基于鉆孔勘探的金堆城尾礦壩法加重方案數(shù)值模擬

1尾礦壩壩區(qū)設(shè)計(jì)金堆市尾礦庫位于陜西省華縣金堆市大力村上游的李西溝，距500家露頭礦廠約7.50公里。這是山谷的尾部礦庫。金堆城尾礦庫1973年由北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì),1979年初期壩建成,1984年正式投入使用。設(shè)計(jì)總庫容1.65億m3,總壩高164.5m,設(shè)計(jì)標(biāo)高1300m,服務(wù)年限32年,屬于二等尾礦庫。目前該庫的尾礦已堆至31期子壩,標(biāo)高1273.92m。采用上游法尾礦堆壩,壩頂平均升高速度為每年4.3m,還可服務(wù)7年。依鉬業(yè)集團(tuán)有限公司計(jì)劃,擬加高到1330m高程,以滿足公司近、中期堆存尾礦砂的要求。初期壩壩頂1140m標(biāo)高,至1300m標(biāo)高為上游法尾礦堆積壩,在生產(chǎn)中逐步形成外坡1:5,內(nèi)坡(沖積坡)為3%左右的尾礦堆積壩。尾礦堆積壩內(nèi)部有3道排滲設(shè)施現(xiàn)已埋設(shè),降低了尾礦堆積壩浸潤線。尾礦堆積壩兩岸壩肩設(shè)有的截洪溝與下部初期壩的截洪溝相通。庫內(nèi)的排水設(shè)施有框架式溢水塔。澄清回水通過排水涵管進(jìn)入隧洞,下接陡槽和消力池,循環(huán)流回廠區(qū),重復(fù)再利用,其中選礦生產(chǎn)60%的水是回收水。金堆城尾礦壩于1984年投產(chǎn),采用放礦管分段分散放礦,主管設(shè)在子壩壩頂。在主管上每隔一定的距離設(shè)置一條放礦管,每平均升高3.5m形成一道子壩。堆積尾礦沉積規(guī)律受原礦性質(zhì)、粒度、礦漿濃度和排放形式影響,勘察中發(fā)現(xiàn)沉積尾礦宏觀上具有上粗下細(xì)、壩前粗庫尾細(xì)、西邊粗東邊細(xì)的特點(diǎn)。在垂直方向沉積尾礦中普遍分布粗細(xì)相間的夾層、互層、千層餅結(jié)構(gòu)現(xiàn)象,總體上尾礦在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為不均一性和各向異性。為延長該尾礦庫使用年限,計(jì)劃對(duì)該尾礦壩進(jìn)行上游法筑壩加高擴(kuò)容改造設(shè)計(jì),其具體方案是,在現(xiàn)有的最頂端的子壩基礎(chǔ)上,采用向上游筑子壩的方法,將放礦管溢流出的尾礦砂漿向壩內(nèi)堆存,以此構(gòu)成壩坡臺(tái)階形式的尾礦壩。尾礦壩(庫)的滲流和穩(wěn)定分析一直是尾礦壩設(shè)計(jì)和研究中的最主要問題之一,而尾礦壩(庫)加高后的滲流、應(yīng)力應(yīng)變分析和穩(wěn)定性分析就顯得更為重要。本文基于實(shí)際鉆孔勘探成果的最佳反演分析各分區(qū)—尾礦砂和初期壩堆石體的模型滲透參數(shù)、物理力學(xué)指標(biāo)和加高設(shè)計(jì)方案的壩料分布特點(diǎn),結(jié)合尾礦壩加高后滲流場(chǎng)模擬分析的結(jié)果,采用基于有效應(yīng)力法的EFES-3D三維有限元計(jì)算程序?qū)υ撐驳V壩進(jìn)行了加高后的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值模擬分析和壩坡穩(wěn)定性分析,得出應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布圖,并對(duì)加高方案設(shè)計(jì)提出了某些建議。2壩體高度重視,將土地資源在壩為了真實(shí)可信地模擬該尾礦壩(庫)加高過程的實(shí)際情況及加高以后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布情景,就必須比較詳細(xì)切實(shí)地了解壩體加高以后的壩料和滲流場(chǎng)分布情況。這就得從現(xiàn)有壩體的實(shí)際情況出發(fā),對(duì)以后的壩體填筑做出準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)。由現(xiàn)有壩體的工程地質(zhì)勘察報(bào)告,工程地質(zhì)剖面圖、現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)、放礦方式及不同時(shí)段放礦料種類,分析了壩體加高以后的工程地質(zhì)情況并對(duì)其材料分布情況做出預(yù)測(cè)模擬(見圖1)。根據(jù)現(xiàn)有壩體勘察的浸潤面情況,經(jīng)過反演分析,總結(jié)規(guī)律,在對(duì)壩體加高到1330m高程的壩料分布情況做出科學(xué)分析的情況下,對(duì)加高后壩體進(jìn)行了滲流模擬計(jì)算分析,為了合理模擬排滲設(shè)施,解決有限元滲流計(jì)算中邊界復(fù)雜等問題,計(jì)算采用了有限元結(jié)合解析解的方法,得出1330m壩高的浸潤線圖(見圖2)。在已知壩料分布和浸潤面的條件下,進(jìn)行了尾礦壩加高方案的數(shù)值模擬分析。圖3為該尾礦壩(庫)現(xiàn)在壩體模型圖,圖4為加高后壩體模型圖,采取上游法加高方式,即壩軸線沿坡面向壩后延伸,壩坡按1:5坡比加高到1330m高程方案。