孫世國,臧聲濤,柏朝梅,薄 登

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144)

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的,用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所[1]。我國作為礦業(yè)大國,礦產(chǎn)資源豐富,開采過后形成了不同種類、不同規(guī)模的尾礦庫。尾礦庫的使用年限一般為50年,但受歷史及成本因素影響,尾礦庫的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低,在服役期內(nèi),若管理和維護(hù)工作不到位,加上洪水、地質(zhì)災(zāi)害、超載等危險因素的作用,可能導(dǎo)致尾礦庫壩體失衡,從而引發(fā)安全事故[2-3]。因此,國家高度關(guān)注尾礦庫的安全風(fēng)險狀況,經(jīng)國務(wù)院同意中央八個部委聯(lián)合印發(fā)了《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案》(應(yīng)急〔2020〕15號)。

國內(nèi)外學(xué)者從不同角度研究了影響尾礦庫壩體穩(wěn)定性的有關(guān)因素,例如尾礦沉積特性、尾礦庫土體的物理力學(xué)性質(zhì)、自然災(zāi)害、水滲流及浸潤線高度等[4-7]。然而,關(guān)于尾礦庫壩體穩(wěn)定性評價尚無獨立的分析體系,在實際工程中一般將尾礦庫壩體視為邊坡,并利用邊坡穩(wěn)定性分析方法對尾礦庫壩體進(jìn)行研究。而極限平衡法作為邊坡穩(wěn)定性分析的一種重要方法,具有力學(xué)模型簡單、所需數(shù)據(jù)易收集的優(yōu)點[8-9],在尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究中受到了廣泛的應(yīng)用。

本文以北方某尾礦庫為研究對象。借鑒有限元單元劃分理念和極限平衡理論,采用有限次數(shù)值組合計算方法,運用全局臨界滑移場原理[10],搜索并確定了該尾礦庫壩體的危險滑面。并基于該尾礦庫壩體建立了尾礦庫壩體穩(wěn)定性全局精細(xì)化評價體系,對該尾礦庫壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價,為尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究提供了一種新的思路。

1 尾礦庫壩體穩(wěn)定性影響因素分析

尾礦庫壩體的穩(wěn)定性受多種因素的影響,包括尾礦庫選址的地質(zhì)條件、尾礦砂的顆粒組成物以及尾礦庫壩體結(jié)構(gòu)等,以下是一些常見的影響因素。

地質(zhì)條件:尾礦庫所處的地質(zhì)條件是影響壩體穩(wěn)定性的重要因素。地質(zhì)條件包括地形、地貌、地層結(jié)構(gòu)、地震活動等,這些因素會較大程度地影響壩體的承載能力和穩(wěn)定性。

尾礦性質(zhì):尾礦的性質(zhì)也是影響壩體穩(wěn)定性的重要因素。尾礦的含水量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等物理參數(shù)會對尾礦的流動性和滲透性產(chǎn)生影響,從而影響壩體的穩(wěn)定性。

壩體結(jié)構(gòu):壩體的壩頂寬度、壩體坡度等參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式和也會影響壩體的穩(wěn)定性。不同的參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式會對壩體的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響。

壩體施工質(zhì)量:壩體的施工質(zhì)量也是影響壩體穩(wěn)定性的重要因素。如果施工質(zhì)量達(dá)不到規(guī)范要求,壩體的質(zhì)量和穩(wěn)定性都會受到影響。

環(huán)境因素:環(huán)境因素包括氣候、降雨、洪水等,這些因素會增高尾礦庫的水位和水壓,從而影響壩體的穩(wěn)定性。

壩體監(jiān)測:壩體監(jiān)測是影響壩體穩(wěn)定性的重要因素。定期對壩體進(jìn)行監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)壩體變形超限、滲漏等問題,并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù),可以有效保證壩體的穩(wěn)定性。

