尾礦壩安全與穩(wěn)定性分析

尾礦壩安全與穩(wěn)定性分析尾礦壩安全與穩(wěn)定性分析尾礦壩安全與穩(wěn)定性分析一、滲透破壞尾礦壩和壩基在滲流作用下消滅破壞稱為滲透破壞，如尾礦壩下游坡面消滅隆起、細(xì)尾礦被水帶走、消滅集中滲流通道等。滲透破壞是尾礦壩發(fā)生事故的重要緣由之一?！惨弧碀B透破壞的類型尾礦壩滲透破壞類型主要有流土、管涌、接觸流土和接觸41.在滲流的作用下，尾礦壩體或壩基外表的顆粒群同時起動而流失的現(xiàn)象稱為流土。這種破壞形式在黏性土和無黏性土中均可能發(fā)生，只要水力坡降到達(dá)肯定的大小，都有可能發(fā)生流土破壞。黏性土發(fā)生流土破壞的外觀表現(xiàn)是土體隆起、鼓脹、浮動、斷裂等；無黏性土發(fā)生流土破壞的外觀表現(xiàn)是泉眼、砂沸、土體翻滾最終被滲透托起等。對于尾礦壩，流土破壞常發(fā)尾礦壩安全與穩(wěn)定性分析一、滲透破壞尾礦壩和壩基在滲流作用下消滅破壞稱為滲透破壞，如尾礦壩下游坡面消滅隆起、細(xì)尾礦被水帶走、消滅集中滲流通道等。滲透破壞是尾礦壩發(fā)生事故的重要緣由之一?！惨弧碀B透破壞的類型尾礦壩滲透破壞類型主要有流土、管涌、接觸流土和接觸41.在滲流的作用下，尾礦壩體或壩基外表的顆粒群同時起動而流失的現(xiàn)象稱為流土。這種破壞形式在黏性土和無黏性土中均可能發(fā)生，只要水力坡降到達(dá)肯定的大小，都有可能發(fā)生流土破壞。黏性土發(fā)生流土破壞的外觀表現(xiàn)是土體隆起、鼓脹、浮動、斷裂等；無黏性土發(fā)生流土破壞的外觀表現(xiàn)是泉眼、砂沸、土體翻滾最終被滲透托起等。對于尾礦壩，流土破壞常發(fā)生在壩體下游滲流逸出處無保護(hù)的狀況下。當(dāng)下游逸出處滲透ii，時，就會在下游壩坡逸出處發(fā)生外表隆起、裂縫開展、尾礦涌出，甚至消滅尾礦土塊被整體沖走的現(xiàn)象，這是比較典型的流土破壞。2.1在滲流的作用下，肯定級配的無黏性土中的細(xì)顆粒通過大在滲流的作用下，肯定級配的無黏性土中的細(xì)顆粒通過大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成貫穿的管道的現(xiàn)象稱為管涌。發(fā)生管涌破壞是一個隨時間逐步進(jìn)展的過程。首先，在滲透水流作用下，較細(xì)的顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失隨后，土體的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也會相繼被水流帶走隨著上述沖刷過程的不斷進(jìn)展，會在土體中形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷或其他類型的破壞。3.滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面運(yùn)動，并把一層土的顆粒帶人另一土層的現(xiàn)象稱為接觸流土。這種現(xiàn)象一般發(fā)生在顆粒粗細(xì)相差較大的兩種土層的接觸帶，如尾礦壩上游坡面反濾層的位置。4.滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流淌并帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象稱為接觸沖刷。顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成貫穿的管道的現(xiàn)象稱為管涌。發(fā)生管涌破壞是一個隨時間逐步進(jìn)展的過程。首先，在滲透水流作用下，較細(xì)的顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失隨后，土體的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也會相繼被水流帶走隨著上述沖刷過程的不斷進(jìn)展，會在土體中形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷或其他類型的破壞。3.滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面運(yùn)動，并把一層土的顆粒帶人另一土層的現(xiàn)象稱為接觸流土。這種現(xiàn)象一般發(fā)生在顆粒粗細(xì)相差較大的兩種土層的接觸帶，如尾礦壩上游坡面反濾層的位置。4.滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流淌并帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象稱為接觸沖刷。對于黏性土，只有流土、接觸沖刷或接觸流土3式，不會產(chǎn)生管涌破壞；對于尾礦等無黏性土，則4式均可能發(fā)生?！捕碀B透破壞類型的判別土體的滲透破壞與土體的顆粒組成和滲透力有關(guān)。1.2在滲流逸出處，無論是黏性土還是無黏性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降，均會發(fā)生流土現(xiàn)象。進(jìn)展流土發(fā)生的可能性判別時，首先需要承受流網(wǎng)或其他方法求出滲流逸出處的水力坡降和該處土體的臨界水力坡降i。，然后再按以下條件進(jìn)展判別∶i<ii=ii>i

