稳定性进行了分析。

2　实例分析

2.1工程概况

该尾矿坝按施工时间和作用分为初期坝和后期坝，坝基为中—微风化千枚岩（可视为隔水层），施工前做过清基，岩体完整性较好，自然状态下稳定性较好。两侧为岩性边坡，未发现崩塌、滑裂迹象，自然状态下稳定性较好。

坝顶标高208m，上游库内水位标高约218.0m，下游水位出溢点约82.0m，会产生渗透力。在稳定渗流作用下，对下游坝面（自由面）稳定性不利，因此需对下游坝坡进行稳定性分析。

坝体自上而下由4个单元层组成：①尾细砂；②尾粉砂，可按简化的均质砂土层计算，其渗透速率与孔隙比的关系见表1，孔压与饱和度的关系见表2；③黏土堆石料（初期坝），初步判断滑面不会穿过该层，对黏聚力和摩擦角放大处理；④中风化千枚岩岩体完整性较好，可视为刚体。

表1　渗透速率随压强或孔隙比变化

表2　孔压与饱和度经验关系

2.2北京理正软件稳定性分析

不考虑地震作用，基于瑞典法、简布（Janbu）法和毕肖普(Bishop)法，按《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)中的圆弧滑动法,计算该尾矿坝在稳定渗流（人工拟入）作用下安全系数，滑面采用指定圆心及搜索范围或自动搜索最危险滑裂面的办法确定[6-9]。计算简图如图1所示，天地震作用稳定渗流期的安全系数汇总见表3。

图1　计算简图

表3　安全系数汇总表

2.3ABAQUS渗流及稳定性分析

当前坝体处于稳定渗流期，按上述工况建立模型，上游坝坡按公式(1)设置孔压边界，底部设渗透速率为1.0×10-5m/s的2.5m厚砂石排水层，坝基默认为不透水边界，网格单元类型为CPE4P（4节点平面应变孔压单元），按渗流与应力耦合原理，利用ABAQUS建立非饱和渗流二维模型。

式中,Ph为平均应力，MPa;Yh为单位应力下的水平位移，mm。

通过ABAQUS后，处理模块获得的孔压等值线云图及饱和度等值线云图如图2和图3所示。

图2　孔压等值线云图

图3　饱和度等值线云图

由图2可知，坝体中同时存在饱和渗流和非饱和渗流，坝体右上角存在负压，为非饱和区，其他部位为饱和区，库水从上游流至下游，由饱和区流入非饱和区。由图3可知，红线为浸润线，浸润线以下饱和度100%，浸润线以上饱和度逐渐减小，对应的负孔压逐渐增大，即基质吸力逐渐增大。浸润线呈曲线下降，由于初级坝渗透性较差，经过初期坝后曲线下降明显，因大渗透性褥垫层的存在，使得曲线最后坡度变缓，下游溢出点在坝趾以上15.0m左右，符合实际情况。依据工程资料，利用ABAQUS建立二维边坡分析模型，根据塑性区开展和位移场分布，并运用强度折减原理，获得尾矿坝稳定系数。

由折减系数FV1，可得到不同折减系数下任一时刻坝体的等效塑性云图。当折减系数为1.550，t=0.7000h时，出现较明显的贯通区域，塑性云图如图4所示；折减系数为1.634，t=0.7563h时，塑性云图如图5所示；折减系数为1.641，t=0.7609h时，塑性云图如图6所示；折减系数为1.641时所对应的位移等值云图如图7所示。

图4　FV1=1.550，t=0.7000s的塑性图

图5　FV1=1.634，t=0.7563h的塑性云图

图6　FV1=1.641，t=0.7609h的塑性云图

图7　FV1=1.641对应的位移等值云图

由图6图、图7可见，当折减系数为1.641时，在时间t=0.7609h时刻，坝体右上部产生贯通的塑性区，该区域的位移也较大，即将产生圆弧滑动面的趋势。因此，该尾矿坝的安全系数取1.641。设立顶部节点点集，以该点水平位移拐弯点作为评价标准，水平位移U1随FV1（折减系数）的变化关系如图8所示，则安全折减系数为1.629。

图8　U1随FV1的变化关系

3　结语

利用北京理正边坡软件及ABAQUS软件，分析得到的尾矿坝稳定系数，均满足《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)中要求的二等尾矿坝按瑞典圆弧滑动计算抗滑稳定性最小安全系数1.250的标准，以及《选矿厂尾矿设施设计规范》要求的一级边坡工程最小安全系数1.300的标准。其中，后者模拟得到的稳定系数因考虑了渗流耦合作用而偏安全，引入了强度折减法并综合了塑性区和位移云图，稳定系数的取得更具可靠性。

用ABAQUS软件对该尾矿坝进行模拟，获得了其现状浸润线形状和位置，浸润线从上游坡面至下游坝面逐渐降低，流经初期坝时下降明显，溢出点在下游坝趾以上约15.0m处，浸润线以下是饱和渗流，浸润线以上是非饱和区（负压）。

由此可知，ABAQUS在尾矿坝稳定性分析中具有明显的优势，模拟效果与实际工况相吻合，能获得丰富的信息量，根据现场监测数据还能够动态地获得尾矿坝安全状况，在今后的尾矿坝工程分析与评估当中值得推广运用。但运用该方法时，所需的参数较多；建立模型时，本构及边界的选择也是一项难点工作，在今后的应用中还需要进一步的进行理论研究。

【1】腾志国.关于尾矿坝地震稳定性的分析与评价[J]．河北冶金，2003（1）：16-17.

【2】徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析[J]．工业建筑，2001，31（1）：69-71.

【3】刘勋，徐顺畅.极限平衡条分法中条块个数的影响分析[J].山西建筑，2011，37（17）：66-67.

【4】杨辉.边坡稳定分析的有限元极限平衡法原理及程序实现[D].北京：交通大学，2014．

【5】费康.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

【6】施斌.论工程地质中的场及其多场耦合[J].工程地质学报，2013，21（5）：673-680.

【7】曹雄.二维边坡稳定性分析的通用极限平衡法[J].铁道工程学报，2012(6)：28-33.

【8】黄锦林，钟志辉，张明飞.基于垂直条分法改进计算式的库岸滑坡滑速分析[J].山地学报，2012，30（5）：555-560.

【9】邓东平，李亮.水平条分法下边坡稳定性分析与计算方法研究[J]．岩土力学，2012，33（10）：3179-3188．

Seepage andStability Analysis of TailingDam in M ine

HUYi-jie,ZHANGLi-na,YUXiang
(Civiland ArchitecturalEngineering Department EastChinaUniversityof Technology,Nanchang 330013,China)

Thispaperbasedon the theoryofSeepagecouplingand Stabilityanalysis,taking thepowerfulnon-linearly finiteelement software ABQUS to make simulation analysis of tailing dam,and comparative analysis w ith the results of classical ultimate balance method.The stability factor which is consider seepage coupling effect will much safer,what's more,applying the strength reduction methodand integrating theplasticzoneanddisplacementcontour,thestability factorhavemorereliability.

tailingdam;stabilitycoefficient;seepage;ABQUS

TD742+.2

A

1007-9467（2016）11-0043-03

江西省对外科技合作计划项目（20141BDH80027）

胡逸捷（1993～），男，江西抚州人，在读硕士生，从事结构监测及耐久性研究。

2016-06-17