3-b非線性彈性本構(gòu)關(guān)系和三維實(shí)體模型基于Biot固結(jié)理論,靜力計(jì)算采用E-B非線性彈性本構(gòu)關(guān)系和三維空間實(shí)體模型。計(jì)算方法采用增量迭代法,計(jì)算結(jié)果顯示選用的斷面為壩體的最大橫斷面。3.1壩體的計(jì)算模型計(jì)算范圍:由于此尾礦壩建于峽谷之中,壩基深度方向取至基巖,即取整個(gè)壩體覆蓋層;壩體上游從壩頂向內(nèi)取800m,下游取止壩前堆石體;在計(jì)算中壩體的左右兩邊依據(jù)建立的三維實(shí)體模型,取不同的邊界,有水平方向固定的半自由邊界和水平、垂直方向均固定的固定邊界;下部邊界為水平和豎直兩個(gè)方向均固定;壩體的浸潤線以滲流計(jì)算分析的結(jié)果為準(zhǔn);下游水位與地面出水口相平齊。計(jì)算分為13層填筑模擬,第1層為現(xiàn)有壩體,2~13層為加高填筑壩體,每層高度為4.67m。計(jì)算時(shí)認(rèn)為第1層壩體固結(jié)已完成,沒有變形。3.2大壩實(shí)體模形及單元?jiǎng)澐帜Ｐ蛪误w共劃分7452個(gè)單元,包括6836個(gè)結(jié)點(diǎn),大壩實(shí)體模形及單元?jiǎng)澐帜Ｐ驮斠妶D5和圖6。其中,大部分為六面體單元,邊界有少量的棱柱形單元和棱錐形單元。3.3計(jì)算參數(shù)靜力計(jì)算參數(shù)見表1。4主要結(jié)果和分析為了直觀地反映數(shù)值模擬結(jié)果,以整個(gè)壩體的變形云圖、矢量圖和最大橫斷面的等值線圖(圖7~圖14)來具體分析說明。4.1壩體內(nèi)變形量壩體最大沉降量為1.565m,在壩坡上向上涌起量為0.614m,發(fā)生在壩坡中間偏上部位,見圖7。壩坡順河下游向位移為0.257m,發(fā)生在壩的頂部附近,壩坡的水平向位移也為0.614m,發(fā)生在壩坡的中間偏上位置,見圖8。從變形的矢量圖9上可以得到,壩坡的變形量為0.815m,壩體內(nèi)最大變形量為1.637m,變形比較大。造成這些現(xiàn)象的原因就是因?yàn)槲驳V壩采用上游法筑壩和庫區(qū)地形影響的結(jié)果,應(yīng)該加以重視。4.2壩體內(nèi)應(yīng)力水平由圖12~14可得,垂直有效應(yīng)力σz為1.20MPa,小主應(yīng)力σ3為0.55MPa,符合應(yīng)力分布規(guī)律。最大應(yīng)力水平為0.80,主要發(fā)生在原壩體內(nèi)偏壩前位置,在尾礦壩壩前,隨著壩體的延伸,其應(yīng)力水平降低,這與實(shí)際是相符合的,但相對(duì)的壩坡上應(yīng)力水平等值線比較密集。由于壩體填筑每年平均升高4.3m,比較緩慢,又因?yàn)槲驳V砂滲透系數(shù)相對(duì)比較大,在計(jì)算中每級(jí)荷載采用實(shí)際加載時(shí)間,發(fā)現(xiàn)超孔隙水壓力非常小,可忽略不計(jì)。4.3壩體靜力計(jì)算位移邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用滑弧搜索法,利用有限元靜力計(jì)算結(jié)果結(jié)合危險(xiǎn)滑弧搜索法確定最小的安全系數(shù),此時(shí)滑動(dòng)面上不同單元處的法向應(yīng)力σn′和切向應(yīng)力τn分別為式中:σx,σy,τxy為壩體靜力計(jì)算的有效應(yīng)力場(chǎng);β為相應(yīng)單元滑動(dòng)面切向與水平向的夾角。這種計(jì)算安全系數(shù)的公式為式中:c′i為有效黏聚力;φ′i為有效內(nèi)摩擦角;li為滑動(dòng)面通過第i個(gè)單元的滑弧長度。圖15(a)和(b)是現(xiàn)有壩體和加高以后壩體的邊坡穩(wěn)定滑弧面圖,壩體加高以后,安全系數(shù)明顯降低,由現(xiàn)壩的1.836降低到加高后的1.342,但邊坡不會(huì)發(fā)生滑坡。結(jié)果也發(fā)現(xiàn)計(jì)算的滑弧不深,屬于淺層流滑,這是砂性土坡的特點(diǎn)。5壩體高強(qiáng)與壩坡力的關(guān)系(1)進(jìn)行金堆城尾礦壩加高擴(kuò)容改造后堆積高程達(dá)1330m時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和壩坡穩(wěn)定性分析時(shí),滲流自由面位置采用了尾礦壩加高方案下的滲流場(chǎng)數(shù)值模擬分析結(jié)果,該結(jié)果是在現(xiàn)有壩體地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,經(jīng)過反演分析得到。(2)由于壩體加高以后,壩內(nèi)水面抬高,經(jīng)過滲流反演分析以后,發(fā)現(xiàn)若不加強(qiáng)排滲措施,壩坡上滲流自由面位置明顯抬高。要降低滲流自由面位置,必須在加高方案設(shè)計(jì)中加強(qiáng)排滲措施。(3)壩體加高以后,壩坡上有涌起抬高現(xiàn)象,對(duì)壩坡的穩(wěn)定不利,由利用有限元計(jì)算結(jié)果搜索滑弧面所得的安全系數(shù)也反映出,現(xiàn)有壩坡安全系