地震作用下高尾矿坝动力稳定性分析

赵林长

Lm矿业公司尾矿库为山谷型尾矿库，初期坝顶标高440.0m，初期坝高38。堆积坝现状顶标高为600m，总坝高198.0m。尾矿库总库容为42900万m3，最终设计等别为二等。设计服务年限为32年。该尾矿库为我国东北地区坝高最大的一座尾矿库，对其地震作用的探讨具有典型的意义。

1 区域地质条件

1.1 区域地质

本区大地构造位置，位于兴安岭—内蒙地槽褶皱区（Ⅰ级）中伊春—延寿地槽褶皱系内（亚Ⅰ级），茂林—木兰地槽褶皱带（Ⅱ级）。区域内侵入岩大面积分布，构造发育，地层出露很少，呈孤岛状分布。

1.2 库区地质构造

据《LM钼矿尾矿库工程地质勘察岩土工程勘察报告》（地矿双城工程勘察院，2011年11月）相关资料显示，本区域构造以断裂构造为主，勘察区构造为北关—平安—鹿鸣—伊林压扭性断裂的次级构造，主要方向为NE、NNE两个方向，多表现为压性构造特点，主要表现为岩石破碎，局部见断层泥。在坝址区、尾矿库区及排洪系统，共33条断层。拟建库有9条断层穿过，但因都是压性断层，渗透性差，因而尾矿水难以渗至周边地层（并且周边地层渗水性也差），对周边环境基本没有影响。

1.3 水文地质

区内水文地质条件简单，地下水按含水层特征主要为第四系松散层孔隙潜水及基岩裂隙水两种类型。

1.3.1 第四系松散层孔隙潜水

主要分布于河漫滩区，含水层主要为粗砂、砾砂及块石（块石）层，厚度不大，一般为0.40m～1.30m，分布普遍，地下水埋深1.30m～3.10m，含水层透水性强，k=24.5m/d～28.4m/d。其补给来源主要靠大气降水、沟谷两侧基岩裂隙水及河水侧向的渗入；排泄以地下迳流和蒸发为主。

1.3.2 基岩裂隙水

主要分布在低山丘陵以及河谷下部的基岩裂隙中，受大气降水及第四系松散层孔隙水的补给，低山丘陵区地下水的赋存条件较差，河谷下部的基岩裂隙水，赋存条件较好。地下水埋藏较深，一般在0.40m～8.30m。地下水化学类型HCO3-Ca，总矿化度74.09mg/L～175.40mg/L，PH值7.14～7.80。地下水类型为HCO3-—Ca型水。

2 库区地层

据《LM钼矿尾矿库工程地质勘察岩土工程勘察报告》（地矿双城工程勘察院，2011年11月）相关资料显示，勘察所揭露的主要地层11层，亚层9层，场地各地层情况如下：

第①层：腐殖土：黑色，含植物根系；层厚0.10m～1.00m，层底深度0.10m～1.00m，层底高程397.72m～584.74m。

第②层：粉质黏土：黄褐色，可塑，含少量砾砂，局部分布。层厚0.20m～4.00m，层底深度0.60m～4.80m，层底高程399.92m～532.33m。

第②层：粗砂：黄褐色，中密，稍湿，主要矿物成分为长石、石英、云母，局部分布。层厚0.60m～0.80m，层底深度1.00m～2.70m，层底高程405.14m～409.09m。

第②2层：圆砾：黄褐色，中密，上部稍湿—下部饱和。砾石主要为花岗岩岩石碎屑。砂主要中粗砂，砂成分为长石、石英，局部分布。层厚0.50m～1.00m，层底深度1.10m～1.70m，层底高程406.61m～418.38m。

第③层：粉土：黄褐色，含少量细砂，局部分布，层厚0.50m～12.00m，层底深度1.00m～12.80m，层底高程400.92m～568.82m。

第④层：粗砂：黄褐色，中密，上部稍湿—下部饱和，主要矿物成分为长石、石英、云母，局部分布。局部夹少量黏土。层厚0.40m～6.50m，层底深度1.30m～7.00m，层底高程399.22m～564.72m。

