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鞍钢齐大山尾矿坝动力响应分析 ① 曹进海， 胡 军， 姜 鸥， 夏 强， 宋光仁 （辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051） 摘 要 针对尾矿坝的动力响应问题，基于完全非线性动力分析理论，利用有限差分软件 FLAC3D，分析计算了尾矿坝地震响应，获 得了尾矿坝在地震作用下的加速度放大系数、动位移、有效应力及库区液化的动力响应特性。 结果表明，在静力作用下，尾矿坝整 体处于稳定状态，稳定性系数为 1.71。 在动力荷载作用下，竖直方向和水平方向加速度放大系数分别为 2.86 和 2.1，有效应力不大， 具有较大的安全储备；坝体水平向位移变化不大，且液化范围较小，不影响尾矿坝的整体稳定性。 关键词 尾矿坝； 动力响应； 液化； 稳定性 中图分类号 TU435文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2017.05.003 文章编号 0253－6099（2017）05－0010－05 Analysis of Dynamic Response of Angang Qidashan Tailings Dam CAO Jin-hai， HU Jun， JIANG Ou， XIA Qiang， SONG Guang-ren （School of Civil Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， Liaoning， China） Abstract For studying dynamic response of tailings dam， the seismic response of tailings dam was calculated with the finite difference software FLAC3Dbased on the fully nonlinear dynamic analysis theory， and the acceleration amplification coefficient and dynamic displacement， effective stress and the dynamic response characteristics of liquefaction in reservoir were obtained. The results showed that the overall tailings dam was in a stable state under the action of static force with the stability coefficient at 1.71. While the action of dynamic load led to the dam with acceleration amplification coefficients for the vertical direction and horizontal directions at 2.86 and 2.1， respectively， as well as with low effective stress and more safe reserves. It is shown that little change in the horizontal displacement for the dam and a small percentage of liquefaction， result in little impact on the overall stability of the tailings dam. Key words tailings dam； dynamic response； liquefaction； stability 尾矿库是矿山生产的重要组成部分，它是一种特 殊的土工构筑物，其筑坝方式主要有上游法、中线法和 下游法。 我国大多数尾矿坝均采用上游法修建，其修 筑方法简便且成本较低，但是抬高了坝体内的浸润 线[1－2]。 根据理论研究和大量实验分析可知，饱和尾 矿砂对动荷载非常敏感，尤其在地震等动力作用下极 易发生坝体液化，甚至导致溃坝等重大灾害，其强大的 “人造泥石流”严重危害矿山企业和下游人民群众的 生命及财产安全[3]。 由于鞍山地区海城市曾发生过 7.3 级大地震，当时该地区尾矿库曾发生大面积液化 及溃坝现象，基于历史原因，对齐大山尾矿坝进行动力 稳定性分析是非常有必要的，而且可为该地区以后的 尾矿坝建设、加固及液化预测提供可行性依据。 目前，尾矿坝动力分析的研究方法主要采用有限 元法[4－6]。 与完全非线性法相比，等效线性法具有不 能计算永久变形、塑性屈服模拟不合理等缺点。 因此， 本文基于 FLAC3D显式有限差分法，运用完全非线性分 析原理进行尾矿坝动力分析，利用文献[7]二次开发 的 PL-Finn 孔压增长模型，对尾矿坝地震作用下坝体 液化及液化后的变形特性进行深入分析，并对其液化 情况进行判别。 1 工程概况 齐大山尾矿库隶属鞍钢齐大山选矿厂，该库距齐 ①收稿日期 2017－04－13 基金项目 国家自然科学基金（51274053） 作者简介 曹进海（1990－），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事砂土液化、尾矿坝稳定性监测等相关方面的研究。 