有限元强度折减法在尾矿坝稳定分析中的应用

2019-12-14刘艺

中国金属通报 2019年11期

刘艺

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

尾矿库是金属非金属矿山的重大危险源，安全问题已成为各国政府和矿山企业所关注的重大课题。据有关资料分析，洪水漫坝、溃坝、排洪系统失效、渗流破坏、边坡失稳、地震液化等，都是尾矿坝的主要致险因素[1]。其中大约40%的尾矿坝事故是由渗流破坏和边坡失稳引起的。例如，1997年10月22日，美国BHP铜业公司饿尾矿坝边坡失稳，导致23万m3尾矿下泄；1962年9月26日云南锡业公司火谷都尾矿坝溃坝事故，是由第二期坝的修改，未做稳定验算，坝坡太陡，坝体断面单薄引发的[2]。新版的尾矿设施设计规范对尾矿坝的稳定计算问题提出更高的要求。因此，研究尾矿坝的边坡稳定问题至关重要。本文应用Midas-GTS软件对尾矿坝二维、三维稳定进行了计算分析，为今后的尾矿坝的设计提供参考。

尾矿坝的稳定评价方法大体上分为极限平衡法和数值分析法。极限平衡法有瑞典圆弧法、毕肖普法、萨尔玛法和摩根斯坦—普莱斯法等，其原理简单，实用性强，有多年设计经验的积累，在工程上应用最广泛的是瑞典圆弧法和毕肖普法；数值分析法有限单元法、离散元法、边界元法等，其通过建立数学模型，选择材料的本构关系来模拟求解坝体的应力应变值，然后再按照一定的准则，判断并给出坝体的稳定性区域等指标，在工程上应用最广泛的是有限单元法。

1 有限元强度折减法的基本原理

极限平衡法是土坡稳定分析中的传统方法，基于强度折减的有限元法用于边坡稳定分析是较新的方法。有限元强度折减法的基本原理[3]是将坡体强度参数粘聚力C和内摩擦角值同时除以一个折减系数F，得到一组新的C1、值，即经过折减后的抗剪强度指标为：

2 尾矿库概况

某尾矿库属于山谷型尾矿库，该尾矿库初期坝坝顶宽5.0m，坝轴线长120.0m，坝高10.0m，上游平均坡比为1：2.2，下游平均坡比为1：2.5。堆积坝高60.0m，坡比为1：4.5，滩长400.0m，平均坡比1：100，洪水期最小干滩长70.0m，正常运行期最小干滩长200m，属于三等尾矿库。尾矿库区松散土层为第四系人工尾矿堆积物，以尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土为主，基底及岸坡地层为第四系残坡积、冲洪积成因的碎石土、卵石等组成。尾矿坝堆积体分区复杂，根据颗粒粗细程度和尾矿固结度以及参考徐宏达教授级高工的概化分区方法[4]进行区域划分，图1为尾矿坝典型剖面。

图1 尾矿坝典型剖面

3 物理力学参数的选取

岩土体物理力学参数选取是影响边坡稳定性评价的重要因素。经过现场工程地质调查、钻探、原位测试以及室内试验，结合类似工程经验，综合考虑选取了岩土体的物理参数。

本次模型计算主要采用的物理力学参数见表1。

表1 计算采用的物理力学参数

4 模型的建立

边坡岩土体的本构模型采用修正莫尔-库伦模型。模型采用实体单元中的高级单元划分网格，在上部加密网格尺寸，有利于提高有限元计算结构的准确度。

结合坝体材料分区，采用Midas-GTS岩土工程分析软件进行大坝的建模并剖分网格。建立计算模型坐标系，规定为：X轴为沿水平方向，垂直于初期坝坝轴线，指向上游为正，取初期坝外坡坡脚为坐标原点；Y轴为垂直方向，向上为正，取初期坝外坡坡脚为零点；Z轴为初期坝坝轴线方向，与沟谷正交，正方向指向左岸，取最右端断面处为Z轴零点。二维、三维有限元模型见图2、图3。二维网格共有节点22265，单元21854；三维网格共有节点76965，单元73500。

图2 二维模型网格

图3 三维模型网格

5 稳定计算结果分析

边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑形流动，有限元计算都不收敛，采用力或位移不收敛作为边坡破坏的判据是合理的。因此可把节点塑形应变或位移突变作为边坡失稳的依据。

根据边坡破坏的特征，边坡破坏是滑面上的节点位移和塑形应变将产生突变，滑动面在水平位移和塑形应变突变的地方，因此可以在MIdas-GTS程序的后处理中通过绘制边坡水平位移或者等效塑形应变等值线云图来确定滑动面。

图4 尾矿坝二维正常运行工况，Fs=1.68

图5 尾矿坝二维洪水运行工况，Fs=1.45

图6 尾矿坝二维特殊运行工况，Fs=1.32

图7 尾矿坝三维正常运行工况，Fs=1.82

图8 尾矿坝三维洪水运行工况，Fs=1.57

图9 尾矿坝三维洪水运行工况，Fs=1.43

从图4～图9的计算结果可知，该尾矿坝在正常运行和洪水运行下是稳定的。该尾矿坝二维、三维稳定计算结果规律一致，最危险滑裂滑裂区域位置基本相同，三维比二维计算的最小安全系数值略高，这主要是由于滑体的端部效应，二维稳定性分析简化为平面问题，无法考虑滑体端部的抗滑贡献，而三维稳定性则能够考虑这一有利因素，造成三维安全系数高于二维安全系数的现象。