尾矿库中后期坝体稳定性计算分析

龙明魁　费维水

摘  要： 尾矿库坝体存在溃坝危险，所以尾矿库是一座重大危险源，在国际灾害事故排名中位列第18 位。可见，对尾矿库坝安全进行研究，并加强监管和监控，对于防止尾矿库事故的发生，保证尾矿库安全运行是极其重要。本文采用MIDAS岩土工程分析软件，对元江尾矿库的大坝进行三维静力稳定性分析，研究其在静力作用下的位移、应力变化规律，从而判定其稳定性。三维分析时大坝在正常工况和洪水工况下，在洪水工况下的安全系数均大于规范所规定的最小安全系数要求，即满足规范要求，坝体稳定。

关键词： 尾矿坝：三维建模：静力稳定性：尾矿坝稳定性的研究

中图分类号： TU196    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.034

【Abstract】： Tailings reservoir dam body is in danger of dam failure， so tailings reservoir is a major hazard source， ranking 18th in the international disaster accident ranking. It can be seen that it is extremely important to study the safety of tailings reservoir dam and strengthen supervision and monitoring in order to prevent tailings reservoir accidents and ensure the safe operation of tailings reservoir. In this paper， using MIDAS geotechnical analysis software， the three-dimensional static stability of the dam in Yuanjiang tailings reservoir is analyzed， and the displacement and stress variation of the dam under static force are studied， and its stability is determined. During the three-dimensional analysis， the safety factor of the dam under the normal working conditions and flood conditions is greater than the minimum safety factor required by the specification， that is， the requirements of the specification are met and the dam body is stable.

【Key words】： Tailings dam; Three-dimensional modeling; Static stability; Research on the stability of tailings dam

0  引言

大坝坝址地段沟谷呈U字型，组成坝址地段的坝基持力层由红粘土及中等风化白云质灰岩构成，红粘土层层厚为2.50～15.00 m，主要分布在沟谷底部，其下基底为中等风化白云质灰岩，左、右坝肩为白云质灰岩层，坝坡较缓，坝坡稳定，坝址地段无不良地质作用，地下水富水性较差。大坝初期坝为均质土坝，筑坝土体人工填土经筑坝碾压呈稍密状（中密状态），坝底标高为1353.00 m，筑坝顶标高为1365.50 m，标高约为12.50 m，坝长约为157.00 m，坝前砌筑浆砌石防渗护坡，坝底安置泄水管道，大坝经运行23年其上并有尾矿堆坝，坝体未发现任何裂隙及变形现象，坝前尾矿中的地下水位靠近坝底，坝基土及坝体未发现尾矿水的渗漏现象，目前初期坝体处于稳定状态。大坝坝体见图1。

现尾矿堆积坝高8.50 m，坝高21.00 m，增容后坝高增加8米，大坝坝高为29.00 m，初期坝坝内坡比为1∶3，坝外坡比为1∶2.5。大坝剖面如图2所示。

1  理论分析

尾矿坝稳定性研究一般是将尾矿坝当成边坡，对其进行稳定性研究，现采用以下三种方法对尾矿坝进行研究分析。分别是极限平衡法、数值分析法和强度折减法。

1.1  极限平衡法

极限平衡法通常根据作用于岩土体中潜在滑裂面上块体沿破坏面的抗剪力与该块体沿滑裂面的剪切力之比，求得该块体的稳定性系数。极限平衡法的一般步骤：先假设破坏是沿着土体内某一确定的滑裂面滑动，做一定的假设消除超静定性，再根据滑裂土体的静力平衡条件和摩尔库仑破坏准则计算沿该滑裂面滑动的可能性，即安全系数的大小或破坏概率的高低，然后系统选取多个可能的滑动面，并计算其稳定安全系数或破坏概率。安全系数最低或破坏概率最高的滑动面就是最危险的滑动面。

极限平衡法因模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂形状剖面、能考虑各种土质、孔隙水压力以及各种加载形式等优点，而在工程实践中得到广泛应用。

当然极限平衡法也存在着些局限性：

1、需事先假设边坡中存在的滑动面;

