金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析.pdf

第 29 卷第 4 期 岩 土 力 学 Vol.29 No. 4 2008 年 4 月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2008 收稿日期2007-04-04 作者简介李宏儒，男，1974 年生，博士生，主要从事岩土工程计算及试验方面的研究工作。Lhrbj2008 文章编号文章编号1000－7598－2008 04－1138－05 金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析 李宏儒，胡再强，陈存礼，党发宁 （西安理工大学 岩土工程研究所，西安 710048 ） 摘摘 要要金堆城尾矿坝为了进行加高设计而对尾矿库区进行了地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果，最佳反演分析了各分 区尾矿砂和初期坝堆石体模型的渗透系数、物理力学指标和加高方案下的浸润面分布。结合加高设计方案，采用基于有效 应力法的 EFES-3D 计算程序对该尾矿坝加高后的应力应变场进行了数值模拟和坝坡稳定性分析，得出应力应变场分布图和 边坡安全系数。可以看出，在上游法加高方案下，尾矿坝坝坡有涌起抬高现象，安全系数有所降低，不利于尾矿坝的稳定安 全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施建议。 关关 键键 词词尾矿坝；加高设计；应力应变；边坡稳定安全系数；有限单元法 中图分类号中图分类号TU 432 文献标识码文献标识码A Numerical simulation and slope stability analysis in Jingduicheng tailings dam to be designed to increase the dam height LI Hong-ru, HU Zai-qiang, CHEN Cun-li，DANG Fa-ning Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China Abstract The engineering geological drilling exploration for the Jinduicheng tailings dam area is carried out to serve the heightening design of enlarging its volume. According to the permeability, physico-mechanical parameters of the two zones, the tailing sand and the rockfill of initial dam and the distribution of saturation surface under the heightening design plan are determined by the inverse analysis based on the drilling exploration result. Combined with the heightening design plan, the applied numerical is the finite element ; and the software is EFES-3D based on the effective stress. It can numerical simulate both the stress-strain field and safety factor of the slope under the heightening design plan, and be concluded that the dam slope up rush and the safety factor of slope reducing under the upstream heightening design plan, which is not profitable for dam stability and management. Also the measures of drain pipes in the design of enlarging the volume are proposed. Key words tailings dam; heightening design; stress-strain; safety factor of slope; finite element 1 概 述 金堆城尾矿库位于陕西省华县金堆城镇大栗西 村上游的栗西沟内，距百花选矿厂约 7.50 km，为 山谷型尾矿库。 金堆城尾矿库 1973 年由北京有色冶 金设计研究总院设计，1979 年初期坝建成，1984 年正式投入使用。设计总库容 1.65 亿 m3，总坝高 164.5 m，设计标高 1 300 m，服务年限 32 年，属于 二等尾矿库。 目前该库的尾矿已堆至 31 期子坝， 标 高 1 273.92 m。采用上游法尾矿堆坝，坝顶平均升 高速度为每年 4.3 m，还可服务 7 年。依钼业集团 有限公司计划，拟加高到 1 330 m 高程，以满足公 司近、中期堆存尾矿砂的要求。 初期坝坝顶 1 140 m 标高，至 1 300 m 标高为 上游法尾矿堆积坝，在生产中逐步形成外坡 15， 内坡（冲积坡）为 3 左右的尾矿堆积坝。尾矿堆 积坝内部有 3 道排渗设施现已埋设，降低了尾矿堆 积坝浸润线。尾矿堆积坝两岸坝肩设有的截洪沟与 下部初期坝的截洪沟相通。