通讯作者 胡 军（1977－），男，吉林白城人，教授，博士，主要从事尾矿坝稳定性监测、岩土边坡稳定性评价等相关方面的研究。 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №5 October 2017 万方数据 大山选矿厂 7.5 km。 全域南北宽约 2.5 km，东西长约 4.5 km，谷地底标高 56～106 m，约以 1／100 的坡度向 西倾斜，该区国家地震局圈定为 7 级烈度区，总体上鉴 定为对抗震有利的相对稳定区域。 该库总库容 2.55 亿立方米，该尾矿坝为上游式尾矿砂冲击筑坝方式，尾 矿库初期坝坝高 21 m，堆积坝高 84 m，总坝高 105 m， 属于二等库，主要构筑物包括碾压透水堆石初期坝、尾 砂堆积子坝及库内排水系统等。 初期坝坝底标高为 55.0 m，坝顶标高为76.0 m，坝顶宽度6 m，上下游坝坡 均为 1 ∶ 2，最终堆积坝顶标高 160 m，最终坝高 84 m。 本文重点对坝体在地震荷载作用下的动力稳定性进行 分析。 2 模型及参数 2.1 模型建立 根据文献[8]研究成果，将尾矿坝的坝体材料看 作均质材料，以便简化动力分析过程。 本文分析所选 剖面为中轴线剖面（见图 1）。 尾矿库坐落于基岩上， 基岩为不透水层，依据勘察设计资料对尾矿坝坝体进 行单元剖分，整体共划分网格数 27 110 个单元，33 816 个节点，剖分结果如图 2 所示。 库长／m 160 125 90 55 5 0100300200500400600700800900 标高／m 初期坝 浸润线 尾粉砂 尾细砂 基岩 尾粉土 水位面 图 1 几何模型 图 2 尾矿坝网格剖分 模型的边界条件为底部边界竖向位移固定，坝体 侧水平位移固定；底部和堆料侧边界不排水。 2.2 参数获取 2.2.1 材料物理力学参数 为了获取坝体的初始应力场和孔压场，在进行尾 矿坝动力分析之前需对其进行静力分析。 根据 FLAC3D 静力及动力分析原理可知，静力及动力分析所需参数 为干密度、粘聚力、内摩察角、泊松比、杨氏模量等。 根 据相关地质资料和室内物理力学实验获得所需材料物 理力学参数见表 1。 由于各尾矿材料之间存在接触面 （即弱面），动力计算时，这些弱面会造成一定的破坏 作用，因此动力计算中应考虑弱面的影响，其接触面参 数见表 2。 表 1 材料物理力学参数 材料 干密度 ／ （kgm －3 ） 粘聚力 ／ kPa 内摩擦角 ／ （） 泊松 比 尾细沙1 6001.0260.35 尾粉砂1 7001.828.60.35 尾粉土1 70012.0190.38 初期坝2 0900.5320.25 基岩2 7503042 材料 杨氏模量 ／ MPa 饱和密度 ／ （kgm －3 ） 渗透系数 ／ （cms －1 ） 相对密度 ／ ％ 尾细沙181 7501.2510 －3 30 尾粉砂201 8602.1710 －3 40 尾粉土101 8601.810 －6 70 初期坝1202 1800.4 基岩 表 2 动力部分接触面参数 接触面 位置 法向刚度 ／ （MPam －1 ） 切向刚度 ／ （MPam －1 ） 粘聚力 ／ kPa 摩察角 ／ （） 尾细砂、尾粉砂26.7226.721.426 尾粉砂、尾粉土23.7523.751.828 尾粉土、基岩9.399.396.028 2.2.2 地震波输入 依据抗震设计规范，该尾矿坝抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度峰值水平方向取 0.1g，竖直方 向地震加速度的峰值取值 0.05g，地震波采用 El-Centro 波，并经滤波处理后得到输入地震加速度时程曲线如 图 3 所示。 时间／s 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.40 5101520 加速度／m s-2 时间／s 1.2 0.8 0.4 0.0 -0.4 -0.80 5101520 a b 加速度／m s-2 图 3 输入地震加速度时程曲线 （a） 水平方向； （b） 竖直方向 11第 5 期曹进海等 鞍钢齐大山尾矿坝动力响应分析 万方数据 2.3 液化判别法 采用有效应力分析方法判别坝体是否发生液化， 即有效应力等于 0 时，坝体发生完全液化。 数值分析 中考虑计算精度的影响，常用超孔压比描述土体液化 的程度。 在三维数值分析中超静孔压比 ru为 ru＝ 1 － σ′m σ′m0 （1） 式中 σ′m0为动力计算前单元平均有效应力；σ′m为动 力计算过程中单元平均有效应力。 当坝体超孔压比等于 1 时，判定坝体发生完全液 化；超孔压比介于 0.7～1.0 时，表示接近液化。 当单元 发生初始液化即认为液化在振动过程中一直持续。 3 稳定性计算分析 为了获取坝体的初始应力场和孔压场，在进行尾 矿坝动力分析之前需对其进行静力分析。 以图 1 所示 模型尺寸为基础，利用 ANSYS 建立尾矿坝几何模型， 利用 ANSYS-FLAC 程序生成 FLAC3D稳定性分析模型， 并赋予各层相应的物理力学参数（见表 1），进行稳定 性静力分析。 在此基础上，采用自由场边界条件，将地 震波从模型底部边界输入，进行稳定性动力分析。 3.1 静力结果分析 尾矿坝静应力等值线见图 4。 