有限元在尾矿堆积坝体稳定性分析中的应用

张 新

（贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550003）

在实际生产过程中，旧堆场的闭库之后，尾矿资源所开发利用时，需挖方运移所产生的边坡大多在10-25m 间，但当遇到由于施工场地狭窄，不具备放坡条件的边坡，此类尾矿坝体边坡的支护形式、坡高比如何选择，在相关的边坡技术规范里没有明确的规定，并且计算方法至今还不成熟，计算高度也大大超过了规范要求。所以对尾矿边坡的高切坡研究是具有指导和参考价值的。

1 工程地质概况

（1）场区概况。某尾矿堆场堆积物为生产所产生的废弃尾矿，初始坝为堆石滤水坝，坝顶宽度5m，坝顶高程894m。尾矿堆场总体呈南东—北西块状展布，长约1200m，平均宽约700m，高度约75，面积约90 万m2，填埋高程870m～942m，有效库容约2875 万立方米，目前尾矿堆积高程约930m，筑有8 级子坝。目前尾矿堆积高程约925m，如图1 所示。

图1 尾矿堆场坝体局部

（2）尾矿物理参数选取。从现场勘察取得的74 个尾矿样，对所采取的尾矿样用于指标及分类试验、强度试验、有效孔隙确定和透水性测试，并且取样4 件一组对其进行固结不排水（CU）静三轴剪切试验，固结不排水剪为试样先进行饱和（采用反压饱和）、其饱和度大于97%厚分别在不同周围压力100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下进行固结，固结完成后在不排水条件下试验分别按不同围压100KPa、200KPa、300KPa、400KPa 下，施加轴向压力进行剪切直至破坏。据测试结果得出下表：试验结果统计表如下：

表1 试验数据统计表

2 Midas GTS数值模型建立

2.1 软件介绍

Midas GTS 数值模拟分析软件是目前国内主流的一款适用于大型边坡模拟的数值分析工具，其软件自带国内外各种经典的本构模型，满足任何工况下的模拟分析，并且软件的可靠度已经通过国家权威机构认定，在本次模拟计算中，为了方便对边坡进行设计与内力验算，决定采用弹性力学经典的分析方法-结构—荷载法。本次模拟的尾矿大型坝体边坡由于具有遇水膨胀的特性性，因此在进行结构分析时，将结构的热传递单元DC3D6 转化为其对应的结构分析3D stress 单元类型，即C3D6R，锚杆钢筋由热传递单元DC1D2 转化为结构分析单元Truss 单元类型，即T3D2。

2.2 边界条件的设置

下面对尾矿在重力荷载的静压力下二维稳态受荷模型的边界条件处理如下。

其中，Tport为坝体内边界进出口温度；T0为坝体外界环境温度。为便于模拟结果的对比，并且根据以往的相似模拟实验温度值，并考虑到施工工况的影响，将坝体外界环境与入口处初始温度设置为 22℃。

（2）巷道内外墙壁边界条件。根据以往模拟经验，本次模型的边界条件将坝体结构内侧与外侧围岩接触面按第三类边界条件处理，数学表达式如下：

（3）位移边界。根据假设，岩体两侧侧压力相等，因此边界条件设置为对称边界，即限制Y 轴和Z 轴的旋转自由度，与X 轴的位移自由度。

2.3 分析步设置

在Midas GTS几何模型材料及网格划分完毕后，选用静力分析步中的边坡静力分析。根据经验将总计算步长设为1500，增量为1；初始条件下将所有节点温度设置为25℃，并且从第一步开始开始加载，增量为1，并将前面计算分析得到的温结果加载到有限元分析的模型之中。数值模型建下图2所示。

图2 数值模型建

3 计算结果分析

图3 天然工况下最大剪应变云

图4 天然工况下总位移云

图5 降雨工况下最大剪应变云

图6 降雨工况下总位移云

计算结果分析：总体上看坝体尽管高度较高，但是总体相对稳定；由上面模拟计算可知，尾矿边坡的主要剪应变集中区域在边坡的后缘，这是由于在堆积过程中后面坡度较前缘陡很多，并且堆积较松散；相反由于前缘坡度减缓所以剪应变小，没有形成明显的滑裂带。在应变图上可以看出滑坡前缘有局部地区剪应变值较大，这是因为滑坡前缘临空，受到后缘和中段较大的下滑力作用，且地层分界差异较大。

从图中可以看出，自然条件下滑坡的最大剪切应变为0.13，降雨条件下的剪切应变为0.35。随着剪切应变值的增加，地质滑坡的稳定性大大降低。模型在自然条件下的上部岩土的剪切应变基本为0.06，在降雨条件下模型的上部岩土的剪应变值基本上为0.1，表明在降雨条件下，雨晕增加。

Midas gts 中的位移云图看到尾矿坝体在不同位置的变化。这里需要说明的是，云图中的位移值不是实际的滑坡位移值，而是尾矿矿物在多次降低指标后尾矿坝体破裂时形成的位移，这与现实中滑坡的真实位移不一致。在不同的收敛指标下，计算步骤不同，最终位移值也不同。因此，位移云图仍然是研究滑坡稳定性和变形破坏的重要内容。

4 计算结果与现行规范计算结果校核

在充分考虑地质研究区域野外原位测试、室内常规试验、直剪试验等各种试验条件的基础上，并结合各层岩土的天然重度γ、饱和重度γsat、粘聚力c 和内摩擦角φ、水下粘聚力c 和水下内摩擦角φ，分别分析正常运行状态与洪水运行状态（饱和状态）时，尾矿堆积坝的稳定性，依据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）5.2.3，采用瑞典圆弧滑动法，在不考虑地质边坡变化荷载影响的情况下，用“理正岩土计算5.0 版”算各坡体的稳定性，计算时考虑了地下水的渗透力，并采用瑞典条分法结合总应力法：

表2 坝体稳定分析计算成果表

因《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）中3 级坝体的抗滑稳定最小安全系数（瑞典圆弧滑动法）在正常运行下为1.20，在洪水运行下为1.10，由表12 可看出该尾矿堆积坝不论是正常运行时还是洪水运行时坝体的抗滑稳定安全系数均大于规范要求。

5 结论与建议

（1）通过计算结果可看出，该初始坝的抗稳定性较好，安全系数较高，这与有限元计算结果相吻合。

（2）由模拟计算可知降雨工况下，尾矿坝体最大剪应变急剧增大，因此应警惕暴雨对坝体稳定性的影响。

（3）本文的三维模型效果较好，其建模参数和网格划分以及计算结果均可以作为相同类型项目作为参考。

（4）建议干堆尾矿边坡必须控制堆积高度（小于25m），并沿整个坡体面均匀分布堆积；必须布置排渗设施，随时保持堆积顶部工作面的平整；应在坡顶工作面前沿临空面后退30m 设安全警戒线；雨季（下暴雨）必须停止进行尾矿的堆填作业，将人员及机械设备退后至安全警戒线以外；对坝体进行变形观测、浸润线的观测以及初始坝的渗流进行检测，定期（每增加二级）对坝体稳定性进行复核验算；坝体在做堆积时严格采用设计的上游坡和下游坡比；进一步完善坝面排水沟和植被覆盖或绿化、坝肩截水沟、观测设施。