地震作用下加高扩容尾矿库的动力稳定性研究

贾 会 会

(华北地质勘查局五一四地质大队， 河北 承德 067000)

地震作用下加高扩容尾矿库的动力稳定性研究

贾 会 会

(华北地质勘查局五一四地质大队， 河北 承德 067000)

以周家沟尾矿库为工程背景构建二维数值模型，研究随着堆积坝坝顶标高的增大地震作用对坝体稳定性影响。根据库区场地情况选用实测波El Centro波和Taft地震波合成人工地震波时程对尾矿库进行动力稳定性分析，分析了随着尾矿坝坝体加高时尾矿库的最大动剪应力分布、坝顶水平加速度反应、尾矿库的残余变形及库区的液化区域变化趋势。结果表明随着坝体的加高，最大剪应力集中在坝顶底部区域且随着坝体的加高由初期坝向坝顶方向扩展；坝顶最大加速度及放大系数减小；尾矿库的最大残余变形增大，较大部位出现在坝顶附近；坝顶的加高尾矿库液化区将发生变化。工程中要注意坝顶加高后尾矿坝部分区域发生的液化对尾矿坝稳定性影响。

尾矿坝；动力稳定性；动力特性；地震波；液化判定

随着我国钢铁产能的需求，在钢铁采选及冶炼过程中产生的尾矿渣等废弃物将会严重污染场区附近的环境。采用筑坝拦截谷口或围地形成的尾矿库是矿山排尾的重要工程设施，一些地区建设的尾矿库下游多为村庄，形成“头顶库”，一旦发生溃坝将造成不可估量的损失。尾矿库的设计、施工、运营管理及维护是保障尾矿库安全的重要环节，地震是影响尾矿库稳定性的主要因素之一，对尾矿库坝体动力特性进行分析对指导尾矿坝施工建设及运营管理都有重要的指导意义。

ChaKrabory D等[1]对尾矿坝进行静力、动力分析得出地震作用下坝体将会产生动位移，加速度沿坝高放大从而造成尾矿坝的失稳。何淼等[2]采用两种地震加速度时程对某尾矿坝进行了液化及动力分析。张力霆等[3]对地震作用下尾矿库进行了三维动力分析，得出了尾矿坝沿坝轴方向加速度最大值出现在3/4高度处。李全明等[4]通过监测尾矿库的日常浸润线在此基础上进行了动力稳定性分析，定量的计算了尾矿库溃坝时下游的受灾范围及致灾程度。吴远亮[5]采用非线性黏弹性模型进行动力与渗流耦合对尾矿坝进行了分析得出渗流对节点存在渗透系数越大、加速度反应越小等结论。刘婉茹[6]利用动三轴仪确定尾矿砂的动强度和动力参数，并在此基础上研究地震下坝体内水平及垂直加速度的变化对坝体的水平位移及孔压的影响。阮德修[7]对动载下尾矿坝位移、加速度、孔隙水压力进行了分析，研究尾矿坝在不同地震烈度下的敏感度。

国内外许多学者[8-11]也进行了类似的研究得到了很多有利结论。郝彦冰等[12]通过地脉动及强震记录的频谱分析，研究了场地土层结构和场地频谱特性的对应关系。张家荣等[13]利用有限元软件分析总结了在防渗设施下的渗流规律，但是针对尾矿库坝体加高扩容工况下的动力分析研究鲜见。以周家沟尾矿库为工程背景研究了随着尾矿坝坝体加高，地震作用对尾矿坝动力稳定性的影响，为类似的尾矿坝加高扩容设计及施工提供一定的技术参考。

1 工程概况

平泉小寺沟矿业有限公司周家沟尾矿库位于河北省承德市平泉县南五十家子镇南山村东侧约700 m处的周家沟内，周家沟呈南—北走向，沟口朝向北，山沟上游发育多条支沟，沟内植被良好。

图1 尾矿库地理位置图

现状尾矿库总坝高为84.0 m，总库容910×104m3，为三等库。堆积坝采用上游法筑坝，坝顶标高为734.4 m，堆积坝高54.9 m，外坡平均坡率为1∶5.3。现状堆积坝顶有一期子坝，采用干尾砂堆筑，顶标高为736.0 m，较库内滩面高2 m。现状库内滩面向库尾倾斜，坡比为1%，表层设置300 mm厚黄土覆面，现状库内无积水。设计方案将现状尾矿坝加高至标高785.0 m，加高高度为50.6 m。加高后尾矿库总坝高为134.6 m，总库容2 661×104m3，为二等库。