第⑤层：圆砾：黄褐色，中密，上部稍湿—下部饱和，主要矿物成分为长石、石英、云母，局部分布，层厚0.50m～7.10m，层底深度2.10m～9.20m，层底高程392.16m～427.69m。

第⑤1层：粉质黏土：黄褐色，可塑，局部分布。层厚0.80m，层底深度3.70m，层底高程412.73m。

第⑥层：砾砂：黄褐色，中密，上部稍湿—下部饱和，主要矿物成分为长石、石英、云母。层厚0.60m～10.60m，层底深度1.10m～15.30m，层底高程388.52m～553.76m。

第⑥1层：碎石：杂色，中密，上部稍湿—下部饱和，母岩成分为花岗岩，层厚1.30m～13.50m，层底深度3.40m～21.00m，层底高程381.71m～546.18m。

第⑥2层：块石：黄褐色，饱和，母岩成分为花岗岩，层厚1.00m～14.30m，层底深度5.00m～22.60m，层底高程383.71m～529.87m。

第⑦层：花岗岩：全风化，黄褐色，呈砂状，散体结构，分布较普遍。为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚0.30m～20.90m，层底深度1.00m～24.00m，层底高程382.99m～584.14m。

第⑧层：花岗岩：强风化，黄褐色，为软岩，岩石的组织结构大部分被破坏，岩石碎块用手可掰开。为软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚0.50m～24.40m，层底深度1.90m～38.00m，层底高程361.89m～583.24m。

第⑨层：花岗岩：中风化，灰白色，岩石组织结构部分破坏，裂隙发育，岩芯多呈短柱状，局部为碎块状。为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅲ级。层厚1.00m～51.00m，层底深度2.60m～126.75m，层底高程312.40m～550.72m。

第⑨1层：花岗岩：中风化，灰白色，岩芯破碎，裂隙发育。岩芯多呈块状、少部分为扁柱状。为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。层厚0.50m～42.80m，层底深度10.00m～94.10m，层底高程323.92m～571.14m。

第⑨2层：碎裂花岗岩：灰白色，岩芯破碎，多呈块状，局部岩芯呈砂土状。为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚0.70m～87.60m，层底深度11.80m～173.30m，层底高程236.32m～485.49m。

第⑩层：花岗岩：微风化，灰白色，岩芯完整，呈长柱状，节理裂隙较发育，局部为块状。为较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅱ级。层厚2.00m～125.10m，层底深度20.00m～198.00m，层底高程203.72m～538.72m。

第⑩1层：花岗岩：微风化，灰白色，岩芯破碎，呈块状。为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。层厚2.70～20.40m，层底深度76.90m～186.00m，层底高程216.63～508.24。

第⑩2层：碎裂花岗岩：微风化，灰白色，岩芯破碎，呈块状。为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚4.60m～96.30m，层底深度175.00m～198.00m，层底高程213.01m～230.46m。

第11层：碎粉岩：灰白色，岩心呈粉砂状，含有粘性土。为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚0.20-14.60m，层底深度20.00m～35.30m，层底高程365.04m～378.53m。

3 尾矿坝动力稳定性实用计算方法

土体的动力稳定性，不仅包括一般意义上土体的强度是否避免发生滑移破坏，而且包括土体累积变形的程度是否会导致土体正常使用功能的丧失，应该满足“整体滑动不出现，累积变形不过量”的要求。因此，对土体从变形和强度两个方面作出稳定性的判断和检验是十分必要的。

目前，对尾矿坝动力稳定性的研究方法主要包括拟静力法和时程分析法两类。以往尾矿库工程设计中，对坝体动力稳定性的分析一般采用拟静力法。拟静力法是通过对地震惯性力进行简化而得到单一的安全系数，不能对尾矿坝的液化情况和永久变形进行分析，也不能反映出地震作用过程中尾矿坝稳定性随时间的变化情况。因此，采用拟静力法所得结果与实际情况往往有所出入。

