地震作用下高尾矿坝动力稳定性分析

2021-06-30李峥祥于忠锋

现代矿业 2021年5期

李峥祥于忠锋

（长沙有色冶金设计研究院有限公司）

尾矿库是用以贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所。尾矿坝是指拦挡尾矿和水的外围构筑物，通常指初期坝和尾矿堆积坝的总体［1］。尾矿库是重大危险源，存在坝体失稳破坏的可能，这将会威胁周围居民及设施安全，带来诸多环境和灾害问题［2］。尾矿库在地震作用下，砂土、粉土等的液化导致抗剪强度降低，更容易发生溃坝。国内外专家进行了广泛研究，如Newmark［3］、Seed［4］、Finn、美国国家研究委员会NRC、谢定义［5］、Ishihara［6］，这些研究为地震作用下坝体动力稳定性提供了理论基础。本文采用加拿大岩土软件公司的Geo-studio软件进行动力稳定性分析，对现行尾矿库安全性做出评价，以期为其他尾矿库安全设计提供参考。

1 尾矿库基本情况及数值模拟计算

1.1 尾矿库基本情况介绍

某高尾矿库位于河南西部山区，属于山谷型尾矿库，初期坝为碾压堆石坝，设计坝顶标高1 270 m，坝高60 m，坝顶宽4 m，上下游坝坡坡比均为1∶2.0，坝轴线长约160 m；后期采用尾砂上游法筑坝，标高1 270～1 370 m尾砂平均堆积边坡为1∶4；标高1 370 m至最终堆积标高1 470 m尾砂平均堆积边坡为1∶5，总堆积高200 m，尾矿库总坝高260 m，总库容约4 270×104m3，有效库容约3 850×104m3，为二等库。根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）要求对尾矿坝抗滑进行专门的动力抗震计算。

1.2 尾矿坝有限元模型建立

坝体抗滑稳定计算采用Geo-Studio软件进行分析，计算采用该软件中的Slope模块。根据工勘资料，选取位于尾矿库主沟底的铅直剖面为计算剖面，浸润线情况采用工勘实测资料，取底面高程为+1 181 m，顶部高程为+1 351 m，水平距离为810 m，建立计算有限元模型，有限元网格共有5 956个节点，6 868个单元，具体有限元网格剖分见图1。

1.3 计算参数的选取

根据工勘资料给出了尾矿库各土层物理力学参数的建议值。其中尾粉质黏土的内摩擦角建议值为22°，高于规范上的建议值16°，说明该尾粉质黏土固结情况较好，其物理力学参数在固结过程中有所提高，参考相关工程经验偏安全考虑，本次尾矿库坝体稳定计算时尾粉质黏土内摩擦角按20°考虑，动力计算时初期坝及尾砂的物理力学指标见表1。

1.4 地震加速度的输入

该库区所处地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第1组。根据《构筑物抗震设计规范》（GB50191—2012），6度地震区的2级尾矿库在坝体稳定计算时可只考虑水平向地震作用。在进行本次坝体动力计算时，采用与该场地条件相近的一条水平向地震波，地震波时间间隔均为0.02 s，其地震波持续时间为16 s，并将地震加速度时程的峰值调整为场地基本加速度值0.05g，再作为输入地震波曲线。计算采用的地震波形见图2。

2 动力分析计算结果及分析

2.1 反应加速度

坝体不同时刻同一位置加速度反应不同，坝体不同位置同一时刻地震加速度反应亦不同。选取地质加速度最大时刻7.86 s，加速度比较大的位置集中在初期坝上游坝坡和堆积坝坝顶正下方库底尾粉土层；最大加速度值为0.084g，位于初期坝上游坝坡面中部，坝体各点加速度响应分布见图3。

2.2 位移变化

地震作用下从堆积坝坝坡顶部向堆积坝坝下游和库尾方向水平向位移逐渐减小。坝体水平向位移随土层埋深增加逐渐减小，最大水平向位移为0.006 6 m。坝体水平向位移分布见云图4。

2.3 液化分析

砂土或粉土受地震力作用，土体积缩小、孔隙压力剧增，从而使有效应力减小。土抗剪强度迅速减小或完全丧失抗剪强度，土体像液体一样流动或喷出地面，形成液化［7］。经过计算，尾矿坝在峰值加速度为0.05g的水平地震波作用下不会发生液化，循环应力比分布见图5。根据坝体循环应力比分布图可知，在初期坝下游浸润线逸出处周围及堆积坝库尾沉积滩处是易液化区。在尾矿库运行中，应注意降低初期坝下游浸润线以提高坝体稳定。上游库尾容易液化区范围较小且距离坝体较远，对坝体稳定影响较小。

2.4 安全稳定性分析

在持续一定时间的地震波作用下，地震惯性力的方向和幅值都随时间不断发生改变，坝坡的瞬时安全系数和临界破坏面的位置与形状都随时间不断变化。为了较为准确地模拟地震作用下坝坡稳定的时间效应，就需要对坝体进行时间域上的动力有限元分析［8］。图6给出了尾矿坝坝坡抗滑稳定最小安全系数随时间变化的时程曲线。由图6可见，时间0 s时，安全系数为1.719，之后安全系数一直维持在1.430～1.438，均大于《尾矿设施设计规范》地震工况下最小安全系数1.15。安全系数最小值出现在16 s，地震各历时安全系数均大于1.0，地震过程中不会发生瞬时失稳滑动，该尾矿库为正常库。