2 尾矿库动力稳定性分析方案

周家沟尾矿库属于二等库，坝体高，库容大，对不同堆积标高下的尾矿库进行动力稳定性数值模拟和分析评价。

(1) 根据库区所在场地特点计算采用实测的El Centro波、Taft地震波和人工合成地震波。

(2) 应用ABAQUS数值计算程序建立周家沟尾矿库库区及坝体的二维动力稳定数值计算模型，对尾矿库堆积标高达734.4 m(现状标高)、785 m时，进行洪水排渗运行工况下的二维动力稳定性分析。

3 库区数值计算模型的构建及参数的选取

3.1 建立数值分析模型

通过现场实地勘察，根据库区运行情况选取的典型计算剖面如图2中A-A′剖面所示。

图2 周家沟尾矿库典型剖面图

尾矿库堆积标高为734.4 m(现状标高)、785 m时，A-A'剖面的二维数值模型网格如图3所示。

图3 A-A′数值计算模型

3.2 动力稳定数值模拟计算参数的选取

根据勘察资料，尾矿库初期坝为堆石和废石压坡。库区尾矿堆积物主要为尾砂和尾粉质黏土，采用DDS-70微机控制振动三轴仪对砂土振动液化进行试验研究，根据实验结果并参照本地区尾矿库经验参数用于尾矿库动力稳定分析计算，各岩土层力学参数见表1和表2。

表1 尾矿材料的基本物理力学指标

表2 尾矿材料的动力物理力学指标

4 坝基地震动参数与地震波选取

考虑坝体的几何特征、力学参数与地震过程中坝体的动力反应与液化危险性的相关性，同时考虑直接与基岩输入地震动的组成特性有关。根据库区场地的地震危险性分析结果确定动力计算所需的设计地震动参数[14]，主要包括基岩地面运动最大(峰值)加速度(Sv/Sh=0.5、Sh=170 Gal)、地震持续时间(T=16 s)。

考虑坝体可能遭遇地震作用时间的不确定性，采用等效线性模型来反映尾矿坝在地震荷载作用下的应力与应变关系，采用实测El Centro波和Taft地震波按设计峰值地震加速度和振动时间进行调整得到基岩输入地震时程曲线；按照现行《构筑物抗震设计规范》[15](GB50191—2012)规定的生成一条人工地震波曲线，地震波时程如图4所示。

图4 地震波时程曲线与反应谱曲线

由图4(d)可看出，三条地震波反应谱与设计反应谱曲线基本一致说明选取地震波合理。本文主要采用人工合成的地震波时程曲线对尾矿库堆积标高734.4 m(现状标高)、785 m时进行动力稳定性分析。

5 动力稳定数值模拟结果分析

5.1 地震过程中尾矿库动力反应分析

在进行动力分析前先分析尾矿库各单元静应力水平都小于1可以保证计算剖面的静力平衡稳定。从地震过程中最大动剪应力分布云图图5、图6可以看出最大剪应力集中在尾矿库的坝顶底部区域，剪应力集中区域随着坝体的加高由初期坝向坝顶方向扩展。

图5 堆积标高为734.4 m时最大动剪应力分布

图6 堆积标高为785.0 m时最大动剪应力分布

从图7、图8可以看出尾矿坝坝顶标高734.4 m时最大加速度为1.5 m/s2，方向为水平方向，加速度放大系数为1.5；从图9、图10可以看出，尾矿坝坝顶标高785.0 m时最大加速度为1.1 m/s2，方向为水平方向，加速度放大系数为1.1。

图7 堆积标高为734.4 m时坝顶水平加速度反应

图8 堆积标高为734.4 m时坝顶竖向加速度反应

图9 堆积标高为785.0 m时坝顶水平加速度反应

图10 堆积标高为785.0 m时坝顶竖向加速度反应

5.2 尾矿库残余变形分析

人工地震波作用下尾矿库残余变形云图见图11、图12。由图11、图12可以看出，不同坝体标高下尾矿库典型剖面上的残余变形形状对比通过放大尾矿库的残余变形，可看出残余变形较大的区域集中在坝顶附近。