库内的排水设施有框架 式溢水塔。澄清回水通过排水涵管进入隧洞，下接 陡槽和消力池，循环流回厂区，重复再利用，其中 选矿生产 60 的水是回收水。 金堆城尾矿坝于 1984 年投产， 采用放矿管分段 分散放矿，主管设在子坝坝顶。在主管上每隔一定 第 4 期 李宏儒等金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析 的距离设置一条放矿管，每平均升高 3.5 m 形成一 道子坝。堆积尾矿沉积规律受原矿性质、粒度、矿 浆浓度和排放形式影响，勘察中发现沉积尾矿宏观 上具有上粗下细、坝前粗库尾细、西边粗东边细的 特点。在垂直方向沉积尾矿中普遍分布粗细相间的 夹层、互层、千层饼结构现象，总体上尾矿在结构 上表现为不均一性和各向异性。 为延长该尾矿库使用年限，计划对该尾矿坝进 行上游法筑坝加高扩容改造设计，其具体方案是， 在现有的最顶端的子坝基础上，采用向上游筑子坝 的方法，将放矿管溢流出的尾矿砂浆向坝内堆存， 以此构成坝坡台阶形式的尾矿坝。 尾矿坝（库）的渗流和稳定分析[1-3]一直是尾矿 坝设计和研究中的最主要问题之一， 而尾矿坝 （库） 加高后的渗流、应力应变分析和稳定性分析就显得 更为重要。本文基于实际钻孔勘探成果的最佳反演 分析各分区尾矿砂和初期坝堆石体的模型渗透 参数、物理力学指标和加高设计方案的坝料分布特 点，结合尾矿坝加高后渗流场模拟分析的结果，采 用基于有效应力法[4]的EFES-3D三维有限元计算程 序对该尾矿坝进行了加高后的应力应变场数值模拟 分析和坝坡稳定性分析[5-7]，得出应力应变场分布 图，并对加高方案设计提出了某些建议。 2 加高方案数值分析模型建立 为了真实可信地模拟该尾矿坝（库）加高过程 的实际情况及加高以后的应力场和位移场分布情 景，就必须比较详细切实地了解坝体加高以后的坝 料和渗流场分布情况。这就得从现有坝体的实际情 况出发，对以后的坝体填筑做出准确分析和预测。 由现有坝体的工程地质勘察报告， 工程地质剖面图、 现场渗透试验、放矿方式及不同时段放矿料种类， 分析了坝体加高以后的工程地质情况并对其材料分 布情况做出预测模拟（见图 1） 。根据现有坝体勘察 的浸润面情况，经过反演分析，总结规律，在对坝 体加高到 1 330 m 高程的坝料分布情况做出科学分 析的情况下，对加高后坝体进行了渗流模拟计算分 析[8]，为了合理模拟排渗设施，解决有限元渗流计 算中边界复杂等问题，计算采用了有限元结合解析 解的方法， 得出 1 330 m 坝高的浸润线图 （见图 2） 。 在已知坝料分布和浸润面的条件下，进行了尾矿坝 加高方案的数值模拟分析。图 3 为该尾矿坝（库） 现在坝体模型图，图 4 为加高后坝体模型图，采取 上游法加高方式，即坝轴线沿坡面向坝后延伸，坝 坡按 1 5 坡比加高到 1 330 m 高程方案。 图图 1 金堆城尾矿坝加高后坝料分布图金堆城尾矿坝加高后坝料分布图 Fig.1 The materials in Jingduicheng tailings dam’s model under heightening design plan 图图 2 加高方案的计算浸润线图加高方案的计算浸润线图 Fig.2 The account of saturation line under heightening design plan 图图 3 现在尾矿坝模型图现在尾矿坝模型图 Fig.3 The tailings dam model now 图图 4 加高到加高到 1 330 m 后尾矿坝模型图后尾矿坝模型图 Fig.4 The tailings dam model under heightening to elevation of 1 330 m 3 加高方案的应力应变场数值分析 基于 Biot 固结理论， 静力计算采用 E-B 非线性 弹性本构关系和三维空间实体模型。计算方法采用 增量迭代法，计算结果显示选用的断面为坝体的最 大横断面。 3.1 计算范围及边界条件计算范围及边界条件 计算范围由于此尾矿坝建于峡谷之中，坝基 深度方向取至基岩，即取整个坝体覆盖层；坝体上 游从坝顶向内取 800 m，下游取止坝前堆石体；在 计算中坝体的左右两边依据建立的三维实体模型， 水平方向/m 11 000 垂直高度/ m 210 150 90 30 0 0.00.51.01.5 尾中砂 尾细砂 尾细砂 初期坝 尾粉土 尾粉砂 居中砂 尾粉砂 尾粉砂 粉质黏土 粉质黏土 尾质黏土 尾粉土 计算浸润线 垂直高度/ m 210 150 90 30 0 0.0 0.5 1.0 1.5 1.6 水平方向/ m 11 000 1139 岩 土 力 学 2008 年 取不同的边界，有水平方向固定的半自由边界和水 平、垂直方向均固定的固定边界；下部边界为水平 和竖直两个方向均固定；坝体的浸润线以渗流计算 分析的结果为准；下游水位与地面出水口相平齐。 计算分为 13 层填筑模拟，第 1 层为现有坝体，2～ 13 层为加高填筑坝体，每层高度为 4.67 m。计算时 认为第 1 层坝体固结已完成，没有变形。 3.2 网格划分网格划分 坝体共划分 7 452 个单元，包括 6 836 个结点， 大坝实体模形及单元划分模型详见图 5 和图 6。其 中，大部分为六面体单元，边界有少量的棱柱形单 元和棱锥形单元。 3.3 计算参数计算参数 静力计算参数见表 1。 