尾矿坝加高稳定分析

尾矿坝加高稳定分析（共7篇）

尾矿坝加高稳定分析 篇1

1 尾矿坝渗流数值模拟分析

某尾矿坝工程地形起伏不大, 该地区主要赋存基岩裂隙水和第四系松散岩孔隙潜水。根据实际勘察, 地层自上而下分为圆砾和砂岩两层, 在岩土工程稳定性方面, 坝基主要由中风化泥岩体构成。在大坝稳定的情况下, 不会出现沿坝底以下不连续结构面的剪切滑动破坏的现象, 坝肩稳定性较好。该区伏基岩为泥岩, 无不良地质现象, 而库区岩体为泥岩, 开挖后, 砾质边坡的稳定性较好。该工程建筑物有尾矿坝、回水泵站等。在建设初期, 其坝高为8.6m, 坝全库容为9.14×104m3, 尾矿坝总坝高为18.6m。建设完成后, 总库容为45.69×104m3, 构筑级别为5级。

由于该尾矿库在7~8月降水较多, 常形成暴雨, 并且该尾矿库地质水文条件较复杂, 容易形成洪水漫顶的现象, 因此, 尾矿坝渗流数值的模拟分析是非常重要的。第一, 分析尾矿坝渗流分析的基本理论, 地下流体渗流规律应遵循质量守恒定律及能量守恒与转化定律。根据达西定律, 渗流速度与渗透阻力成线性关系, 其表达公式为:V=KI。其中, V为渗漏速度 (cm/s) , K为介质的渗透速度 (cm/s) , I为水利边坡。但是, 达西定律只适用于层流运动。第二, 对于渗流分析方法, 主要分为基于水力学的理论计算方法、物理模拟方法和数值模拟方法。其中, 数值模拟方法是应用最广泛的方法, 其是一种将连续体分为有限个单元体来形成方程组的在计算机上求解的方法, 包括有限差分法、有限单元法、边界元法等。

2 尾矿坝渗流数值模拟关键技术分析

2.1 渗流分析

由于渗流分析是渗流稳定性、坝体抗滑稳定性和坝体应力场分析的基础, 该尾矿坝属于非均质土体, 因此, 采用一种用于分析多孔渗水材料的Geo-Studio中的SEEP/W进行人工耦合计算机渗流下的滑坡稳定性系数分析。SLOPE/W模块可以有限分析岩土结构中的应力及变形, 然而, 无论是在开挖前, 还是开挖后, SIGMA/W都可以对基地中所产生的超孔隙水压力进行模拟分析, 其分析结果有利于制定尾矿坝的加固措施。因此, 将SIGMA/W与SEEP/W软件相互结合来进行土体固结分析, 即对受外荷载作用下的岩土结构中孔隙水压力的模拟分析包括以下几点:第一, 在不同库水位工况条件下, 初期坝、堆积坝浸润线形态和出溢点的计算。假想尾矿坝内渗流发生在重力流动和稳态情况下, 这样就可以确定坝体浸润线的位置和坝基内的流网图。第二, 在渗流分析的基础上分析尾矿边坡抗滑性, 通过得出的最小安全系数来判断土体的渗透稳定性。第三, 通过计算尾矿坝堆积坝在降雨条件下的渗流场来分析影响尾矿坝浸润线高低的因素。第四, 应用神流场与应力场的耦合来分析研究尾矿坝在降雨入渗条件下出现地基滑坡的可能性。

2.2 初期坝渗流计算

由于初期坝无渗流现象, 在运行过程中, 也无不良地质现象, 因此, 将土石坝作为渗流分析对象, 分析土石坝的边界条件。由于上游水头H=1133.9m, 下游水头H=1129.5m, 根据土石坝坡面建立模型, 应将坡面地下水渗流域离散成三角单元, 并划分为网格。不透水初期网格划分完成后, 则需要进行初期浸润线计算。在进行渗流计算时, 一般将坝体的地表标高设为0m。坝体标高为9.6m, 正常蓄水位为6.9m, 最高洪水位为7.1m, 因此, 可根据各土层的具体物理参数来计算坝坡稳定性系数, 如表1所示。从表中可以看出, 洪水位下与正常水位下的滑坡安全系数均满足规范规定的稳定性要求, 但洪水位下的稳定性小于正常水位下的稳定性。

2.3 堆积坝渗流计算

将尾矿堆积坝作为渗流渗透性分析对象, 受地质条件的限制, 为了有效进行渗流计算, 应采用概化地质模型的方式。即概化水文地质参数的时空分布, 将尾细砂、尾粉砂等尾矿库土层进行简化, 在尾矿库库区及坝体处, 建立二维渗流数值计算模型。当尾矿库堆积标高达到1 146时, 库水位的正常蓄水位和洪水位应分别达到1 143.8m和1 144.2m。分析尾矿堆积内渗透水的总压力、孔隙水压力、流速场的分布等运移规律。在进行堆积浸润计算时, 在正常蓄水位情况下, 坝顶高程应为1 146m, 水位应在1 143.8m以下;在洪水位条件下, 坝顶高程应为1 146m, 水位应在1 144.2m以下。通过模拟计算可得出, 正常蓄水位条件下与洪水位条件下的浸润线高度是有差别的, 但稳定系数是大于规范值的。

分析降雨条件下的渗流, 该地区的降雨量集中分布在6~8月份, 其降雨强度为1.836E-8m/s。通过模拟降雨量达到降雨边界条件下的尾矿坝边坡地下水渗流特征及变化过程, 可以得出, 降雨本身对尾矿坝地下水渗流场的影响不大, 但是, 降雨量对软弱层的第四系地层的渗流场会产生影响。因此, 在降雨量较多的季节, 应注重尾矿坝地下水的疏导, 并做好排水措施, 从而提高尾矿坝的稳定性。

摘要：尾矿坝是矿山生产过程中选矿废弃物的构筑物。随着人们对矿产资源需求的不断增加, 对尾矿坝的数量及坝体高度提出了更高的要求。若尾矿坝出现溃坝的现象, 则容易发生有害污染物下泄事故, 甚至可能造成人员的伤亡。因此, 有必要分析尾矿坝的渗流稳定性及关键技术, 以避免因坝内地下水的渗流而影响坝体的稳定性。

关键词：尾矿坝,渗流,稳定性

参考文献

[1]董凤强.渗流对尾矿坝稳定性影响的分析[D].昆明理工大学, 2011.