2 實現(xiàn)尾礦庫壩體穩(wěn)定性全局精細(xì)化評價的方式

尾礦庫壩體穩(wěn)定性全局精細(xì)化評價體系可以同步計算出壩坡整體和局部的穩(wěn)定性,并找出最危險滑面的位置和形態(tài)分布情況。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),將壩坡單元體劃分成足夠小的尺度,以便用全局臨界滑移場法來求解對應(yīng)的滑面。使用這種方法可以解決尾礦庫壩體穩(wěn)定性評價結(jié)果的可靠性問題,并提高尾礦庫壩體穩(wěn)定性評價結(jié)果的精度[11]。同時,這種方法還可以更好地考慮壩坡的局部特征,從而更加準(zhǔn)確地評估尾礦庫壩體的穩(wěn)定性,在尾礦庫工程的設(shè)計和施工中具有重要的應(yīng)用價值。

2.1 基于廣義剩余推力判斷壩體穩(wěn)定性

剩余推力法是一種用于分析土體穩(wěn)定性的方法。該方法基于極限平衡原理,通過計算土體的剩余推力來判斷其穩(wěn)定性。

具體來說,剩余推力法將土體分為兩部分:穩(wěn)定體和滑動體。穩(wěn)定體是指土體中不會發(fā)生滑動的部分,而滑動體是指土體中可能發(fā)生滑動的部分。在計算穩(wěn)定體的重力和支持力之后,通過剩余推力法計算土體內(nèi)部的剩余推力來判斷其是否會發(fā)生滑動。如果剩余推力小于摩擦力,則土體不會發(fā)生滑動,土體穩(wěn)定;如果剩余推力大于摩擦力,則土體會發(fā)生滑動,土體不穩(wěn)定。

剩余推力法的優(yōu)點是可以考慮土體或巖石體內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不均勻性,適用于各種不同類型的土體。

基于上述概念,以Janbu法為例,推導(dǎo)尾礦庫壩坡的剩余推力[12]。首先,需要將壩坡分成多個條塊,并將條塊間接觸面分成多個離散狀態(tài)點。每個狀態(tài)點都有一個危險滑動方向和一個土體最不利狀態(tài)下的可能產(chǎn)生的剩余推力。在計算過程中,需要考慮以下三個假設(shè):忽略各個滑移體之間的自身相互擠壓作用、忽略各個滑移體兩側(cè)面的摩擦力以及假設(shè)各個滑移體上推力作用的方向平行。

綜上所述,壩坡受力分析圖如圖1所示。

圖1 壩體受力分析圖

根據(jù)牛頓第一定律,任意選取劃分的土條,建立土條豎直方向和水平方向力的平衡關(guān)系式,如式(1)所示。

(1)

式(1)中:αi—第i條塊底面傾角

wi—第i條塊重力

pi—條塊推力

pi+1—廣義剩余推力

Ni—土條底部法向反力

Ti—土條底部切向力

根據(jù)安全系數(shù)定義和摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則,得到式(2)。

(2)

式(2)中:bi—第i條塊底面寬度

ci—第i條塊底面黏聚力

φi—第i條塊底面內(nèi)摩擦角

Fs—安全系數(shù)

聯(lián)立式(1)和式(2)消除Ni和Ti,得到式(3)。

(3)

式(3)中,求出的pi+1是危險滑面出口處的廣義剩余推力。為了找出最危險滑面,需要對比求出各種情況下pi+1的最大值,這個最大值定義為最大剩余推力。當(dāng)最大值為零,即最大剩余推力為零時,對應(yīng)的安全系數(shù)就是壩體的穩(wěn)定系數(shù),對應(yīng)的滑移曲線就是最危險滑面,這種狀態(tài)亦代表了壩體處于臨界狀態(tài)。在確定滑面的出口位置時,需要考慮整個尾礦庫的結(jié)構(gòu)分層多樣、參數(shù)參差不齊的特點,因為該滑面不一定代表整體的穩(wěn)定狀態(tài),也可能是局部穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述,使用廣義剩余推力可以更好地把握精細(xì)化評價體系中的力學(xué)機理,更能適應(yīng)尾礦庫工程的特點,為尾礦庫工程的設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。