2、無法考虑土体与支护结构之间的作用及其变形协调关系;

3、不能计算边坡及支护结构的位移情况

1.2  数值分析法

数值分析法60年代被引入到边坡稳定性分析中，其突出特点是有利于处理非线性、非均质、复杂边界边坡的稳定性分析。

有限元法是一种十分成熟的数值方法。它的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。不过有限元法也有着它的不足，在解决大变形和位移不连续问题以及对于无限域、应力集中的问题方面，有限元法还有着一定的局限性。

2  三维建模

尾矿库大坝设计图用Midas/GTS建立三维模型，模型有117016个四面体单元，59194個节点，模型共划分了9种材料，模型初期坝中的堆石坝的材料为碎石;黏土坝的材料为覆土;模型的第一层尾矿材料为尾中砂;模型第二层尾矿材料为尾粉土;模型第三层尾矿的材料为尾粉质粘土以上5种材料的网格单元尺寸都是3 m。模型地层材料为红粘土，网格单元尺寸为6 m;模型基层材料为红粘土，模型山体材料为石灰岩，其网格单元尺寸都为12 m。

2.1  大坝有效正常工况下静力稳定分析

（1）大坝的位移计算结果图如图3计算得到最大整体位移为4.74528×10–2 m，位移变化范围为4.74528×10–2～0 m。

（2）大坝的应力计算结果如表1所示，计算结果图如图4～6所示。

2.2  大坝全应力正常工况下静力稳定分析

（1）大坝的位移计算结果图如图7计算结果最大整体位移为4.74545×10–2，位移变化范围为4.74545×10–2～0 m。

（2）大坝的应力计算结果如表2所示，计算结果图如图8～10所示。

3  计算结果分析

正常工况和洪水工况静力计算结果对比分析，如表4所示。

由表4可知，洪水工况和正常工况下的安全系数相比较，洪水工况下计算得到的安全系数相对较小，洪水工况下的安全系数比正常工况下的小4.5%，说明浸润线对尾矿坝的稳定性影响比较显著。分析其原因可知，由于洪水工况下，浸润面以上和以下的土体都趋于饱和状态，土体含水量增加，引起土体容重增加而粘聚力和内摩擦角减小，导致土体的抗滑力减小而安全系数降低;洪水工况下的整体最大位移大于正常工况下的整体最大位移，分析其原因可知，洪水工况下，土体趋于饱和状态，土体含水量增加，土颗粒间相对摩擦力减小，导致土体沉降量增大。尾矿坝大坝在正常工况和洪水工况下的静力计算结果表明，尾矿坝大坝处于稳定状态。

4  结论

4.1  正常工况

大坝计算得到的稳定性系数为1.57031，根据《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB50547-2013），大于规范中所要求的正常工况运行下最小安全系数1.20，满足规范要求，因此坝体是稳定。

从上述分析中可以看出，在地震作用下，尾矿坝坝体产生了一定的变形，尾矿坝的坝顶处的位移都不算太大，且沿四周呈辐射状逐渐散开。产生这种结果的原因是由于在地震循环荷载下，尾矿的强度逐渐减小，发生塑性变形。

从上述图片中可以看出：尾矿坝在相同方向的两种不同地震波的作用下加速度最大的位置分布基本一致，皆位于尾矿的中心附近，且沿四周呈辐射状逐渐减小。

4.2  洪水工况

大坝在洪水工况下计算得到的稳定性系数为

1.36958，根据《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB50547—2010），大于规范中所要求的洪水工况运行下最小安全系数为1.10，满足规范要求，因此坝体处于稳定。

从上述分析中可以看出，在地震作用下，无论是采用反应谱法还是时程分析法，尾矿坝的坝顶处的位移都不算太大，且沿四周呈辐射状逐渐散开，产生这种结果的原因是由于在地震循环荷载下，尾矿的强度逐渐减小，发生变形。

由上述图片中可以看出：尾矿坝在相同方向的两种不同地震波的作用下加速度最大的位置分布基本一致，皆位于尾矿的中心附近，且沿四周呈辐射状逐渐减小。

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