李克達(dá) 陳冬華 王樹達(dá)

(1.華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

?

基于地質(zhì)勘查與數(shù)值模擬的尾礦壩穩(wěn)定性研究

李克達(dá)1陳冬華1王樹達(dá)2

(1.華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

以擬建石門溝尾礦庫(kù)壩為研究對(duì)象，采用有限元數(shù)值模擬軟件ADINA，建立了三維數(shù)值模型，并結(jié)合尾礦庫(kù)地質(zhì)勘查資料，分析了尾礦壩的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：擬建尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)為4.35，壩體對(duì)其材料抗剪強(qiáng)度要求并不高，可因地制宜，就地選用庫(kù)區(qū)內(nèi)兩側(cè)山體中的巖石作為壩體材料。

尾礦壩，地質(zhì)勘查，數(shù)值模擬，穩(wěn)定性

0 引言

我國(guó)存在8 000余座大規(guī)模尾礦庫(kù)，壩體滑坡等事故頻發(fā)，對(duì)國(guó)家、企業(yè)、人民的財(cái)產(chǎn)甚至是生命造成重大威脅[1,2]。因此，對(duì)尾礦庫(kù)壩體進(jìn)行準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析和科學(xué)評(píng)價(jià)具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，使尾礦壩穩(wěn)定性分析更趨于多元化。ADINA作為大型非線性有限元仿真軟件，具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)于非線性復(fù)雜問(wèn)題求解易于收斂[3]。文中以石門溝尾礦庫(kù)擬建初期壩為研究對(duì)象，進(jìn)行水文、地質(zhì)勘查，確定壩體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)，通過(guò)ADINA數(shù)值模擬手段進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為擬建尾礦壩提供理論依據(jù)。

1 工程概況

灤平縣道意誠(chéng)黃金選廠擬建石門溝尾礦庫(kù)位于灤平縣五道營(yíng)鄉(xiāng)五道營(yíng)村石門溝內(nèi)，為山谷型尾礦庫(kù)。初期壩為透水堆石壩，壩頂標(biāo)高630 m。根據(jù)擬建的建(構(gòu))筑物規(guī)模、功能特征，同時(shí)依據(jù)GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)和AQ 2006—2005尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，可知擬建的建(構(gòu))筑物工程重要性為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度為二級(jí)，地基復(fù)雜程度為二級(jí)，尾礦庫(kù)為四等庫(kù)，工程勘察等級(jí)屬甲級(jí)。擬建尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)位于相對(duì)獨(dú)立的山谷之中，溝底縱坡度較緩，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，壩區(qū)發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的可能性小，尾礦庫(kù)采用干堆，對(duì)下游地下水環(huán)境影響較小。尾礦庫(kù)下游2 km范圍內(nèi)，無(wú)重要設(shè)施，無(wú)全國(guó)和省重點(diǎn)保護(hù)名勝古跡；避開了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、不良地質(zhì)現(xiàn)象嚴(yán)重區(qū)域；尾礦庫(kù)下無(wú)有開采價(jià)值的礦床；周圍無(wú)鐵路、水庫(kù)、高壓線路等。

2 尾礦庫(kù)地質(zhì)勘查

2.1 地形地貌勘查

本區(qū)地處燕山山脈中段，為低山區(qū)，尾礦庫(kù)所在的溝谷中，地勢(shì)北高南低，海拔高程在569 m～811 m之間。擬建尾礦庫(kù)為山谷型尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)溝谷走向?yàn)榻谀媳?。溝谷橫斷面呈“V”形，主溝谷長(zhǎng)約120 m，西側(cè)支溝為大牛圈子溝，溝谷長(zhǎng)約210 m。谷中有一正在運(yùn)行的尾礦庫(kù)，壩頂標(biāo)高約為607 m，壩底標(biāo)高約為595 m,初期壩高12 m,為四等庫(kù)。庫(kù)區(qū)兩側(cè)山體高處基巖裸露，植被發(fā)育一般。東側(cè)為狼洞溝，溝谷長(zhǎng)約280 m，溝谷較窄，兩側(cè)山體植被覆蓋較好，新建尾礦庫(kù)主溝谷內(nèi)局部被第四系覆蓋，溝口較窄，庫(kù)區(qū)兩側(cè)山體傾角約40°～75°，兩側(cè)山體第四系覆蓋層較薄,山頂巖石基本裸露。庫(kù)區(qū)溝谷及兩側(cè)植被較發(fā)育，植被以松樹為主，植被覆蓋率可達(dá)80%。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

