尾矿坝地震液化简易分析方法研究
2021-03-08王立彬刘新刚田文高王明明
王立彬 蒙 萌 刘 硕 刘新刚 田文高 王明明
(1.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司；2.铜源国际工程设计研究有限公司；3.鞍钢矿业有限公司齐大山选矿厂)
我国绝大多数尾矿库均采用上游法筑坝，上游法尾矿坝一般采用水力冲积法筑坝，坝体浸润线一般均较高，大部分坝体处于饱和状态，地震时易发生液化，导致坝体破坏失稳。鉴于尾矿坝地震液化带来的重大危害，尾矿坝地震液化问题已成为尾矿库工程抗震研究的一个热点课题[1]。目前，我国尾矿坝地震液化稳定分析主要有简化判别法和有限元数值分析法[2]。简化判别法相对简单，但现有简化方法考虑的因素较多，计算过程相对繁琐；数值分析法相对复杂，对于一般设计人员及工程技术人员不易掌握应用，且数值分析法不易寻求合理的本构关系，也不方便正确地选取土层物理力学参数，计算结果定量应用目前还存在一定的困难[3]。上游法尾矿坝发生液化的主要原因是饱和坝体(浸润线以下坝体)在地震波作用下，产生的超静孔隙水压力大于浸润线以上坝体的有效覆盖压力。有关计算结果表明，坝坡非液化上覆土层的存在对尾矿坝体有减震效果[4]。本研究通过计算尾矿坝浸润线埋深，判定尾矿坝是否发生地震液化，此方法易于设计人员及工程技术人员掌握应用，可为尾矿坝地震液化分析提供参考。
1 有效覆盖压力
有效覆盖压力是指尾矿坝体浸润线以上尾矿砂的有效质量。上覆尾矿砂厚度越大，有效覆盖压力就越大，有效覆盖压力越大越不容易发生地震液化。只有当下部饱和尾矿砂聚集起的超静孔隙水压力大于上覆尾矿砂的有效压力时，下部饱和尾矿砂才可能发生震动液化。埋深大的饱和尾矿砂较埋深小的饱和尾矿砂难以液化，对于直接出露于外坝坡的饱和尾矿砂最易液化[5]。有效覆盖压力参考界限值按表1选取。
表1 砂土液化界限值参考[6]
有效覆盖压力可按下式计算(见图1)：
图1 有效覆盖压力
σ=(Hs-h0)γf+h0γs，
(1)
式中，σ为有效覆盖压力，t/m2；Hs为饱和尾矿砂埋置深度，m；h0为坝体浸润线深度，m；γf为饱和尾矿砂的浮容重，t/m3；γs为饱和尾矿砂的湿容重，t/m3。
2 计算实例及结果分析
2.1 工程概况
某尾矿库为山谷型尾矿库，初期坝为透水堆石坝，坝高18.0 m，坝底标高157.0 m ，坝顶标高175.0 m，尾矿坝最终堆积标高230.0 m，总坝高73.0 m，计算总库容为275.86万m3，等别为三等库。库区内地层结构自上而下分别为第四系覆盖土层、太古界迁西群三屯营组二段角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩。场区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。
2.2 模型建立
该尾矿库入库尾矿粒度组成见表2。新建尾矿坝断面根据颗粒粗细程度和尾矿的固结度进行概化分区[7]，建立有限元分析计算模型见图2，模型参数见表3。
表2 尾矿粒度组成
图2 计算模型
表3 模型参数
2.3 坝体浸润线计算
库内控制水位由调洪演算确定，计算采用河海大学开发的AutoBank 7.0软件，计算成果见图3。
图3 坝体浸润线计算成果
2.4 有效覆盖压力计算
根据坝体浸润线计算成果图，可确定坝体浸润线最小埋深为6.25 m及对应饱和尾粉砂埋置深度为13.54 m，将各参数带入上述公式，可得：
σ=(Hs-h0)γf+h0γs
=(13.54-6.25)×0.87+6.25×1.85
=17.90 t/m2=1.79 kg/cm2.
根据计算结果可知，σ=1.79 kg/cm2，大于表1中所查得的数据1.0 kg/cm2，故可初步判定该坝体不存在地震液化现象。
2.5 坝体地震稳定分析
根据《构筑物抗震设计规范》[8](GB 50191—2012)要求，尾矿坝地震稳定分析采用拟静力法，按圆弧法进行验算。计算采用瑞典圆弧法和总应力法，计算参数见表3，计算成果见图4。
图4 坝体地震稳定计算成果
由计算结果可知，坝体地震稳定计算最小安全系数Fs=1.131大于规范[8]所要求的最小安全系数1.10，由此表明，在地震运行工况下，坝体抗滑稳定安全系数满足规范规定的要求。
3 结论与建议
本研究介绍了一种尾矿坝地震液化简易分析方法，即通过确定尾矿坝浸润线埋深，计算坝体浸润线以下饱和尾矿砂层的有效覆盖压力，当下部饱和尾矿砂聚集起的超静孔隙水压力大于上覆尾矿砂的有效压力时，下部饱和尾矿砂才会可能发生震动液化。此方法易于设计人员及工程技术人员掌握应用，可为尾矿坝地震液化分析提供参考。当下部饱和尾矿砂聚集起的超静孔隙水压力大于上覆尾矿砂的有效压力时，可采取以下措施减少和防止地震液化的可能性：①对尾矿堆积坝设置有效的排渗设施，以降低坝体浸润线，加速尾矿砂层固结，增加密实度；②采取尾矿分级措施，可增加尾矿透水性，加速坝体固结；③在尾矿堆积坝坡上加压废石增加有效覆盖压力，可提高抗液化能力。