当坝体标高为734.4 m、785.0 m时，尾矿库最大残余变形为0.20 m和0.30 m；根据设计单位提供的调洪验算可知，堆积标高为734.4 m、785.0 m时，尾矿库的最小安全超高分别为2.50 m、2.70 m，根据规范地震壅浪取1.00 m和1.40 m时，震后尾矿库的最小安全超高大于1.30 m、1.40 m满足相关规范对最小安全超高的要求。

图11 标高为734.4 m时残余变形图

图12 标高为785 m时残余变形图

5.3 尾矿库液化区分析

图13、图14图中灰色区域为液化区。由于浸润面埋深较深，浸润线以上部分为非饱和状态，液化分布在沉积滩的饱和区域。

标高为734.4 m时尾矿库堆积坝体内未出现液化对尾矿坝稳定性影响较小。标高为755.0 m时液化区主要包含两部分区域，一部分分布在尾矿库堆积坝内，一部分分布在沉积滩的饱和区域。考虑到尾矿坝部分区域发生了液化，需要对液化后尾矿坝稳定性进行分析。

图13 标高为734.4 m时液化区分布

图14 标高为785.0 m时液化区分布

5.4 液化区稳定性分析

根据人工合成波作用下尾矿库液化区的分布特点，所建立的液化区稳定计算模型如图15所示，图中阴影部分为液化区。

图15 标高为785.0 m时液化坝体稳定计算模型

根据地震过程中尾矿坝加速度反应，选取坝体加速度反应最大时刻坝体加速度分布，根据相关规范要求，采用瑞典圆弧法计算得到液化区附近区域和液化坝体主断面整体最小安全系数如图16和图17所示。

图16 液化区附近局部区域的最小安全系数

图17 液化坝体整体最小安全系数

计算所得的最小安全系数满足规范要求，堆积标高为785.0 m时地震作用下液化区坝体抗滑稳定安全系数满足规范要求[16]。

6 结 论

(1) 随着尾矿坝坝体的加高，地震作用下最大剪应力集中在尾矿库的坝顶底部区域，剪应力集中区域随着坝体的加高由初期坝向坝顶方向扩展。坝顶最大加速度减小，方向为水平方向，加速度放大系数减小。

(2) 随着尾矿坝坝体的加高，尾矿库最大残余变形增大，较大的部位集中在坝顶。应注意残余变形较大值附近尾矿坝的施工质量，避免残余变形过大导致尾矿坝出现裂缝。

(3) 随着坝顶的加高尾矿库液化区将发生变化，要注意坝顶加高后尾矿坝部分区域发生的液化对尾矿坝稳定性的影响。

(4) 从地震作用下液化区分析结果来看，堆积坝液化区出现在浸润线埋深较浅的区域附近，应特别注意该区域的尾矿坝施工质量，在筑坝过程中，避免该区域坝体上升速度过快，同时在筑坝过程中增加该区域尾矿砂的压实度，在出现液化区位置建议采取相应工程措施，增加尾矿坝材料的相对密度，从而减小尾矿坝的液化区，增强尾矿坝的动力稳定性。

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Analysis of the Higher Capacity Tailing Dam under Earthquake Action

JIA Huihui

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde,Hebei067000,China)

Taking the Zhou Jia Gou tailing Dam as an example this paper developed a two-dimensional numerical model, based on which the earthquake effect influence on the stability of the tailings dam as the fill dam be heightened was analyzed. According to the area venues reservoir, we used the ElCentro wave and Taft wave synthetic artificial seismic wave to analyze the dynamic stability of the tailing dam which include the following aspects the maximum dynamic shear stress distribution, the top level of acceleration response, the residual deformation of tailings and the reservoir of liquefied area change tendency. The results show that as the dam heightening the maximum shear stress concentration in bottom of dam area and extend in the direction early dam to the dam crest; the crest maximum acceleration and the magnification coefficient decreases and the residual deformation of tailing dam increase and Large area appears near the dam crest. As the dam heightening tailings liquefied area will change, therefore more attention should be paid in engineering after heightening dam of the tailing dam area of the occurrence of liquefaction effect.

tailing dam; dynamic stability; dynamic characteristics; seismic wave; liquefaction evaluation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.031

2017-04-17

2017-05-15

贾会会(1983—)，男，河北宽城人，硕士，工程师，主要从事岩土工程、地下工程领域的设计、研究及稳定性分析工作。 E-mail：magic-jia@163.com

TV649

A

1672—1144(2017)04—0157—05