尾矿坝稳定性分析及安全措施分析 篇2

一.尾矿坝的稳定性分析

尾矿库是矿产资源开发过程中的一种非常重要的建筑结构, 尾矿库坝体的安全稳固关系到生产系统的稳定的安全有序进行和尾矿资源的循环再利用。

1.尾矿的分类

尾矿是矿产开发过程中的一种矿渣, 不同的矿产会有不同的矿渣, 而且由于储存方式的不同, 尾矿也会有一定的性能差异。通常情况下尾矿会以液体形式存在, 所以矿场一般都建立一个专门收集尾矿的尾矿库, 用以暂时存储尾矿。尾矿坝如果不够稳固, 一旦发生事故, 就会造成相当大的危害性, 国内外很多矿场事故, 都是由于尾矿保存不当发生的, 应当引起我们的重视。

(1) 软岩尾矿

此种尾矿主要是开采页岩类矿石而产生的, 包括一些煤渣和天然不熔物等, 软岩尾矿中尽管也有一定量的物质以砂的形式存在, 但其粘土性质仍较为突出。决定着软岩尾矿的理化性质。

(2) 硬岩尾矿

相对于软岩尾矿, 硬岩尾矿中砂质物质含量较大, 虽然粘土性质仍有存在, 但不足以影响硬岩尾矿的整体性质。

(3) 细岩尾矿

细岩尾矿中基本不含有砂质颗粒物质, 如磷酸盐矿、铝土矿等中的矿泥都是属于这种尾矿, 它们较难分解, 需要较长的时间去沉淀, 而且物理性质极其软弱, 需要更大的尾矿库来储存。

(4) 粗尾矿

总体来说, 这种尾矿的性质更多地取决于粗砂颗粒的性质, 以石膏矿来说, 苏醒粉砂的性质很大程度上影响着尾矿的性质。

目前对于尾矿的分类还没有一个具体的标准, 但这种依据尾矿中颗粒物大小来分类的方式, 比较有利于进行力学分析, 对于分析尾矿坝的稳定性, 这种分类能够取得更加理想的效果, 也更具有实际意义。

二.不同类型的尾矿库及坝体

尾矿坝是建筑用来拦截谷口或围地用来形成尾矿库储存液体或其他性质的尾矿, 对不同种类尾矿库的研究, 可以使尾矿坝稳定性研究的利用更具有实际利用意义, 能够制定出具有广泛适用性的方案进行坝体的加固, 提高尾矿坝的安全系数。

1.山谷型尾矿库

山谷型尾矿库多建于山区和丘陵等山体比较多的地区, 我国许多大中型尾矿库都属于这种类型。山谷型尾矿库利用自然地理优势, 在山谷上下游建筑拦截坝体, 就可以形成较为完善的尾矿库。该种尾矿库具有初期建筑工程量小, 后期维护成本较低, 库容相对较大的优势, 但是, 由于建造在山谷中, 排水设施的建造需要投入更大的成本, 汇水面积也相对较大。

2.傍山型尾矿库

傍山型尾矿库主要适合在丘陵及湖泊较多的湖湾等地区。同样借助地势, 在山坡的洼地依山建造, 一面或两面靠山, 其余建造坝体围成。这种尾矿库初期坝体较长, 建筑工程量较大, 由于后期建造的坝体高度不能太高, 所以库容受到限制。另外, 排水系统建造业比较复杂, 日后的管理和维护需要大量的消耗。

3.平地型尾矿库

在一些平原地区, 以上两种尾矿库都没有建造的条件, 就需要建筑平地型尾矿库。在平原上选取一块洼地或平地, 四面建坝围成。这种尾矿库建造工程量很大, 维护管理也比较复杂, 由于全人工建造, 一般高度受到限制, 不能太高。但是, 这种尾矿库汇水面积小, 排水比较方便。

4.截河型尾矿库

截河型尾矿库, 顾名思义, 就是在河床上下游两端建坝形成的尾矿库, 有的是沿河岸一侧建筑, 有的是利用整个河床。这种尾矿库最大的优势就在于不占用农田, 但是, 也有很大的缺点, 在河床上建造尾矿库需要在排水方面做得更好, 而且需要更加先进的管理系统来支撑, 由于我国技术水平有限, 基本没有采用这种方式建坝的例子。

三.尾矿坝稳定性分析方法

目前尾矿坝的稳定性分析没有引起做够的重视, 依然作为一个边角对待。一般都是沿用传统的土木力学原理和传统理论进行分析。尾矿坝的稳定性分析主要有三个大类, 也是最常用的分析方法, 他们分别是极限平衡法、数值分析法、可靠性分析法。极限平衡法原理较为简单, 实用性强, 在实际应用中比较广泛;数值分析法主要利用数学建模来求出相应的数据, 进而得出相应结论;概率分析方法是在以上两种方法的基础上通过概率计算, 进一步得出坝体稳定性的相关数据, 计算出坝体损伤的概率。一般坝体稳定性的分析都需要以下的步骤:收集所需资料, 根据实际掌握情况确定所用分析方法;选取计算基点, 确定基本指标, 用于接下来的计算和最终确认;运用极限平衡进行计算, 在做以此数值分析得出初步结论;采用概率分析法, 确定坝体损坏的几率。

四.尾矿坝危险分析

要确保尾矿坝的安全稳定, 首先要做到对尾矿坝在设计、施工、日常使用等全过程中所有可能存在的隐患和破坏因素。

1.溃坝

尾矿坝一旦崩溃, 不仅会造成矿产资源开采中止, 造成极大的经济损失, 还会对矿区下游造成难以估计的污染, 影响居民的正常生活, 甚至会造成动植物的大面积死亡, 危及下游居民的生命安全。对此, 应加强坝体的加固检修工作, 避免尾矿回采, 坝周边应禁止进行破坏性施工, 保证坝体的稳固。

2.洪水

洪水漫顶主要发生在汛期, 汛期, 坝体会长期处于高水位, 用于调洪的库容大多已达到极限, 如果遇到突然的大降雨, 极易诱发洪水漫顶。对此, 在设计的时候就要考虑当地的降水情况, 适当地安排排水措施, 若坝区处于降水比较丰富的地区, 可以适当增加调洪库容, 在坝体周围修建加宽排洪沟, 以防止大暴雨的突然袭击。

3.渗漏

由于坝区的特定地质条件, 很多坝都存在不同程度的渗水, 若矿坝区处于岩溶裂隙上, 那渗水将经常发生。而且, 地下地质的变化, 会造成尾矿库地基不稳, 出现塌陷等事故, 渗水也常发生在塌陷事故之前。

4.管涌

尾矿坝基处在不坚固岩层上或处于地质活动较为活跃的地区, 若在施工前没有加以关注并妥善处理, 就极易造成管事故。管涌会造成相当大的环境污染, 影响居民的正常生活。而且, 随着管涌的不断持续, 会带走大量的砂石, 冲蚀坝体, 最终造成滑坡、溃堤大型事故。最佳的解决办法就是在施工前, 选择不透水浆砌坝或设置简易反过滤层法处理, 从根本上杜绝管涌发生的可能性

5.安全对策建议

尾矿坝的日常维护工作是保证坝体稳定运行, 安全使用的关键, 现场检测和检查的办法各有差异, 但是绝不能省去这一步骤。日常的检测中更多地加强排水设施、周边建筑坝体的检测, 排除裂缝、倾斜等现象。还要在汛期或自然灾害频发期加强预报, 努力在危险发生之前做好准备, 保证坝体完好。这也是对坝区周边环境和居民应尽的义务。