图图 5 实体模型图实体模型图 图图 6 三维有限元网格示意图三维有限元网格示意图 Fig.5 Sketch of dam Fig.6 3D finite element meshing 表表 1 各种材料的静力特性计算参数各种材料的静力特性计算参数 Table 1 Static calculated parameters of materials 坝体材料 渗透系数 / 10-5ms-1 K Kur C′/ kPa φ′ / Rf n Kb m γ / kNm-3 γsat / kNm-3 尾中砂 粉质粘土 尾细砂 尾粉砂 尾粉土 2.96 2.70 2.87 3.69 2.18 150 227 214 210 230 536 522 657 527 540 5 4 14 9 6 34 32 26 29.5 31 0.84 0.71 0.86 0.66 0.80 0.87 0.51 0.65 0.73 0.64 68 68 107 85 74 0.41 0.41 0.18 0.28 0.39 20.1 18.8 17.5 18.3 18.4 21.9 21.4 19.3 21.2 20.6 4 主要计算成果及分析 为了直观地反映数值模拟结果，以整个坝体的 变形云图、 矢量图和最大横断面的等值线图 （图 7～ 图 14）来具体分析说明。 4.1 坝体变形场分析坝体变形场分析 坝体最大沉降量为 1.565 m，在坝坡上向上涌 起量为 0.614 m， 发生在坝坡中间偏上部位， 见图 7。 坝坡顺河下游向位移为 0.257 m，发生在坝的顶部 附近，坝坡的水平向位移也为 0.614 m，发生在坝 坡的中间偏上位置，见图 8。从变形的矢量图 9 上 可以得到，坝坡的变形量为 0.815 m，坝体内最大 变形量为 1.637 m，变形比较大。造成这些现象的 原因就是因为尾矿坝采用上游法筑坝和库区地形影 响的结果，应该加以重视。 4.2 坝体应力场分析坝体应力场分析 由图 12～14 可得，垂直有效应力 z σ为 1.20 MPa， 小主应力 3 σ为 0.55 MPa， 符合应力分布规律。 最大应力水平为 0.80，主要发生在原坝体内偏坝前 位置，在尾矿坝坝前，随着坝体的延伸，其应力水 平降低，这与实际是相符合的，但相对的坝坡上应 力水平等值线比较密集。由于坝体填筑每年平均升 高 4.3 m，比较缓慢，又因为尾矿砂渗透系数相对 比较大，在计算中每级荷载采用实际加载时间，发 现超孔隙水压力非常小，可忽略不计。 图图 7 垂直向位移云图垂直向位移云图单位单位 m Fig.7 Nephogram of distribution of vertical displacements 图图 8 水平向位移云图水平向位移云图单位单位 m Fig.8 Nephogram of horizontal displacements z Y X z Y X -1.565-1.304-1.042-0.781-0.520 -0.258 0.003 0.265 0.526 -0.614 -0.505-0.396-0.287-0.179 -0.070 0.039 0.148 0.257 1140 第 4 期 李宏儒等金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析 图图 9 变形矢量图变形矢量图单位单位 m Fig.9 Vector diagram of displacements 图图 10 横断面垂直向位移等值线横断面垂直向位移等值线 单位单位 m Fig.10 Contours of the plan vertical displacements 图图 10 横断面水平向位移等值线横断面水平向位移等值线单位单位 m Fig.10 Contours of the plan horizontal displacements 图图 12 横断面垂直向应力等值线横断面垂直向应力等值线 单位单位 kPa Fig.12 Contous of the H1 plan vertical stresses 图图 13 横断面小主应力等值线横断面小主应力等值线 单位单位 kPa Fig.13 Contours of the plan minor principal stresses 图图 14 横断面应力水平等值线横断面应力水平等值线 Fig.14 Contours of the plan stress levels 4.3 边坡稳定分析边坡稳定分析 边坡稳定分析计算采用滑弧搜索法，利用有限 元静力计算结果结合危险滑弧搜索法确定最小的安 全系数， 此时滑动面上不同单元处的法向应力 n σ′和 切向应力 n τ分别为 n n 1 cos2sin2 22 1 sin2cos2 2 xy xyxy xyxy σσ σσσβτβ τσσβτβ −⎫ ′ − ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ′ − ⎪ ⎭ （1） 式中, xy σσ， xy τ为坝体静力计算的有效应力场； β 为相应单元滑动面切向与水平向的夹角。这种计 算安全系数的公式为 snn ii ii ii i Ftg lcllσφτ′′′ ∑∑ （2） 式中 i c′ 为有效黏聚力； i φ′为有效内摩擦角； i l为 滑动面通过第i个单元的滑弧长度。 a 现坝高安全系数及滑弧 b 加高到 1 330 m 坝高时安全系数及滑弧 图图 15 利用有限元计算结果搜索所得的安全系数及滑弧利用有限元计算结果搜索所得的安全系数及滑弧 Fig.15 Factors of safety and the slip surface calculated by using FEM calculation results 图15a 和 b 是现有坝体和加高以后坝体的 边坡稳定滑弧面图，坝体加高以后，安全系数明显 降低，由现坝的1.836降低到加高后的1.342，但边 坡不会发生滑坡。结果也发现计算的滑弧不深，属 于浅层流滑，这是砂性土坡的特点。 