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洪水工况下某尾矿坝动力稳定性分析
洪水工况下某尾矿坝动力稳定性分析
杨安银1王光进1
(昆明理工大学国土资源工程学院1昆明650093)
摘要:
本文对会理县小团山尾矿库地质勘查资料整理,合理概化了坝体主轴剖面,采用等效粘弹性模型,对处于洪水工况下的小团山尾矿坝用GeoStudio有限元软件进行数值模拟研究,研究了该尾矿坝在EICentro地震波作用下的反应加速度、位移变化、液化范围、安全系数、动力稳定性的规律,研究结果显示该尾矿坝可在洪水工况下稳定运行,为其他尾矿坝的动力稳定性分析提供参考。
关键词:
尾矿坝;洪水工况;数值模拟;动力稳定性
Analysisofdynamicstabilityofatailingdamunderfloodconditions
YangAnyinWangGuangjin
(FacultyofLandResourceEngineeringKunmingUniversityofScienceandTechnologyKunming650093)
Abstract:
ThispapercollatesthegeologicalexplorationdataoftheXiaotuanshantailingssiteinHuiliCounty,reasonablygeneralizesthemainshaftsectionofthedam,adoptstheequivalentviscoelasticmodel,andusestheGeoStudio,afiniteelementsoftware,fornumericalsimulationfortheXiaotuanshantailingsdamunderfloodconditions.Inthesimulationstudy,thelawofaccelerationreaction,displacements,rangeofliquefaction,safetyfactoranddynamicstabilityofthetailingsdamundertheactionofEICentroseismicwavewasstudied.Theresultsshowthatthetailingsdamcanoperatestablyunderfloodconditions.Thestudyprovidesreferencefordynamicstabilityanalysisofothertailingsdams.
Keywords:
tailingdam;floodcondition;numericalsimulation;dynamicstability
尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金属非金属矿山进行矿石选别后排除尾矿的场所,是维持矿山正常生产的必要设施[1]。
尾矿库属于矿山三大控制性工程之一,是比较特殊的工业建筑物[2-3]。
尾矿库是一种人造的具有高势能的泥石流,由于其存在溃坝的危险,所以它还是重大危险源,威胁下游居民及设施的安全[1]。
进入21世纪,地球已经进入活跃期,地震发生频率和强度都有增高的趋势。
根据世界大坝委员会的统计,地震活动可能引起许多对尾矿库稳定性不利的影响。
蒋成荣等[4]通过FLAC3D数值分析软件,建立某尾矿库的三维实体模型,利用人工合成地震波施加荷载实施地震作用下的尾矿库的流固耦合分析,得到了尾矿库在地震作用下的坝体位移、加速度以及库区液化的动力响应特性。
康志强[5]等利用尾矿材料的力学指标,结合二维动力稳定数值计算模型以及El-Centro地震波、Taft地震波和一条人工合成地震波的基岩输入地震时程曲线,对某尾矿库坝体动力稳定性进行了数值模拟分析。
张力霆等[6]应用Fortran语言进行ABAQUS二次开发,编写邓肯-张E-υ模型和等效黏弹性的Umat子程序。
在此基础上,采用有效应力法对尾矿坝进行三维动力反应及液化分析,计算了正常运行工况下辽宁省北票某尾矿坝在水平地震波影响下的加速度、动剪应力、动孔压增长模式及液化区的发展趋势。
由于尾矿库的研究起步较晚,至今也并没有形成独立的分析体系[7]。
所以开展尾矿库动力稳定性相关的研究对于矿山安全生产、保护下游生命财产安全和周边环境具有重要的意义。