加强尾矿坝应急处理机制。应急预案要提前做到周密实用, 对于可能发生或已经发生的情况, 要做到不慌乱, 及时进行处理, 损坏后第一时间进行恢复, 尽量减小损失和破坏, 降低事故的危害。

五.总结

尾矿坝的稳定性在设计时就需要进行科学、合理的考虑, 在建筑过程中也要加强监督, 避免出现安全隐患, 给以后的后续开发造成难以解决的问题。此外, 还要加强尾矿坝的日常维护, 使坝体真正起到应有的作用, 保证生产系统的安全稳定, 为我国经济发展打好基础。

摘要：尾矿坝是矿产资源开发过程中的重要保护设施, 是对矿产废物的处理设施, 尾矿坝的完整稳定, 对于保证矿产资源安全有序的开发具有很大的作用。本文主要对尾矿坝的具体情况和保证其安全性的措施进行了简单的探讨, 希望能够对尾矿坝的稳定性分析工作起到一定的借鉴作用。

关键词：尾矿坝,稳定性分析,安全措施

参考文献

[1]王国华, 段希祥.高烈度地震对龙都尾矿坝稳定性影响的研究[J].昆明理工大学学报 (理工版) .2008.04 (12) :19-20.

[2]秦华礼, 马池香.水对尾矿坝稳定性的作用机理研究[J].金属矿山.2008.10 (03) :15-16.

某高尾矿坝设计期渗流与稳定分析 篇3

关键词：尾矿坝,设计期,渗流,稳定,堆积坝坡度

1 前言

拟建中的某尾矿库位于河北省承德市, 设计坝高170m, 库容1500万m3, 为山谷型上游式尾矿库, 尾矿库最终等别为2级。《尾矿库安全技术规程》 (AQ2006-2005) [1]、《选矿厂尾矿设施设计规范》 (ZBJ1-90) [2]等规程、规范明确指出:“1、2级山谷型尾矿坝的渗流应按三维计算或由模拟试验确定”。

在设计期, 对尾矿坝进行三维渗流计算及稳定分析存在尾矿坝沉积剖面及物理力学特性指标难以准确确定的困难。尾矿坝与水库大坝不同, 在设计期无法准确预测其运行若干年后所形成的沉积地层分区。其原因在于上游法筑坝工艺过程不可能严格控制沉积尾矿的分布, 沉积干滩长度随着库内水位的变化而大幅度的摆动, 致使粗粒尾矿与细粒尾矿出现犬牙交错的不规则分布[3]。尾矿各分区的几何形状、沉积位置难以在筑坝前就预先确定。在本尾矿坝三维渗流与稳定分析中, 首先依据同一选厂临近尾矿坝勘察资料类推本尾矿坝概化沉积剖面及物理力学指标, 近似获得设计总坝高下的尾矿坝沉积剖面。以汛期及正常运行期不同干滩长度作为渗流及稳定分析输入条件, 计算了不同工况下的渗流场分布及抗滑安全系数, 得到一些趋势性的结论。

2 尾矿库设计基本情况

库区地形属低山剥蚀地貌, 地貌形态简单, 沟谷狭窄, 库区开阔。沟谷呈“U”字型, 沟底平均坡度110‰, 沟口拟建初期坝处较为平缓, 沟尾部分为两个沟岔, 分别为主沟与支沟 (见图1) 。支沟目前建有一尾矿库, 当前坝高约90m。拟建的尾矿库位于主沟, 通过在主沟沟口修建一座35m高透水初期坝拦挡尾砂 (初期坝建基面高程400m) , 主沟和支沟尾矿库均存储同一选厂排放的尾矿砂, 粒度、浓度相同, 主沟尾矿坝堆积坝坡设计采用分段坡度, 自下而上分别是1∶4、1∶6与1∶9.5。

3 尾矿坝断面概化方法

无论是尾矿坝的渗流计算还是稳定分析, 前提都要确定尾矿的沉积规律, 根据沉积规律估计概化断面, 从而确定不同分区内尾矿砂渗透系数或物理力学指标。在新建尾矿坝的设计阶段, 尚无成熟的尾矿坝断面概化方法。徐宏达[4]根据国内数个尾矿坝颗粒级配及地质勘察资料, 提出了一种半经验半理论方法概化尾矿坝地层剖面。首先根据颗粒级配情况, 沿尾矿坝滩长纵深方向计算沉积滩不同位置上的尾砂粒径, 根据尾砂粒径的变化确定分界点, 从初期坝踵连线至分界点, 即可获得尾矿坝的概化剖面。

考虑到设计单位未提供全尾矿颗粒级配资料, 使用半经验半理论方法不具备条件。在另一方面, 正常运行的支沟与拟建的正沟尾矿库充填同一选厂尾砂, 二者运行方式、放矿流量、尾矿浓度等参数接近, 因此根据支沟尾矿坝的地质勘察资料, 渗流与稳定分析采取了类推方法确定正沟尾矿坝的概化剖面, 见图2。

1-堆石反压平台;2-尾中砂;3-尾粉土;4-中风化基岩;5-堆石初期坝

4 尾矿坝渗流场分析

4.1 计算模型

选取尾矿坝初期坝趾向外外延80m为计算区域外边界, 上游边界选取到尾矿坝和上游初始地面最远交汇处, 左右两边边界取到尾矿沟两侧山梁处。边界条件如下: (1) 库内边界采用定水头边界, 库内两侧山体取为可能逸出边界, 干滩为流量入渗边界; (2) 下游反压平台坝脚为定水头边界, 以上为可能逸出边界; (3) 模型底部边界为隔水边界。

库区地表有近1.5m的含砾粉土覆盖层及强风化覆盖层, 由于层厚较薄, 对渗流场影响甚微, 在渗流场计算模型中对上述二地层做了简化处理。在上述工程区计算范围内, 对模型进行了网格划分, 为了减少建模工作量, 对510m高程 (坝高110m) 、530m高程 (坝高130m) 采用二维网格模型, 对最终标高570m高程 (坝高170m) 采用二维、三维网格模型。二维模型采用四边形及三角形单元, 三维模型中尾矿砂、地层、周边山体全部采用六面体8结点单元来模拟 (图3) 。

根据支沟尾矿库岩土体试验值和建议值选取正沟尾矿库渗流计算参数, 详见表1。

注:z方向为重力加速度方向。

4.2 计算模型

本次计算通过变换坝高模型与干滩长度, 共计设定了6个计算工况, 涵盖了尾矿坝3个时期汛期与正常运行期的渗流场情况。此外, 对最终坝高模型同时建立了三维模型, 比较二维与三维渗流计算结果的差异。各计算工况详见表2。

4.3 计算结果分析

根据上述边界条件和网格划分, 使用有限元方法对尾矿坝进行了渗流计算。表3为各工况渗流计算结果汇总表, 图3和图4为坝高分别为110m和130m二维渗流场水头等值线图, 图5尾矿坝纵剖面二维与三维计算浸润线对比图。