2.2 基于全局臨界滑移場技術(shù)搜尋臨界滑移面

利用全局臨界滑移場技術(shù)尋找臨界滑移面時,首先需要不斷調(diào)整安全系數(shù)進(jìn)行搜索,直到計算出最大剩余推力為零,這時的安全系數(shù)對應(yīng)的滑面就是臨界滑移面。對于尾礦庫壩體而言,通過計算剩余推力得到壩坡的極限狀態(tài),若其內(nèi)部存在臨界滑移面,則該臨界滑移面對應(yīng)的安全系數(shù),就是壩坡的安全系數(shù)[13-15]。

綜上所述,全局臨界滑移場優(yōu)勢在于能夠同步計算壩坡整體和局部穩(wěn)定性。因此,運用全局臨界滑移場技術(shù),可以更加精準(zhǔn)地預(yù)測尾礦庫壩體的穩(wěn)定性,從而為工程設(shè)計和施工提供更加可靠的安全基礎(chǔ)。

3 尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析

利用全局臨界滑移場技術(shù),搜索并確定該尾礦庫壩體臨界滑面的進(jìn)出口位置,并基于數(shù)值模擬軟件GEO-Studio建立數(shù)值分析模型。根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》GB39496-2020的規(guī)定,運用Bishop法和瑞典圓弧法對尾礦庫進(jìn)行自然工況、洪水工況、特殊工況下的穩(wěn)定性狀態(tài)計算。如圖2所示,以北方某尾礦庫的2-2剖面為例進(jìn)行分析。

圖2 工程地質(zhì)典型剖面圖

3.1 工程地質(zhì)概況

北方某尾礦庫初期壩為透水堆石壩,壩底標(biāo)高250m,初期壩頂標(biāo)高277m,最大壩高27m,壩頂寬3.5m,上游坡為1:1.85,下游坡為1:1.70。堆積壩采用上游法尾礦筑壩,終期標(biāo)高336.50m,堆積坡比1:4.3,最大壩86.5m,總庫容約411萬m3,屬三級尾礦庫。尾礦庫地層主要是太古代變質(zhì)巖地層,周邊出露長城系、侏羅系沉積巖,周圍多被上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)覆蓋。各巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬工況

根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》GB39496-2020規(guī)定,自然工況指壩體自重和穩(wěn)定地下水位形成的滲透壓力的荷載組合;洪水工況指壩體自重和最高洪水位形成的穩(wěn)定滲透壓力的荷載組合;特殊工況指壩體自重、穩(wěn)定地下水位形成的滲透壓力及地震荷載三者的荷載組合。

綜上所述,根據(jù)該尾礦庫的基本情況和勘查報告,將當(dāng)前壩高27m、干灘長度150m、穩(wěn)定水位標(biāo)高301m設(shè)為自然工況;將洪水運行期最小灘長50m、最高洪水位302.3m設(shè)為洪水工況;根據(jù)尾礦庫設(shè)計信息,將基本地震加速度值0.10g、反應(yīng)譜特征周期0.45s設(shè)為特殊工況;本文擬在以上三種工況下進(jìn)行壩體穩(wěn)定性分析。

根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》GB39496-2020規(guī)定,壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)如表2所示。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)表

3.3 尾礦庫壩體臨界滑移面搜索

尾礦庫壩體臨界滑移面的搜索結(jié)果如圖3所示。根據(jù)搜索的臨界滑移面,可以確定該尾礦庫危險滑移面的進(jìn)口位置位于一級子壩壩頂,出口位置位于一級子壩的壩腳;由圖3可得,滑面邊緣呈折線形,與一般假設(shè)的圓弧滑面相比更貼近真實的滑面形狀。