1数值模拟计算
1.1有限元模型的建立
坝体右侧采用竖向约束、水平自由的边界,即U≠0,v=0;基础底部采用水平、垂直双向约束,即U=0,V=0。
几何模型与有限元网格划分与静力计算相同,坝体采用最不稳定坝体(即沿谷底胡计算剖面)增高扩容后坝高2090m,浸润线采用最不稳定坝体的临界埋深25m。
同时选取堆高至2043m坝顶顶点A和最终坝高2090m时坝坡顶点B为特征点,沿谷底的计算剖面在增高扩容后的最终坝高(即2090m)的坝体动力反应分析边界条件、特征点设置与网格划分如图1所示。
图1坝体动力分析计算图
Fig.1Calculationdrawingofdynamicanalysisofthedambody
1.2计算参数的选取
采用等效粘弹性模型对尾矿坝动力响应进行分析,主要对尾矿堆积坝的动力反应和液化情况进行分析。
根据勘察资料,参考相关经验公式及其他尾矿坝工程进行动力参数选取。
动力响应计算参数见表1。
表1坝体动力响应计算参数
Table1Calculationparametersofdynamicresponseofthedambody
岩土名称
容重(KN/m3)
粘聚力C
(kPa)
内摩擦角φ(度)
压缩模量
ES100-200/MPa
泊松比
最大阻尼比
堆石
21.7
0
36
20.0
0.34
0.21
尾细砂
18.9
6.5
34
12.4
0.45
0.35
尾粉砂
19
9.8
31.5
7.4
0.48
0.28
尾粉土
20
9.8
30
7.4
0.48
0.28
尾粉质黏土
19.5
10.78
18.5
7.4
0.48
0.28
基底碎石土
18.5
0
27
12.4
0.45
0.35
微风化石灰岩
22.5
0
40
12.4
0.45
0.35
1.3地震波的输入
小团山尾矿库所在区域抗震设防烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.20g。
在动态稳定性分析过程中,本项目选用典型地震波对其开展地震工况的边坡稳定性分析,即埃而森特罗波(EICentro)地震波。
理论分析及试验观察均表明,动应力和抗剪强度主要取决于地震水平运动,故此处动力分析仅考虑地震水平运动的影响。
埃而森特罗波(EICentro)地震的时间间隔均为0.02秒,其地震波持续时间均设为30s,地震加速度为2.0m/s2即0.20g。
其计算采用的地震波形见图2。
图2EICenter地震波加速度时程曲线
Fig.2AccelerationversustimedataofEICenterseismicwave
2计算结果及分析
2.1反应加速度
地震过程中,坝体水平向最大加速度分布云图见图3,特征点加速度时程曲线见图4。
坝体内加速度在0.03g~0.20g之间。
坝坡面上最大加速度随坝高呈增大又减小的态势。
特征点A、B的绝对最大加速度分别为0.13g和0.10g。
图3水平向最大加速度分布云图(单位:
g)
Fig.3Thecloudpictureofhorizontalmaximumacceleration(unit:
g)
图a特征点A
Fig.aFeaturepointA
图b特征点B
Fig.bfeaturepointB
图4特征点绝对加速度时程曲线
Fig.4Absoluteaccelerationversustimedataoffeaturepoints
2.2位移变化
地震过程中,坝体水平向最大位移分布云图见图5,特征点A、B位移时程曲线见图6。
坝体内水平向最大位移总体呈由下向上逐渐增大的态势,最大值在坝坡顶点,最大为0.17m。
地震过程中,坝体内各点绝对位移呈波动增大趋势,特征点A、B最大绝对位移分别为0.14m和0.16m。
图5坝体水平向最大位移分布云图
Fig.5Thecloudpictureofhorizontalmaximumdisplacement
图a特征点A
Fig.aFeaturepointA
图b特征点B
Fig.bfeaturepointB
图6特征点绝对水平位移时程曲线
Fig.6Absolutehorizontaldisplacementversustimedataoffeaturepoints
2.3液化判别
坝体内最大地震剪应力分布如图7,由图7可知,坝体内最大地震剪应力分布随深度增大而增大,坝坡表面地震剪应力较小,在l00kPa以内。