3 尾礦壩穩(wěn)定性的數(shù)值仿真分析

3.1 模型的建立

根據(jù)實(shí)際勘查結(jié)論及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定數(shù)值模擬材料參數(shù)如表1所示。以擬建初期壩尺寸為依據(jù)，將其輸入有限元軟件ADINA中，建立3D數(shù)值仿真模型。材料選用摩爾庫(kù)侖模型，模型臨空面為自由約束，側(cè)面采用水平約束，底面采用固定約束，并采用應(yīng)力導(dǎo)入法平衡模型地應(yīng)力。

表1 各土層參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)有限元后處理結(jié)果文件提取水平位移云圖，如圖1所示?？梢姵跗趬雾斁哂邢蛳禄期厔?shì)，但位移很小，最大僅為7 mm，其他位置穩(wěn)定性良好。豎向位移最大值為5 mm，云圖分析結(jié)果與水平位移結(jié)論相同，云圖略。

從坡腳到壩頂均勻選取A～F 6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)水平位移及豎向位移數(shù)值，并繪制成曲線圖如圖2,圖3所示。無(wú)論水平位移還是豎向位移，坡腳位移值均很小，但后期該位置的變形必須重點(diǎn)關(guān)注，坡腳的破壞很可能會(huì)導(dǎo)致整體壩體的滑塌。位移坡頂處E點(diǎn)的水平位移和豎向位移值為最大，而最靠近坡頂?shù)腇點(diǎn)卻不是最大，這是由于模型仿真分析所施加的約束導(dǎo)致的。總體上，壩體的水平位移和豎向位移值均在容許值范圍之內(nèi)，表明擬建壩體穩(wěn)定性很好。

進(jìn)一步采用強(qiáng)度折減法對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在仿真軟件材料參數(shù)輸入界面中逐次對(duì)壩體材料粘聚力及摩擦角進(jìn)行折減，直至對(duì)應(yīng)壩體臨界狀態(tài)，將折減前后抗剪強(qiáng)度參數(shù)相除，獲取的比值即為對(duì)應(yīng)壩體安全系數(shù)，得出安全系數(shù)為4.35，穩(wěn)定性滿足要求[4,5]。

由擬建壩體材料參數(shù)可見，維持壩體穩(wěn)定的抗剪強(qiáng)度要求并不高，壩體填筑材料可根據(jù)“因地制宜，就地取材”的筑壩原則，擬建尾礦庫(kù)初期壩材料可采用庫(kù)區(qū)內(nèi)兩側(cè)山體中的巖石，但需預(yù)先將覆蓋在山體表層的第四系松散覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層剝離，采用新鮮巖石塊體筑壩，如筑壩材料不足，可采用附近露天采礦場(chǎng)所剝離的新鮮廢石補(bǔ)充。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)合有限元數(shù)值模擬的手段，對(duì)擬建石門溝尾礦庫(kù)壩穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：1)通過(guò)詳細(xì)的巖土勘查，確定了石門溝尾礦庫(kù)的地形地貌、水文地質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)信息，為壩體穩(wěn)定性分析提供了基礎(chǔ)資料;2)通過(guò)數(shù)值仿真建立了三維數(shù)值仿真模型，分析結(jié)果表明擬建尾礦壩穩(wěn)定性很好，安全系數(shù)為4.35;3)結(jié)合尾礦壩數(shù)值模擬參數(shù)分析可知，擬建壩體對(duì)其材料抗剪強(qiáng)度要求并不高，可因地制宜，就地選用庫(kù)區(qū)內(nèi)兩側(cè)山體中的巖石。

[1] 陳冬華.尾礦壩邊坡地質(zhì)勘查及穩(wěn)定性研究[J].山西建筑,2016,42(11):83-85.

[2] 鄭 欣,李全明,許開立.考慮變量相關(guān)性的尾礦壩坡失穩(wěn)潰壩概率計(jì)算方法[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015,11(2):23-27.

[3] 張淑坤,楊 逾,李永靖,等.老采空區(qū)對(duì)地表公路安全穩(wěn)定性影響研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2014,24(12):57-62.

[4] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛(wèi)民，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):343-346.

[5] 連鎮(zhèn)營(yíng),韓國(guó)城,孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開挖邊坡的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4):407-411.

Stability study of the tailings dam based on the geological exploration and numerical simulation

Li Keda1Chen Donghua1Wang Shuda2

(1.514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China;2.SchoolofCivilEngineering&Transportation,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Taking proposed Shimen ditch tailing dam as the research target, the paper applies finite element numerical simulating software ADINA, establishes tri-dimension numerical model, and analyzes the tailing dam stability by combining with tailing dam geology survey data. Results show that: the proposed tailing dam stability coefficient is 4.35, the dam has little demand for its material shearing-resisting strength, which will be suitable for selecting lateral rock as the dam material.

tailing dam, geological survey, numerical simulation, stability

1009-6825(2017)11-0094-03

2017-02-08

李克達(dá)(1980- )，男，工程師

P624

A