(a)臨界滑移面位置

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果

利用GEO-studio中SLOPE/W模塊的有關(guān)功能,建立尾礦庫壩體計算模型,進(jìn)行尾礦庫壩體穩(wěn)定性計算,以Bishop法為例,確定三種工況下壩體的危險滑面如圖4所示,壩體穩(wěn)定性系數(shù)值與規(guī)范允許最小安全系數(shù)值對比結(jié)果如表3所示。

表3 壩體穩(wěn)定性系數(shù)對比表

(a)自然工況

分析圖4和表3,可以發(fā)現(xiàn)不同方法、不同工況下的壩體穩(wěn)定性系數(shù)均介于1.1～1.5之間,滿足規(guī)范要求,并有一定的安全儲備。此外,從壩坡穩(wěn)定性影響因素來看,洪水工況下壩坡安全系數(shù)普遍降低,主要由于降水導(dǎo)致尾礦庫的浸潤線抬升、土層的強度降低、自重應(yīng)力增加和土體下滑力增大,因此可知洪水工況對壩體穩(wěn)定性影響較大。在地震工況下,壩體穩(wěn)定明顯降低。因為發(fā)生地震時,壩坡內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整,土體下滑力增大,但在降雨和地震工況下,壩體的安全系數(shù)值始終大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)值,說明壩體具有一定的安全儲備。

綜上所述,降雨和地震對壩坡穩(wěn)定性均有較大程度的影響,且地震作用對壩坡穩(wěn)定性的減弱比降雨作用更明顯。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)該尾礦庫的實際情況和勘查報告等相關(guān)資料,針對2-2剖面,利用全局臨界滑移場技術(shù)尋找其最危險滑面,并基于GEO-studio建立尾礦庫壩體靜力分析模型,通過Bishop法和瑞典圓弧法進(jìn)行三種工況下的穩(wěn)定性分析。結(jié)論如下。

(1)通過全局臨界滑移場方法,確定該尾礦庫2-2剖面的最危險滑面位于一級子壩的壩腳和壩頂,且滑面的形狀為折線型,同時證明了利用全局臨界滑移場方法搜索危險滑面的合理性和精確性。

(2)考慮到實際工程會受到諸多限制,并且每種極限平衡法的前提條件都不相同,因此,根據(jù)規(guī)范要求,綜合利用Bishop法和瑞典圓弧法對該尾礦庫的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價。對比不同方法下的壩坡穩(wěn)定系數(shù),Bishop法的計算結(jié)果偏大,瑞典圓弧法的計算結(jié)果偏小。

(3)根據(jù)三種工況下的計算結(jié)果,總結(jié)分析出地震對壩坡穩(wěn)定性的影響最大,降雨其次;若壩體發(fā)生滑坡破壞將以表層滑坡為主。因此,在實際工程中要采取適當(dāng)措施預(yù)防土壤液化并降低土壤的孔隙水壓力。

4.2 建議

根據(jù)計算結(jié)果和結(jié)論,應(yīng)采取以下措施提高該尾礦庫壩體的穩(wěn)定性。

(1)加強尾礦庫壩體的監(jiān)測和管理:定期對壩體進(jìn)行監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)壩體變形、滲漏等問題并采取措施進(jìn)行修復(fù),同時加強尾礦庫的管理,確保其運行過程中各項參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

(2)加強壩體的維護(hù):在壩體的維護(hù)過程中,應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,確保壩體的質(zhì)量和安全性達(dá)標(biāo)。

(3)采用新技術(shù)、新材料:采用新技術(shù)、新材料等手段提升壩體的穩(wěn)定性,例如在壩體變形偏大部位采用高強度材料或地下注漿等技術(shù)手段,可以有效提高壩體的穩(wěn)定性。

(4)尾礦處理:盡可能減少入庫尾礦的含水率,降低尾礦的流動性,以增強壩體的穩(wěn)定性。

(5)建議在堆積壩及庫區(qū)灘面進(jìn)行覆土處理;在適當(dāng)位置設(shè)置排洪溝;在植被缺失處適量進(jìn)行綠化,增加覆蓋面積,減少降水入滲量及防止尾礦土發(fā)生流失。