时程分析法考虑了地震波特征（加速度、频率、时长等）和尾矿动力特性（动强度、动孔压、动模量和阻尼比等），模拟得到的尾矿动力反应与实际情况更为接近。但是，动力反应时程分析所得结果（应力场、应变场、孔压场等），并不能直接反映稳定与否及其安全度，仅仅是提供进行动力稳定性分析的依据。尾矿坝的动力稳定性分析需要以这些场为基础，进一步作出明确的检验和判断。

3.1 尾矿库基本情况介绍

Lm矿业公司尾矿库为山谷型尾矿库，初期坝顶标高440.0m，初期坝高38。堆积坝现状顶标高为600m，总坝高198.0m。尾矿库总库容为42900万m3，最终设计等别为二级。根据《尾矿设施设计规范》（GB50863—2013）4.4.2，第1款的要求，“对于1级及2级尾矿坝的抗滑稳定性，除应按拟静力法计算外，尚应进行专门的动力抗震计算，动力抗震计算应包括地震液化分析、地震稳定性分析和地震永久变形分柝；”该尾矿库属2级，需要进行专门的动力抗震计算。

3.2 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+402m，顶部高程为+600m，建立计算有限元模型，有限元网格共有5956个节点，6868个单元。

3.3 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。

3.4 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0.02s，其地震波持续时间为16s，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。

4 尾矿坝动力稳定性影响因素分析

4.1 影响因素与模型条件

地震导致尾矿坝的破坏可分为液化流动破坏和非液化变形破坏2种形式；对于非液化变形破坏，应从安全系数和永久变形两个方面进行评价。采用永久变形进行评价，在理论上更为恰当，但缺少经验和成熟的方法，且尚无可靠的安全控制标准；采用安全系数进行评价，已经在计算方法和安全控制标准的选择上积累了一定的经验，但对于如何获得等效的安全系数来表征地震作用下的整体安全度，仍须进一步研究。两种方法各有优劣，在实际工程应用中应综合两种方法所得结果，对尾矿坝非液化情况下的动力稳定性进行合理判断。影响尾矿坝稳定性的因素很多，各因素对尾矿坝安全系数和永久变形的影响可能并不一致。本次分析建立了不同条件下的模型，研究干滩面长度、堆积坝高度、设计加速度、是否考虑竖向地震作用等因素对安全系数和永久变形的影响，为合理判别尾矿坝地震稳定性提供参考。

4.2 干滩面长度的影响

为研究干滩面长度对尾矿坝地震稳定性的影响，分别设置干滩面长度为50m、100m、150m、200m、300m和400m，进行地震反应分析，并计算得到地震中安全系数时程曲线与永久变形分布。永久变形分别采用等效节点力法和软化模量法进行计算。为便于定量分析和对比，不同条件下，均选取地震作用过程中坝体最小安全系数和坝顶处的震陷（竖向永久变形）为特征参量。同时，为研究不同堆积坝高度和设计加速度下，干滩面长度对尾矿坝地震稳定性的影响程度是否一致，分别进行了两种堆积坝高度（120m和160m）和两种地震加速度（0.2g和0.3g）条件下的分析。

为研究不同情况下，干滩面长度对最小安全系数和坝顶震陷的影响程度，对各曲线均进行线性拟合，并计算得到拟合直线的斜率k和拟合优度R2。最小安全系数随干滩面长度的增大逐渐增大，坝顶震陷随干滩面长度的增大逐渐减小，均表明地震稳定性随干滩面长度的增大而增强。采用线性函数进行拟合，最小安全系数与干滩面长度相关性的拟合优度R2较高，三组均在0.960以上，平均值为0.971。

