考虑渗流与应力耦合作用的尾矿坝稳定性分析

岳滨

摘要：根据尾矿库的现场实测的工程条件，采用非线性有限元软件ABAQUS建立某断面的二维数值模型。结果表明：浸润线从内侧坡面至下游外侧临空坝面逐渐降低，经过初期坝后下降明显，溢出点在下游坝趾上约10m处。现在标高下尾矿坝的安全系数为1.63，最小系数的滑面位于坝体外侧的中上部，近似圆弧滑动；最小安全超高下的终高尾矿坝安全系数为1.43，不稳定区域扩大，渗流溢出点在坝趾上约25m。均大于规范最小安全系数1.25。因此该尾矿坝的处于安全状态。

Abstract： According to the engineering conditions measured in the tailings dam field， a two-dimensional numerical model of a section was established by nonlinear finite element software ABAQUS. The results show that the infiltration line gradually decreases from the inner slope to the downstream outer dam， and then drops obviously after the initial dam. The overflow point is about 10m on the downstream dam toe. At present， the safety coefficient of the tailings dam under elevation is 1.63. The minimum coefficient slip surface is located in the middle and upper part of the outer side of the dam， sliding approximately in the same way. The safety factor of tailing tailings dam with minimum safety height is 1.43， the seepage spill point is about 25m above the dam toe. Both are greater than the standard minimum safety factor of 1.25. Therefore， the tailings dam is in a safe state.

关键词：尾矿坝；渗流与应力耦合；极限平衡法；ABAQUS；稳定系数

Key words： tailings dam；seepage and stress coupling；limit equilibrium method；ABAQUS；stability coefficient

中图分类号：TV698.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0177-03

0 引言

尾矿坝边坡安全性分析是边坡工程中的重要研究范围，其研究方法主要有两类：极限平衡法、有限元（数值）法。李亚俊[1]等利用FLAC软件对尾矿坝进行数值模拟，得到安全系数，为安全生产提供保障。本文通过ABAQUS软件考虑渗流与应力相互影响，结合强度折减有限元法的原理对某尾矿库进行坝体稳定性计算，对坝体的安全进行评价[2]，提出监测以及相对应治理措施。

1 工程概况

该尾矿库为山谷型尾矿库，初期坝为黏土斜墙砌石坝，高38m，顶宽度为10m，坝基标高72m。后期堆积坝利用选矿的尾砂进行中线法分层堆筑，坝体最终高度为208m，内坡平均比1：2.5，外坡平均比1：3。按照《尾矿库安全技术规程》[3]，该尾矿库属于二等尾库。当前的堆筑坝为12期子坝，坝高177m，外坡比是1：1.53，顶宽40m。干滩呈弧形，长300m，库内废水标高为218m，坝体外侧出现溢流，水量不大。

根据企业工勘资料，该尾矿坝自上而下划分为尾矿砂、粘土堆石（初期坝）、千枚岩（基岩）。对坝体采样进行的室内试验，得到如表1、2、3所示的数值模拟所需的力学参数。

2 坝体安全稳定性的ABAQUS数值计算

2.1 渗流稳定性计算与分析

浸润线[4]的计算对尾矿坝的安全稳定性十分重要。根据实测的数据与模拟结果相对比，分析浸润线的变化规律。

尾矿库采用孔隙流体/应力单元，在property模块中，将模型各分层定义不同的材料属性，并依次划分为四面体网格，网格单元选择四节点平面应变孔压单位。渗流网格模型图如图1所示。

在该模型中不考虑土体应力状态的改变对渗透系数的影响，也不考虑渗流状态的改变对岩土强度参数的影响。

①近况下坝体内的孔压等值云图2所示。

由图2、3可知，孔压为零的面为尾矿坝的浸润线，浸润线的右上方孔压为负值，意味着非饱和区，左下方孔压为正值，则说明该区域为饱和区。坝体外侧溢出点在坝底以上10m左右，与实际情况相符合。

②最小安全超高下的终高尾矿坝运行条件下浸润线计算：结果见图4。

由图4可知，和现状尾矿坝相比，随着坝体加高，孔压自上而下逐渐增大，饱和线（浸润线）上移，下游溢出点上移，约在25m。可能会对坝体产生渗流破坏与溢出。

2.2 应力及位移分析

建立尾矿坝二维有限元静力分析模型，结合强度折减理论，对库内蓄水时进行模拟，得到位移场分布情况。

由图5可见，蓄水将引起内侧坝体微抬，外侧坝体有向下的位移增量，竖直方向的位移变形较水平方向的位移变形显著。因此，当汛期库水位升高时，下游坝体也将产生水平及竖向位移增量，对坝体稳定性不利。

2.3 各种标高下的稳定性计算结果

①现状尾矿坝渗流与应力耦合的数值模拟结果。

正常运行坝体稳定性最小安全系数的塑形云图及对应位移云图见图6。

在正常工况下（干滩现在长为300m，蓄水位为146 m），数值模拟的结果如图6所示，最小安全系数为1.63，稳定系数高于规范中要求的最小值。故可以判断现在状况下的尾矿坝是安全稳定的。

②最小安全超高下的终高尾矿坝的稳定性计算结果。

尾矿库设计的最终堆筑标高为280m（实际最高为208m），坝高大于100m且总库容超过8.35亿m3，该尾矿库的等别为二等，防洪安全超过按最低标准3.5m考虑。此时工况下坝体稳定性最小安全系数的塑形云图及对应位移云图见图7。

坝体终高时洪水条件下（最高水位+坝体自重），根据强度折减法，得到的安全系数为1.43。稳定性计算结果高于规程中的最小值，因此，可以判定最小安全超高下的尾矿坝是安全稳定的。

3 结论

①用ABAQUS软件对尾矿坝进行了模拟计算，通过等压云图，获得了其现状浸润线特点，浸润线从内侧坡面至下游外侧临空坝面逐渐降低，经过初期坝后下降明显，溢出點在下游坝趾以上约10m处。

②最小安全超高下的终高尾矿坝安全系数为1.43，不稳定区域扩大，渗流溢出点在坝趾以上约25.0m。

③现状及设计终高时尾矿坝体的最小稳定系数均大于规范中规定的二等坝的安全系数1.25。实际监测中，坝体中上部位有发生小规模的滑塌，对坝体稳定影响不大。

参考文献：

[1]李亚俊，张志军，刘玄钊，等.某尾矿坝稳定性的FLAC模拟分析[J].南华大学学报（自然科学版），2013（04）：23-27.

[2]易丽平.尾矿坝渗流稳定性分析及监测技术研究[D].中南大学，2010.

[3]于广明，宋传旺，潘永战，等.尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势[J].岩石力学与工程学报，2014（S1）：3238-3248.

[4]王飞跃，杨铠腾，徐志胜，等.基于浸润线矩阵的尾矿坝稳定性分析[J].岩土力学，2009，（03）：840-844.endprint