静力分析结果显 示，尾矿坝在初始应力状态下的稳定性系数为 1.71，由 选矿厂尾矿设施设计规范（ZBJ1－90） [9]可知，二级 尾矿坝坝坡抗滑稳定性系数的最小值为 1.25，因此，坝 坡具有较大的安全储备。 由图 4 可见，最大主应力和 最小主应力均大于 0，坝体内土体无拉应力出现，即土 体单元始终为受压状态；最大剪应力值为 0.32 MPa， 坝体内剪应力水平不高。 综上所述，该尾矿坝坝体稳 定性较好。 图 4 静应力等值线图 （a） 最大主应力； （b） 最小主应力； （c） 最大剪应力 3.2 动力分析结果 3.2.1 动力响应分析 尾矿坝加速度时程曲线见图 5～6。 由图 5～6 可 知，地震荷载作用下，坝体不同位置的加速度与坝体的 高度呈正相关性，且有相应的放大系数。坝顶水平向 时间／s 1.2 0.8 0.4 0.0 -0.4 -0.8 -1.20 5101520 加速度／m s-2 时间／s 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.00 5101520 a b 加速度／m s-2 图 5 水平方向加速度时程曲线 （a） 坝顶； （b） 坝顶下方 5 m 处 时间／s 1.2 0.8 0.4 0.0 -0.4 -0.8 -1.20 5101520 加速度／m s-2 时间／s 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.50 5101520 a b 加速度／m s-2 图 6 竖直方向加速度时程曲线 （a） 坝顶； （b） 坝顶下方 5 m 处 21矿 冶 工 程第 37 卷 万方数据 加速度在 3.95 s 时达到峰值，为 2.1 m／ s2，放大系数为 2.1 倍；坝顶竖向地震加速度在 4.05 s 时达到峰值，为 1.43 m／ s2，放大系数为 2.86 倍，其放大系数与水工建 筑物抗震设计规范 [10]规定（在设防烈度为 7 度时，加 速度放大系数为 3.0）比较接近。 与输入加速度相比， 达到峰值的时间随坝体增高相对延后，其原因在于堆 积坝体上升速度过快、尾矿砂较细、孔隙率较大，所以 地震波沿坝体向上传递的过程中，一定程度上存在滞 后性。 地震荷载作用下动力计算等值线见图 7。 图 7 结 果表明，地震荷载作用下，尾矿坝坝体内孔隙水压力增 大，有效应力发生变化，但最大主应力和最小主应力仍 为正值，坝体仍处于受压状态；动剪应力从坡内向坡外 逐渐减小，最大值出现在坝体底部，坡表面最大动剪应 力均小于100 kPa，动剪应力整体较小；在地震作用下， 位移主要发生在靠近坝顶一侧的积水区，坝坡区域位 移较小，尾矿坝整体处于稳定状态。 图 7 地震荷载作用下动力计算等值线图 （a） 动孔隙水压力； （b） 最大主应力； （c） 最小主应力； （d） 最大动剪 应力； （e） 水平方向位移； （f） 竖直方向位移 3.2.2 地震液化分析 液化分析的目的在于确定尾矿库内是否存在液化 区，通过液化区的范围来判定尾矿坝的稳定性。 为了 能够更加直观地观察尾矿库是否发生液化，及判断液 化区域，本文采用文献[7]二次开发的 PL-Finn 动孔压 模型，通过内置 fish 语言编写单元超孔压，并生成不同 地震时程下的坝体液化区域图（见图 8）。 图 8 显示， 尾矿库在地震作用下 3 s 时，局部发生液化，且主要发 生在初期坝坝顶、上游积水区域，其原因在于积水区的 沙土处于饱和状态，地震发生时孔隙水压力上升较快， 易发生液化。 在 0～6 s，液化区随地震响应时间延长 而增大，在 6～20 s 液化区范围基本保持不变。 综上所 述，该尾矿坝在地震作用下，只在初期坝顶和积水区域 发生小面积的液化，尾矿坝整体处于稳定状态。 图 8 尾矿坝地震液化区分布 （a） 3 s； （b） 6 s； （c） 12 s； （d） 20 s 4 结 论 对齐大山尾矿坝进行静力、动力分析及坝体液化 区域的判别，得出以下结论 1） 静力分析采用强度折减法计算坝体安全系数 为 1.71，大于二等库最小安全系数，且有较大的安全储 备，故该尾矿坝稳定性较好。 2） 在地震作用下，坝内的最大主应力和最小主应 力均为正值，表明坝内土体单元仍处于受压状态；动剪 应力从坡内向坡外逐渐减小，坡表面最大动剪应力均 小于 100 kPa，最大动剪应力值出现在坝体底部，动剪 应力整体不高。 3） 在地震作用下，位移主要发生在靠近坝顶一侧 的积水区位置，且水平位移主要向下游移动，符合实际 情况；积水区局部竖向发生了较大变形，但是坝坡整体 31第 5 期曹进海等 鞍钢齐大山尾矿坝动力响应分析 万方数据 位移较小。 坝体加速度随坝高有相应的放大系数，竖 直方向加速度放大系数为 2.86，与规范规定的抗震烈 度为 7 度时的放大系数接近。 4） 对于尾矿坝，抗震烈度为 7 度时，尾矿库在 3 s 时局部发生液化，且主要发生在初期坝坝顶、上游积水 区域，说明积水区沙土处于饱和状态，地震发生时孔隙 水压力上升较快，易发生液化；在 6～20 s 液化区范围 基本没有变化。 该尾矿坝在地震作用下只发生小面积 液化，因此尾矿坝整体稳定性较好。 参考文献 [1] 于广明，宋传旺，潘永战，等. 尾矿坝安全研究的国外新进展及我国 的现状和发展态势[J]. 岩石力学与工程学报， 2014，33（增 1） 3238－3248. 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