注:*C_3和D_3工况提供总出逸流量。

由图4～6可以看出, 由于初期坝透水效果很好, 浸润线的位置得到了有效控制, 在尾矿坝子坝坝坡上没有渗流出逸, 透水的初期堆石坝对坝体渗流场状况起着决定性的控制作用, 为了确保渗流控制效果, 保证初期坝及反压平台的同步上升及透水性是关键环节。

在图5尾矿坝纵剖面二三维对比图中, 二者计算结果非常类似, 只有在局部地区三维浸润线略高于二维结果, 体现了三维模型中渗流水由两侧坝肩向坝轴线中心集水和收缩的效果。三维渗流结果和二维渗流结果接近, 证明了此渗流计算的正确性。

5 坝坡及反压平台透水性敏感性分析

5.1 堆积坝坡度对渗流场的影响

设计单位提出初步设计方案时, 担心较缓的堆积坝坡导致水流出逸。事实上, 较缓的坝坡对渗透稳定是有利的[5,6]。在上下游水头差确定后, 尾矿坝坡度越缓, 相当于水平渗径的延长, 水头损失越大, 因而浸润线也越低。但是, 较缓的坡度也带来库容使用上的不经济, 因此堆积坝坡最常见的坡度为1:4～1:5。

为了验证上述论述, 渗流计算假定510m高程以上变坡段仍采用1:4的坡度, 其它条件不变, 采用二维有限元程序对两种堆积坝坡度下的渗流场做了对比计算, 见图7。堆积坝坡坡度一直为1:4的浸润线较三种坡度下的浸润线最高有近40m的抬升, 增加了渗透破坏 (管涌、流土) 的风险。设计单位采用1:4与1:6与1:9.5的三种坡度设计堆积坝时, 最初的考虑是为了减少副坝施工的费用, 尽可能利用库容;另一方面, 较缓的坡度亦导致浸润线大幅度降低, 减小了渗透破坏的风险。

1-不同的堆积坝坡度;2-浸润线

5.2 反压平台透水性对渗流场的影响

此尾矿坝一个重要特点是矿山在初期坝外堆积大量堆石料, 形成一个复合透水初期坝。为了论证反压平台及初期坝这种复合型透水坝对尾矿库整体渗流场的影响, 计算对k压=0.1k坝、k压=0.2k坝、k压=0.5k坝、k压=k坝 (k压为反压平台的渗透系数, k坝为初期坝的渗透系数) 四种情况做了对比, 见图8。

1:K压=K坝 2:K压=1/2K坝 3:K压=1/5K坝 4:K压=1/10K坝

计算结果表明反压平台的透水性能对整体渗流场有较大的影响, 当反压平台渗透系数为初期坝的1/10时, 浸润线抬升约30m, 且在460m高程反压平台与堆积坝坡接触部位有出逸现象。因此, 为了保持尾矿库的渗透稳定, 保证浸润线不出逸, 必须尽力维护反压平台的透水性能, 坝体修筑时, 将反压平台填料过筛处理, 直径小于1cm的碎石料不上坝, 日常运行时保证反压平台上不堆存尾矿砂。反压平台与堆石初期坝填料粒径之间有差异, 因此要选取级配碎石, 做好反压平台与初期坝接触部位反滤过渡层的处理工作。

6 稳定分析结果

在第4节的渗流计算中, 共考虑了尾矿库建成后坝高为110m、130m、170m库水位分别为正常运行水位及设计洪水位二维及三维渗流6个计算工况。将上节渗流计算的水力条件施加于边坡稳定计算中, 采用有效应力法对尾矿坝进行了稳定分析, 采用的岩土体物理力学参数见表4。由于该地区地震设防烈度为VI度, 地震动参数0.05g, 故本稳定分析中还补充地震荷载+设计洪水位的特殊运行工况计算。计算工况及稳定安全系数列表见表5。

在稳定分析结果表5中, 6种工况无论是采取瑞典法还是简化Bishop法所得的稳定安全系数在洪水运行期和特殊运行期均满足《选矿厂尾矿设施设计规范》的要求, 且有一定的安全储备。出现这种计算结果的原因主要有两条:①较高的堆石初期坝有良好的透水能力, 使得浸润线在堆积坝内埋藏较深, 堆积坝体内尾砂大部分处于非饱和状态, 抗剪强度较高。②坝坡总体坡度较缓, 下滑力小。

注: (1) 来自与UU (不固结不排水) 试验结果, 参考尾矿库勘察报告; (2) 经验值。

7 结论与建议

(1) 在设计阶段进行指定坝高下的渗流计算与稳定分析的前提是确定尾矿坝沉积概化剖面。鉴于支沟与正沟尾矿库仅一山之隔、排放的尾砂相同、尾矿库规模类似, 本计算参考了支沟尾矿库工程地质勘察成果推测正沟尾矿库的地层构造, 进而进行渗流与稳定分析, 得到了一些趋势性的成果。考虑到后期较长的堆坝期及尾矿库运行管理的不确定性, 在运行期间应加强观测, 通过观测及勘察结果进一步验证与修正渗流与稳定分析结果。

(2) 渗流计算结果证明了合理的尾矿坝结构型式 (透水初期坝坝高为总坝高的1/6～1/3、较缓的堆积坝坡度) 对维持尾矿坝渗透稳定的重要性。但渗流敏感性分析也指出了保持初期坝及反压平台透水性能的必要性。填筑反压平台时, 细粒料及尾砂不得上坝, 同时做好反压平台与初期坝接触部位的反滤过渡层处理工作。

(3) 稳定计算结果表明:尾矿坝在110m坝高至170m坝高在洪水运行及特殊运行情况下的稳定安全系数在1.8～2.5之间, 满足《选矿厂尾矿设施设计规范》的要求, 且具有一定的安全储备。但是上述结果是在理想条件下估计尾矿坝沉积地层构造及正规运行管理的前提下得到的, 尾矿库在运行过程中须严控放矿工艺, 坝前不得积水及独头放矿, 汛期必须保持干滩长度在100m以上。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准编写组.AQ2005-2006尾矿库安全技术规程[S].北京:煤炭工业出版社, 2005The Professional Standards Compilation Group of Peoples Republic of China.AQ2005-2006Safety Technical reg-ulations for the tailing Pond[S].Beijing:China Coal In-dustry Press, 2005

[2]选矿厂尾矿设施设计规范 (ZBJ1-90)

[3]陈守义.尾矿坝细粒泥层内超静孔隙水压力的近似估算方法[J].岩土力学.1991, 12 (1) :45~55CHEN Shou-yi.The approximation for evaluation of extra static pore water pressure in fine grained mud layer in tailings filled dam[J].Rock and Soil mechanics, 1991, 12 (1) :45~55

[4]徐宏达.上游式尾矿坝沉积规律, 有色矿山, 2003, 32 (5) :40~43XU Hong-da.The deposited law of upstream tailings dam.Nonferrous Mines, 2003, 32 (5) :40~43