而等效节点力法和软化模量法所得坝顶震陷与干滩面长度采用线性拟合的拟合优度R2均较低，三组平均值分别为0.910（等效节点力法）和0.836（软化模量法），说明坝顶震陷与干滩面长度主要呈非线性关系。多数条件下，等效节点力法所得永久变形明显大于软化模量法所得结果。但是，当设计加速度较大（0.3g）且干滩面长度较短（50m和100m）时，软化模量法所得永久变形与等效节点力法结果较为接近，甚至更大，这主要是由于在这样较为危险条件下，容易发生液化，地震导致坝体内动孔隙水压增长幅度较大。

4.3 堆积坝高度的影响

为研究堆积坝高度对尾矿坝地震稳定性的影响，分别建立堆积坝高度在40m、80m、120m和160m四种坝高下的模型，分别进行了两种干滩面长度（50m和200m）和两种设计加速度（0.2g和0.3g）条件下的分析。分析方法同上述干滩面长度的影响分析相同。最小安全系数随堆积坝高度的增大逐渐降低，坝顶震陷随堆积坝高度的增大逐渐增大，均表明地震稳定性随堆积坝高度的增大而降低。与干滩面影响分析相似，最小安全系数与堆积坝高度线性拟合相关性的拟合优度R2较高，三组平均值达到了0.995。而等效节点力法和软化模量法所得坝顶震陷与干滩面长度采用线性拟合的拟合优度R2均较低，三组平均值分别为0.911（等效节点力法）和0.912（软化模量法），说明坝顶震陷与堆积坝高度也主要呈非线性关系。

各种条件下，等效节点力法所得永久变形均明显大于软化模量法所得结果。对比本次分析所得各拟合直线的斜率k发现：随干滩面长度的增加，最小安全系数对堆积坝高度的敏感性降低，等效节点力法和软化模量法所得坝顶震陷对堆积坝高度的敏感性也降低；随设计加速度的增大，最小安全系数对堆积坝高度的敏感性减小，等效节点力法和软化模量法所得坝顶震陷对干滩面长度的敏感性均增大。

5 动力稳定性分析实用方法

5.1 分析流程

尾矿坝的动力稳定性分析应在通过时程分析法完整得到坝体地震过程中各种反应的时空变化的基础上，对液化范围、安全系数时程变化和永久变形分布三个方面进行综合分析。

5.2 建立模型

为反映尾矿坝最不利情况，二维剖面模型应沿尾矿库主沟走向建立。对于使用中的尾矿库，应根据现场钻探结果确定坝体材料分区；新建的尾矿库，可类比类似工程进行材料划分，必要时应采用堆坝模型试验演绎坝体堆积过程来获得材料分区。

由于尾矿沉积规律较为复杂，坝体内常有互层夹层产生，对材料分区时可进行一定的概化处理以简化模型，但须往不利的方向进行简化。对于纵深较长的尾矿库，上游边界无须延伸至库尾，但与尾水边线应有足够距离，以保证下游坝坡和干滩面范围内计算结果不受人工边界条件影响。

5.3 渗流场分析

尾矿坝渗流场的获得方式有现场监测、钻孔勘察、物理模型试验和数值模拟等。渗流场的数值分析中，应考虑浸润线以上非饱和尾矿的渗流特性的影响。

非饱和尾矿的渗流特性可采用非饱和土力学相关理论研究，主要由土水特征曲线和渗透系数函数来表示。土水特征曲线主要受土的粒径分布的影响，本文采用M.Aubertin等提出的根据粒径分布估算土水特征曲线的方法。

非饱和区渗透系数随基质吸力的增大而减小的特性，则由VanGenuchten法，根据土水特征曲线推求。具体计算方法可参见文献，本文不再赘述。同时，数值模拟中应合理选取渗流参数，可通过与实测资料对比验证参数的可靠性和准确性。

6 结语

对于坝高超过100m的高尾矿坝，地震作用对其坝坡的抗滑稳定性影响明显，除应按拟静力法计算外，尚应进行专门的动力抗震计算。现有的Geo-Studio软件、GTSNX软件均能对坝坡的动力抗震进行有效的模拟分析。等效节点力法和软化模量法均可以得到相似的分析结果，相对来说等效节点力法计算的结果均较大，安全保证度较大，推荐使用。