5 结 语 （1） 进行金堆城尾矿坝加高扩容改造后堆积高 程达1 330 m时的应力应变场和坝坡稳定性分析 时，渗流自由面位置采用了尾矿坝加高方案下的渗 流场数值模拟分析结果，该结果是在现有坝体地质 -1.6367 -1.3890 -1.1414 -1.8938 -1.6462 -1.3986 -1.1510 0.0379 0.1350 0.2321 0.3292 0.4263 0.5234 0.6205 0.7176 0.8146 0.25 0.25 0.50-0.5 -1 -1.5 -1.565 -0.5 -1 0 0 0.2 0.2 0 -0.4 -0.6 0.2 0.4 0.6 -0.4 -0.2 0 200 1 100 200100 300400500600700800 9001 000 1 200 1 000 900 800 700 600 300400 500 400 300 100 200 55110 55110165 220 275 330 385 440 495 550 440385 330 495 165 110 55 275 220 165 0.50.70.8 0.60.4 0.5 0.7 0.8 0.8 0.4 0.6 0.7 0.6 0.6 0.7 Fs 1.342 R 303.3 R 506.2 Fs 1.836 1141 岩 土 力 学 2008 年 勘察的基础上，经过反演分析得到。 （2）由于坝体加高以后，坝内水面抬高，经过 渗流反演分析以后，发现若不加强排渗措施，坝坡 上渗流自由面位置明显抬高。要降低渗流自由面位 置，必须在加高方案设计中加强排渗措施。 （3）坝体加高以后，坝坡上有涌起抬高现象， 对坝坡的稳定不利，由利用有限元计算结果搜索滑 弧面所得的安全系数也反映出，现有坝坡安全系数 为1.836，加高到1 330 m时，坝坡的安全系数为 1.342，安全系数降低的比较多。 （4）本文基于Biot固结理论，采用E-B非线 性弹性模型， 用模拟坝体填筑过程的增量分析方法， 对金堆城尾矿坝进行了数值仿真分析，给出了该尾 矿坝加高后的应力场、 位移场和边坡稳定分析结果， 为尾矿坝的加高设计提供了有价值的参考数据。 参参 考考 文文 献献 [1] 赵坚, 纪伟, 刘志敏. 尾矿坝地质剖面概化及其对渗流 场计算的影响[J]. 金属矿山, 2003, 74 12 24－27. ZHAO Jian, JI Wei, LIU Zhi-min. Surveying of geological sections of tailings dams and its effect on seepage field calculation [J]. Metal Mine, 2003, 74 12 24－27. [2] 胡明鉴, 陈守义, 郭爱国, 等. 某上游法尾矿坝抗滑稳 定性浅析[J]. 岩土力学, 2003, 24s2 254－258. HU Ming-jian, CHEN Shou-yi, GUO Ai-guo, et al. Opinions on the gangue dam anti-slide stability analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24s2 254 －258. [3] 段蔚平, 汪斌. 尾矿坝非饱和带滞水曲线模型的建立 及应用[J]. 岩土力学, 2003, 24s2 65－68. DUAN Wei-ping, WANG Bin. The establishment and application of the model for retention curve of unsaturated sections in tailings dam[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24s2 65－68. [4] 朱百里, 沈珠江. 计算土力学[M]. 上海上海科学技术 出版社, 1990. [5] 楼建东, 李庆耀, 陈 宝. 某尾矿坝数值模拟与稳定性 分析[J]. 湖南科技大学学报自然科学版, 2005, 202 58－61. LOU Jian-dong, LI Qing-yao, CHEN Bao. Tailing-dam math simulation and stability analysis[J]. Journal of Hunan University of Science TechnologyNatural Science Edition, 2005, 202 58－61. [6] 张超, 杨春和, 徐卫亚. 尾矿坝稳定性的可靠度分析[J]. 岩土力学, 2004, 2511 1 706－1 711. ZHANG Chao, YANG Chun-he, XU Wei-ya. Reliability analysis of tailings dam stability[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 2511 1 706－1 711. [7] 李再光, 罗晓辉. 尾矿坝地震反应的拟静力稳定分析 [J]. 岩土力学, 2006, 277 1 138－1 142. LI Zai-guang, LUO Xiao-hui. Equivalent static stability analysis of earthquake response of tailings dam[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 277 1 138－1 142. [8] 路美丽, 崔莉. 复杂地形尾矿坝的三维渗流分析[J]. 岩 土力学, 2006, 277 1 177－1 180. LU Mei-li, CUI Li. Three-dimensional seepage analysis for complex topographical tailings dam[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 277 1 177－1 180. 1142