[5]路美丽, 崔莉.影响尾矿坝渗流场的因素分析[J].中国安全科学学报, 2004, 14 (6) :17~20LU Mei-li, CUI Li.Analysis of the seepage field of the tailings dam[J].China Safety Science Journal, 2004, 14 (6) :17~20

基于渗流场的尾矿坝稳定性分析 篇4

1 模型的建立

某尾矿库初期坝形式是堆石坝,坝底高70米,坝顶高程是100米,坝高最大为30米;马道宽2米,修筑在高度85米处,马道以上的下游边坡坡比为1∶1.75,上游边坡坡比为1∶1.5,马道以下上下游边坡的坡比为1∶1.75,坝轴线长172.15米,坝顶宽4米,坝底宽107.25米;上游坝坡面构造由内到外依次为:堆石坝体—四十厘米厚砾(碎)石垫层—土工布—二十厘米厚砂砾石—三十厘米干砌石护坡,下游坝面亦设厚三十厘米干砌石护坡。子坝由尾砂堆积而成,坝高为1米,坡比1∶1.25,总体坡比为1∶4。本文对尾矿坝进行渗流分析时,土-水特征曲线是根据Geo Studio软件中提供的样本函数来确定的;渗透系数函数是根据各层土的土—水特征曲线和相应的饱和渗透系数来估计的。

2 尾矿坝渗流分析

本文针对不同干滩长度、库水位和不同初期坝排水情况两类工况下的渗流进行了分析,共选取了10种工况。

3 尾矿坝稳定性分析

Geo Studio软件可以直接进行稳定性分析计算,根据勘察报告得到各土层土性指标,另外根据前文渗流分析所选取的10种工况和分析结果,对尾矿坝稳定性进行计算分析。结果如下表3所示:

该尾矿库坝高77m,根据《尾矿库安全技术规程》[3]可知其为三等尾矿库,正常情况下最小安全系数为1.20,洪水情况下最小安全系数为1.10。从上表可以看出对于干滩长度从68.91m减小到44.07m,安全系数也从1.736减小至1.650,减小了0.086,改变了4.95%。对于渗透系数从0.001m/s减小到0.000003m/s,安全系数从1.704减小到1.306,减小了0.398,改变了23.4%。对于渗透系数从0.001m/s减小到0.000003m/s,安全系数从1.586减小到1.257,减小了0.329,改变了20.7%。

4 总结

从上面的计算结果可以发现该尾矿坝在当前坝高时,坝体是稳定的,在不同工况下,虽然安全系数有所变化,仍是稳定的。在正常运行情况下,随着库水位的增加,干滩长度的减小,尾矿坝安全系数虽然有所减小,但安全系数仍能满足要求。随着初期坝渗透系数的降低,尾矿坝安全系数逐渐减小,但仍能满足规程要求。在洪水水位下,随着初期坝渗透系数的降低,尾矿坝安全系数逐渐减小,但仍能满足规程要求。对于初期坝排渗良好和排渗不良,就算库水位到达洪水水位,尾矿坝也能保持良好状态。初期坝开始不排水时,安全系数都偏小,尾矿坝的稳定性显著降低,因此,需要特别注意。初期坝的排渗情况对尾矿坝的安全系数影响更大,正常水位相对于洪水水位安全系数的变化幅度更大,排渗不良时的安全系数都小于排渗良好时的安全系数。所以,保持初期坝渗透良好具有重要意义。

摘要：本文对考虑渗流场情况下的尾矿坝稳定性进行了研究,通过对不同干滩长度、初期坝渗透性等10种工况进行模拟,得出了干滩长度、初期坝渗透性对尾矿坝稳定性的影响规律,对维持尾矿库的安全运行具有一定的指导意义。

关键词：尾矿坝,渗流场,稳定性

参考文献

[1]李君纯.我国水库大坝安全的状况及前景.96《水库大坝安全》科技研讨班讲义[D].国家科委上海培训中心印,1996.11:33-42.

[2]张秀玲,文明宣.我国水库失事的统计分析及安全对策探讨[D].水利工程管理论文集.第三册,1998:125-130.

磷石膏尾矿坝渗流场与稳定性分析 篇5

我国现有尾矿库8540座[1],每年产出的尾矿约3×108t。一般尾矿库都靠近铁路、公路或者河流,下游居住人员密集。一旦溃坝,不仅严重威胁企业和人民的财产安全,且污染环境。尾矿坝的溃坝与滑坡灾害也时有发生[2、3],从尾矿坝失事工程来看,几乎所有的尾矿坝事故均与水有关。因此,很好地解决渗流问题,对维持尾矿坝的稳定性十分有利。

罗晓辉等[4]采用Bishop法进行了尾矿坝渗透静力稳定行分析;张超等[5]在磷石膏高压三轴试验的基础上研究了磷石膏高坝的稳定性;徐晗等[6]根据磷石膏渣坝渗流场的分布特征以及坝坡的稳定性,提出在初期坝上游以及磷石膏下游底部设置排渗棱体的方案。磷石膏尾矿库对排渗设施的要求较高,磷石膏尾矿坝在不同渗流场作用下的坝坡稳定性是具有理论价值及工程意义的课题。

本文针对大峪口磷石膏尾矿坝的实际情况,计算了不同工况下尾矿坝的饱和-非饱和渗流场,并对相应工况下非饱和土坝坡的稳定性进行了分析。

2 稳定渗流基本理论

2.1 渗流控制方程

对于平面内的稳定渗流,控制方程为:

式中,kx、ky分别为x、y方向上的渗透系数,H为总水头。

2.2 定解条件

2.3 饱和-非饱和渗流计算参数的确定

进行饱和-非饱和渗流分析首先需要确定各土层的土-水特征曲线和渗透性函数。土-水特征曲线是由各层土的颗粒级配曲线和物理性质指标以及与同类土的类比得到的[7];渗透性函数是由各层土的饱和渗透系数和土-水特征曲线求得的[8,9]。

3 磷石膏尾矿坝渗流场模拟

3.1 工程概况

大峪口磷石膏库目前为Ⅲ级库;初期坝为堆石坝,坝高28m,坝顶宽5m,坝轴线长265m;马道以上初期坝上、下游坡坡比分别为1誜1.8和1誜2,马道以下初期坝上、下游坡坡比分别为1誜2和1誜2.2。子坝(后期堆积坝)采用磷石膏压实填筑而成,子坝高为5m,坡比为1誜2。排渗系统分为排渗褥垫和水平排渗沟两部分,排渗褥垫布置在库底,长150m,宽120m,水平排渗沟沿坝轴线方向布置,间距为20m[10]。

该磷石膏堆积坝截止目前磷石膏堆积体厚度已达43m,最终堆积厚度为83m,尾矿坝堆积至1/2~2/3最终设计坝高。按尾矿库设计规范的有关规定,应全面勘察该尾矿坝,给出现有坝体的稳定性评价,并计算最终坝体的稳定性[11]。