动剪应力峰值最大值为250kPa,而且最大值集中分布在库底与基岩接触处。
其原因是尾矿渣和初期坝体与基岩的材料动剪切模量存在一定差距,使得不同材料接触部位动剪力有应力集中现象。
分析可知,小团山尾矿坝对计算输入的水平地震波响应不大。
由图8可知液化区域主要分布在下游尾矿库初期坝坝脚浸润线的出水口处以及距离沉积滩滩顶的上游库区。
其中上游库内发生液化的区域较大,分布宽度约为800m。
分析上游库内液化区出现大范围液化的原因。
一方面洪水淹没使得尾矿料处于饱和状态;另一方面地震荷载增大了尾矿料的超静孔隙水压力。
总体分析,坡脚处液化区域对尾矿坝稳定性不利,但液化范围不大。
上游库内液化区范围较大,但该区域距离坝体较远,对坝体稳定影响较小。
因此,震后液化对该尾矿坝的安全运行无实质性影响。
图7最大地震剪应力分布云图(单位:
kPa)
Fig.7Cloudmapofmaximumearthquakeshearingstressdistribution
图8液化区域分布图
Fig.8Thedistributionmapoftheliquefiedregion
2.4安全稳定性分析
采用有限元极限平衡法对地震作用各时段进行稳定性计算,得到坝体安全系数时程曲线见图9。
由图9和图10可知,地震作用过程中,坝体安全系数均大于1,最小值为1.180,出现在第3.9s,大于规范规定的最小值1.00,说明此时尾矿库是安全稳定的。
图9安全系数时程曲线
Fig.9Safetyfactorversustimedata
图10安全系数最小值计算结果
Fig.10Calculationresultofminimumsafetyfactor
2.5变形稳定性分析
由于地震作用过程中,安全系数均大于1,因此不会产生因瞬间失稳造成的滑动变形。
但是仍然会产生由于超空隙水压力造成的震后永久变形。
地震结束孔隙水压力与超孔隙水压力分布见图11~12。
由图可知地震导致坝体内孔隙水压力、超孔隙水压力均有所升高,超孔隙水压力随深度增加而增大,最大接近60kPa。
图11地震结束时孔隙水压力分布云图(单位:
kPa)
Fig.11Thecloudpictureofporewaterpressureattheendoftheearthquake(Unit:
kPa)
图12地震结束时超孔隙水压力分布云图(单位:
kPa)
Fig.12Thecloudpictureofexcessporewaterpressureattheendofearthquake(unit:
kPa)
震后超孔隙水压力消散,浸润线降至原埋深位置,将导致坝体永久变形。
其变形情况见图13~15。
坝体水平向变形主要向着坝体下游,最大水平向位移出现在坝顶处,接近0.3m,库区内部部分液化区域的变形朝向坝体上游,最大变形接近0.1m;坝体竖向变形主要为向下沉降,最大竖向位移出现在液化区边缘,接近0.02m;同时坝坡上出现轻微隆起现象,最大隆起高度不超过0.04m。
图13地震结束时水平位移分布云图(单位:
m)
Fig.13Thecloudpictureofhorizontaldisplacementattheendofearthquake(unit:
m)
图14地震结束时竖向位移分布云图(单位:
m)
Fig.14Thecloudpictureofverticaldisplacementattheendofearthquake(unit:
m)
图15坝体震后位移矢量图
Fig.15Vectorgraphofthedisplacementofthedamaftertheearthquake
3结论
综上所述,基于以上的理论研究以及实验结果,在洪水与地震的共同作用下小团山尾矿坝是安全稳定的。
采用GeoStudio有限元软件在尾矿坝动力稳定性研究具有高效准确的特点,为设计人员在实际工程中大大缩短了设计周期,也为其他尾矿坝安全设计方案提供参考。
参考文献
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[5]康志强,韩强,王森,等.某拟建尾矿库坝体动力稳定性数值模拟研究[J].矿业研究与开发,2015(10):
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25-28.
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