3.2 计算工况

本文对尾矿坝3个剖面进行了计算,图1是根据工程地质剖面图适当简化后的2-2′剖面计算简图。分析中边界条件的选取如下:磷石膏沉积滩顶面和排水沟为水头边界;磷石膏堆积体右侧、坝基底边、坝基左右两侧均为不透水边界;沉积滩面上的水头高度由不同库水位确定;初期坝下游坝脚处的排水沟内的水头取0m。

根据实际运行中可能遇到的情况,渗流计算拟定了9种计算工况,具体参见表1,表中9个工况的坝顶标高均为180m。

m

需要说明:

1)假定沉积滩滩顶比子坝坝顶低1m,沉积滩平均坡比1誜100。

2)工况1为正常运行,对应的是该尾矿坝的当前实际运行情况。工况2对应的是介于实际运行与洪水运行之间的一种情况。工况3为洪水运行,此时的库水位指的是最高洪水位。

3)讨论排渗系统淤堵情况时按淤堵程度不同分成轻度淤堵、严重淤堵、完全淤堵3种情况,分别设定水平排渗沟或排渗垫层的渗透系数为原定值的25%、5%以及与磷石膏粉砂(4)渗透系数等同。

4)工况9考虑了一种特殊情况,即库水位为179.3m,已经超过沉积滩滩顶以上0.3m,在堆积坝坝顶以下0.7m。

3.3 渗流场计算结果

图2给出了不同工况下浸润线的位置。

渗流场计算结果表明:干滩长度越长,浸润线位置越低;排渗垫层淤堵越重,浸润线位置越高。因此,在运行过程中,保有一定的干滩长度以及保持排渗系统的排水通畅对降低坝体浸润线作用明显。以上9种工况下坝体均无浸润线逸出,水通过初期堆石坝底部流向了排水沟,也体现了透水堆石坝对降低浸润线的显著作用。

4 磷石膏坝稳定性分析

稳定性分析计算参数见表2,采用有效应力法进行稳定性分析。

注:γ为重度,k N/m3;,γsat为饱和重度,k N/m3;c′为有效黏聚力,k Pa;Φ′为有效内摩擦角,(°);Φb为吸力内摩擦角,(°);k为饱和渗透系数,m/s。排渗垫层长为150m,纵向排渗沟宽为2m,深为0.8m。

该磷石膏库所处地区的基本地震烈度小于6度,根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000),可不考虑地震力的作用[12],只考虑正常运行、洪水运行两种工况。分别对1-1′、2-2′、3-3′剖面进行了分析,对整个坝体稳定性做出评价。具体计算工况同表1中渗流场计算分析时的工况。

本文中非饱和尾矿坝稳定性分析采用Mohr-Coulomb强度模型。计算方法选用了瑞典圆弧法与简化Bishop法进行对比。表3中的数值引自尾矿库安全技术规程[13],瑞典圆弧法计算所得的安全系数不应小于相应情况的数值。简化Bishop法给出的最小安全系数允许值比表3中的值高8%[14]。

采用瑞典法和简化Bishop法进行稳定性分析,表4仅给出了各工况下算得的最小安全系数,均为工况8下的安全系数。因此,工况8是最危险的工况。

综上所述,可得该尾矿坝稳定性特征如下:

1)在目前实际坝高180m、干滩长度300m时,坝体是稳定的。

2)3个剖面在正常运行和洪水运行工况下,干滩长度越长,安全系数越高。

3)排渗系统淤堵程度越重,安全系数越低。

4)在假定排渗系统完全淤堵且干滩长度为0m时,渗流分析中也未见有水流逸出。

5)同一工况下1-1′、3-3′剖面的坝体安全系数比2-2′剖面的要高,因为2-2′剖面处的坝基中有两层黏土,而1-1′、3-3′剖面处坝基为基岩,磷石膏直接堆积在基岩上,黏土的强度要比基岩低。

5 结论

1)通过分析大峪口磷石膏尾矿坝在各种工况下的渗流场发现,干滩长度越长,浸润线越低;排渗垫层淤堵程度越重,浸润线越高。

2)各工况下坝体无浸润线逸出,体现了堆石坝对降低坝体浸润线的作用。

3)在实际运行工况(即工况1)下,最小安全系数为2.27,其他各工况算得的安全系数也说明坝体是稳定的。坝坡安全系数随着干滩长度的增加而明显升高,随着淤堵程度的加重而明显降低。在运行过程中保有一定的干滩长度以及保持排渗系统的排水通畅对维持尾矿坝稳定作用明显。

尾矿坝加高稳定分析 篇6

尾矿库堆积坝是矿山生产设施的重要组成部分。在地震作用下[1—4],地震加速度影响和坝体强度降低是导致尾矿坝抗震稳定性不足的重要因素。在地震动荷载下,堆积坝的细粒尾砂和饱和土受到地震运动的反复剪切或反复震动产生超孔隙水压力[5—7],而超孔隙水压力易造成其强度降低或完全丧失,即发生液化,从而导致尾矿坝丧失稳定性。

本文以狮凤山者拉母箐尾矿坝为研究对象,根据工程地质勘察资料和室内试验资料,采用动力时程分析方法,分析其在8度地震作用下的响应、液化及稳定性系数,并按照《尾矿库安全技术规程》的规定,对其稳定性进行评价,为尾矿坝的设计、管理提供参考。

1 工程概况

狮凤山者拉母箐铜矿位于云南省易门县小绿汁镇境内,建于20世纪50年代。者拉母箐尾矿库位于选厂下游、绿汁江右岸的者拉母箐内,于2001年建成并投入使用,距选厂直线距离约7.0 km,为三等尾矿库。

设计初期坝为砂砾料与堆石的混合坝,坝顶标高为1 215 m,坝基标高1 182 m,坝高33 m,堆石坝坝顶标高1 200 m,坝体内坡外坡均为1∶1.75,坝坡平均坡度为1∶5。地基为砂砾石,13.5 m以下为砂岩;设计最终堆积坝坝顶标高1 400 m,最终堆积坝坝高为185 m,尾矿坝总高215.0 m,相应库容为1 571.65万m3;堆积子坝共24级,现第24级堆积坝坝顶标高1 268.4 m,现状堆积坝高度53.4 m,总坝高86.40 m。

据工程地质勘察资料揭示,尾矿坝主要由尾粉土(1)1,尾粉土(1)2,粉质黏土,初期坝和砾岩组成,初期坝又由砾石素填土和碎石素填土两种材料组成。根据现场实际情况,该尾矿库属于山谷型尾矿库,横剖面呈“V”字型。因此,选取具有代表性的、沿坝轴线主剖面作为计算剖面,而浸润线则为工程地质勘察所测,计算模型如图1所示。

图1中,X轴表示沿坝体轴线方向坝体长度,Y轴表示相对于所选取高程的坝体高度。

2 计算方法[8—10]

2.1 静力分析

静力分析是为了计算坝体的初始静应力,为动力分析提供初始应力条件。求解公式如下:

1—尾粉土(1)12—尾粉土(1)23—粉质粘土4—砾石素填土5—碎石素填土6—中风化角砾岩

式(1)中,[K]为尾矿坝总刚度矩阵;{p}为外荷载向量;{u}为节点位移向量,是待求量。根据求得的各节点位移值计算相应的应变值,进而求得各单元应力分量。

2.2 动力分析

尾矿坝的动力分析采用有限元方法。对于一个系统的动力反应的有限元方程可表述为:

式(2)中,[M]为质量矩阵,[C]为阻尼矩阵,[K]为刚度矩阵,[F]为载荷矢量,为节点加速度矢量,为节点速度矢量,[α]为节点位移矢量。

质量矩阵[M]可表述为:

式(3)中,ρ为密度,[N]形函数。

阻尼矩阵[C]可表述为:

式(4)中,α、β称为瑞利阻尼系数,为标量,与阻尼比有如下关系:

式(5)中,ω为体系的固有震动频率。

动力分析采用不排水有效应力法,即假定在短暂的地震作用下,空隙水压力来不及排出,从而不发生孔压的扩散和消散。

等效线性模型为:

式(6)中,Gmax为最大动剪切模量(周期动力荷载状态),k和n为常数,σ′m是初始平均有效正应力。

在假定不排水条件下,实际计算时,将整个时段分成若干个子段,对每个字段按式(6)计算最大动剪切模量,这样处理后,所做的地震反应分析是一种近似的有效应力地震分析。动力计算参数如表2所示。

液化判别采用Seed等人提出的循环应力法,它是通过计算孔压比来决定土体是否液化,其振动孔隙水压力的计算公式如式(7)。

式(7)中,μexcess为超空隙水压力;σ′3c为初始有效小主应力;a为系数,取平均值0.7;NL为达到液化所需要的应力循环次数,与应力循环比(CSR)有关;N为某计算时刻以前各时段的等效振动次数的积累值。

土体的液化判别:动剪应力大于抗液化剪应力。只要满足条件就认为土体发生液化。

2.3 稳定分析

尾矿坝的动力边坡稳定安全系数是在地震分析的基础上采用有限元方法进行计算的,相应于最小安全系数Fmin的滑动面即是潜在的滑动面。Fmin可以作为反映该尾矿坝稳定程度的指标。

安全系数定义为该滑动面上各段抗滑能力的代数和与诸下滑力的代数和之比,如式(8)。

式(8)中,fi=tanφ′,σi、τi、Δli、φ′、ci分别为滑动面第i段的平均法向应力、平均剪应力、段长、内摩擦角与粘结力,n为滑动面的分段总数。在有限元计算中,σi、τi等可看作第i个单元作用在滑动面上相应的应力分量。

3 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)和《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001),狮凤山铜矿者拉母箐尾矿库抗震设防烈度为8度,地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为0.20 g。

本文选用EL-Centro地震加速度时程曲线作为计算采用的地震加速度时程曲线,并根据该坝实际情况,对地震输入曲线进行了部分调整。加速度幅值调整至0.2 g,地震历时为20 s,如图2所示。

4 计算结果及分析

坝体的初始静应力状态对其抗震稳定性有重要的影响,本文采用线弹性方法分析坝体的初始静应力状态。根据实验资料,各种材料的静力计算参数如表1所示。

采用动力时程分析方法得出了地震作用下尾矿坝坝体各点的位移、加速度及剪应力状态,所采用的动力计算参数如表2所示。本文仅选择具有代表性的点A、B、C、D、E(参见图8~图9)进行分析,并给出了坝体液化区域分布图。

4.1 位移与加速度反应

图3、图4表明,尾矿坝的相对水平位移自下而上不断增加,在尾矿坝坝顶处A点达到最大水平位移0.105 m。坝体的最大加速度发生在2.38 s时刻的坝顶处A点,其值为0.526 g,与输入地震动峰值相比放大倍数为2.63倍。由此说明:尾矿堆积坝越高,随地震产生的位移和加速度就越大,越不利于坝体的稳定。

4.2 应力分析及液化情况

相对最大加速度时刻尾矿坝的Y向应力如图5所示,剪应力时程曲线如图6所示。其中点D位于可能出现的滑动面附近(见图9)。地震时,D点的剪应力在地震峰值时最大,当地震结束时就比较小了,最大剪应力值为240 k Pa。根据土的抗剪强度机理—摩尔-库伦强度准则[11],如式(9)。

式(9)中,τf表示抗剪强度,c和σtanφ分别为黏聚强度和摩擦强度,此式表明材料的抗剪强度与正应力有关。

结合图5、图6与图7得知,在加速度峰值时刻,D点的剪应力最大,而其Y向应力最小,应力大小为806 k Pa。结合表3得知,在加速度峰值时刻,最大剪应力小于坝体的抗剪强度,所以此时坝体不易发生剪切破坏。随着地震的进程,D点Y向应力都大于加速度峰值时刻,所以坝体材料的抗剪强度都大于加速度时刻,而剪应力都小于加速度峰值时刻,所以,在地震的作用下,坝体是安全的。

地震结束时,液化区域分布如图8所示,从图中可以看出液化区主要分布在两个地方,最大部分的宽度为135 m。该部分主要为尾粉土(1)1,从材料的计算指标来看,在地震作用下其具有较低的抗液化能力,故容易液化,但该部分距离坝顶较远,不会对坝体的稳定性造成太大的影响。并且,在浸润线的出水口处发生的小面积的液化对坝体的稳定性影响也不大。但是,还应加强日常管理,在液化区采取加固措施,确保尾矿库的安全。

4.3 动力安全系数计算

利用尾矿坝的动力计算结果,采用有限元方法计算尾矿坝在动力条件下的安全系数,得出安全系数为1.108,大于规范值1.05,表明坝体在8度地震作用下是稳定的。计算参数如表3所示,结果如图9所示。

5 结论

(1)地震加速度峰值为0.20 g的8度地震作用下,者拉母箐尾矿坝坝体的最大位移为0.105 m。最大加速度为0.526 g,与输入地震动峰值相比放大倍数为2.63倍。表明了尾矿堆积坝越高,坝体随地震产生的位移和加速度就越大,越不利于坝体的稳定。

(2)地震时坝体的应力比较小,根据土的抗剪强度机理判断,在加速度峰值时刻尾矿坝不易发生剪切破坏,而在整个地震进程中,尾矿坝也是安全的。

(3)地震结束后,液化区出现在了尾矿坝的局部,但是仍有可能影响到整个坝体的安全性,应在液化区采取加固措施。

(4)根据动力的计算结果,分析得出尾矿坝的动力安全系数为1.108,高出《尾矿库安全技术规程》规定值1.05,说明者拉母箐尾矿坝在动力条件下是稳定的,但是安全储备不高,故应加强库区日常管理,密切监测浸润线的变化。

参考文献

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[3]王国华,段希祥,杨溢,等.高烈度地震对龙都尾矿坝稳定性影响的研究.昆明理工大学学报(理工版),2008;33(4):1—6

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[10]Kovacevic N.Finite element analysis of a rockfill dam.Proc8Int Conf Comput Methods Adv Geomech,Morgantown,1994:2459—2465

尾矿坝加高稳定分析 篇7

关键词：坝体稳定性,可靠度,浸润线,安全系数,二次多项式序列响应面法

1 庙冲尾矿库简介

庙冲尾矿库初期坝于1987年建成,为土质坝体,属于不透水坝。初期坝坝底标高+143.0m,坝顶标高+168.0m,坝顶宽4m,坝高25m,坝体轴线长约80m。初期坝下游坡比由上至下依次为1:2.5和1:2.75;上游坡比由上至下依次为1:2和1:2.5。初期坝底部设排水棱体,排水棱体为堆石体,顶部标高+149.0m,底部标高+143.0m,棱体高程为6.0m,堆石体下游坡坡比1:2,上游坡坡比为1:1.5。

庙冲尾矿库采取上游式筑坝,目前,堆积坝由5级堆积子坝组成,堆积坝顶标高约为+183.5m。堆积子坝采用袋装尾砂迭层堆筑而成,该尾矿库放矿方式为坝前放矿,尾矿是在水力作用下排放洗选沉积的,整体来说,尾矿库中平面上具近坝体粗远坝体细的特点,剖面上具上粗下细的特点。庙冲尾矿库滩顶标高为183m,尾矿沉积滩平均坡度约为2%,坡向库尾。库内死水位标高为178.5m,干滩长度约150m,尾矿水澄清距离为185m,

2 尾矿坝坝体的渗流分析

2.1 渗流计算基本理论

渗透计算选用有限单元法,设置边界条件,计算浸润线位置、坝体和坝基的渗流量以及坝体出逸段的水力坡降。用有限个单元的集合体代替连续的渗流场。选择简单的函数关系表示单元上的水头分布,解得渗流场节点处满足一定精度的水头值。二维情况下,在x方向和y方向的流量改变速率的总和加上边界流量就等于相应时间的微元体积的变化量。

在稳态条件下,相同时间内流入和流出单元体积的流量是相等的,故简化方程为:

[K]{h}={F}(2)式中:——总水头,(uw为孔隙水压力;γw为水的容重;y为高程);

K——x方向渗透系数;

ky——y方向渗透系数;

Q——边界流量;

[K]——有限元系统的渗透矩阵,为各单元渗透矩阵求和;

{h}——有限元系统的节点水头列阵;

[F]——已知常数列阵,由已知水头节点给出。

2.2 渗流模型的建立

本次稳定分析采用垂直于坝轴线的5线主沟槽剖面,采用该剖面能够更好地反映稳定分析中的各种因素,最有可能找到坝体的最小稳定安全系数,故该剖面具有很好的代表性,如图1所示。坝体剖面各土层力学指标参数与随机变量统计见表1和表2。

2.3 坝体浸润线与安全系数

为了解尾矿库的渗流状态,对庙冲尾矿库进行渗流计算,根据矿方提供的相关资料及《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)提供的参考指标,对庙冲尾矿库各土层渗透系数取值见表1所示。

根据调洪演算的结果,采用渗流分析软件对回采初期现状标高尾矿库最高洪水水位的浸润线进行计算。渗流计算结果表明,庙冲尾矿库在回采初期洪水状况下运行时,浸润线均不会在坝坡出逸,不会产生管涌、流土现象,此时坝体的安全系数FS=1.165,模拟结果见图2所示。

3 基于二次多项式序列响应面法的坝体稳定性可靠度计算

3.1 坝体稳定性的功能函数

根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)规定,“设计烈度为6度时,可不进行抗震计算”。由于本地区地震烈度小于6度,故稳定分析时仅考虑洪水运行工况。该尾矿库为四级尾矿库,依据相关法律规范的规定,选定FS=1.05为区分尾矿坝坝体是否安全的临界条件,即可以用它来表征坝体的稳定状态,由此确定存在以下关系:

式中:X1,X2,…,Xn——影响功能函数值的随机变量;

FS——安全系数的阀值;

f——已知浸润线情况下不同岩体力学参数对应的尾矿坝坝体安全系数。

3.2 二次多项式序列响应面法的模型构建流程

由于尾矿坝坝体安全系数是通过slide软件在已知各力学参数的情况下计算获得,故在进行可靠度分析时,只考虑岩体弹粘聚力C、内摩擦角φ和密度ρ3个变量。

对于已经确定的功能函数,由于只考虑3个随机变量,故可得到二次多项式序列响应面函数的具体模型[1,2,3,4,5,6];

式中:α、βi、λi、μi——待定常数,可以利用插值技术求解,具体过程如下,并见图3。

(1)选定初始迭代点,一般选均值,x(1)==(u1,u2,u3),并计算功能函数Z=g(h,w,d,FS)的值。

(2)计算另外6个试验点的功能函数值。

(3)由(1)和(2)得到7个点估计值,构建7个方程,通过解线性方程组而可以得到α、βi、λi和μi(i=1,2,3)的具体值,从而确定与二次多项式近似的功能函数,即极限状态方程。

(4)根据统计参数及其分布类型,对非标准正态分布的基本变量作变换。

(5)利用二次多项式序列响应面法求解验算点X*及可靠度指标β。

3.3 稳定性可靠度的计算

根据3.2介绍的流程,设计数值分析的试验表,并通过slide计算出各级参数下的坝体稳定性安全系数,得到如表3所示结果和图4。

根据构建流程可得到二次多项式序列响应面函数为:

代入表4中数据可得到如下方程组:

在MATLAB当中解方程组,可得到:

由可靠度β的几何意义可知,将求可靠度β与验算点P*即可以转换为以下模型的最优解。调用优化工具箱函数fmincon可得到可靠度与验算点:

通过计算得到可靠度指标β=2.040 461,验算点为X*=(24.100 360,18.149 176,28.276 240),失效概率Pf=0.020 652。说明该尾矿坝坝体在岩体力学参数随机变化范围内,坝体足够稳定,不会发生破坏。为了验证该方法所得结果的准确性,采用蒙特卡罗法[7],计算1 000次,得到可靠度指标为3.45,失效概率为Pf=2×10-4,即说明该方法计算结果准确。

4 结论

(1)以国内一矿山尾矿库为例,采用有限元分析尾矿坝坝体的渗流情况,在此基础上得到洪水运行情况下坝体的浸润线与安全系数FS=1.165,即坝体不会发生管涌与滑坡等灾害。

(2)采用二次多项式响应面法构建模型,计算坝体在粘聚力、内摩擦角和重度服从正态分布情况下的稳定性可靠度,经过分析可知,该尾矿坝可靠度为β=2.040 461,失效概率Pf=0.020 652,说明该尾矿库在力学参数随机变化情况下发生滑坡的概率很小,坝体不会发生破坏。

参考文献

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