土體處于穩(wěn)定狀態(tài)c土體處于臨界狀態(tài)，將發(fā)生流土破壞；c，土體會發(fā)生流土破壞。c在設(shè)計時，應(yīng)保證具有肯定的安全系數(shù)，把逸出坡降限制在允許水力坡降[i]式中F

——流土安全系數(shù)。s2.是否會發(fā)生管涌首先取決于土的性質(zhì)， 一般黏性土不會發(fā)生管涌。對于無黏性土，土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙必需大于細(xì)顆粒的直徑，才有可能讓細(xì)顆粒在其中發(fā)生移動，這是產(chǎn)生管涌的必要條件。對于不均勻系數(shù)小于 10的較均勻的土，顆粒粗細(xì)相差不多，粗顆粒形成的孔隙直徑不比細(xì)顆粒大，因此，細(xì)顆粒不能在孔隙中移動，所以不會發(fā)生管涌。對于不均勻系數(shù)大于10的不均勻的土，是否發(fā)生管涌主要取決于土的級配狀況和細(xì)粒含量。 對于缺乏中間粒徑的級配不連續(xù)的土，是否發(fā)生管涌主要取決于細(xì)粒含量。當(dāng)細(xì)粒含量3低于25%時，細(xì)粒料填不滿粗粒料形成的孔隙，滲透破壞根本上屬于管涌型；當(dāng)細(xì)粒料含量大于 細(xì)粒料足以填滿粗粒料形成的孔隙，粗細(xì)料形成整體，不屬于管涌型。細(xì)粒料含量為25%~35%時，屬于過渡型。對于級配連續(xù)的不均勻土，可由土的孔隙平均直徑和最細(xì)局部的顆粒粒徑的關(guān)系來確定?！踩碀B流掌握要求和掌握措施滲流掌握要求尾礦壩必需滿足滲流掌握要求。尾礦壩設(shè)計和現(xiàn)狀安全評價都應(yīng)進(jìn)展?jié)B流計算，一級及二級尾礦壩還應(yīng)依據(jù)地形條件做特地滲流模擬試驗。尾礦壩浸潤線確實(shí)定需要分析放礦、雨水和地震等因素對尾礦壩浸潤線的影響。 尾礦積存壩下游坡浸潤線的最小埋深滿足壩坡抗滑穩(wěn)定的條件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的浸潤線最小埋深要求，見表4-7滲流掌握措施尾礦壩的滲流掌握措施必需確保浸潤線低于掌握浸潤線。降低浸潤線的措施應(yīng)結(jié)合壩的級別、 壩體穩(wěn)定計算和抗震構(gòu)造等要求綜合分析確定，一般實(shí)行以下措施。4〔〔1〕尾礦庫建設(shè)階段，在尾礦積存壩壩基范圍內(nèi)設(shè)置排滲褥墊〔碎石或土工排水網(wǎng)墊〕、排滲管〔或盲溝〕及排滲井等型式的水平和垂直排滲系統(tǒng)?！?〕尾礦壩運(yùn)行中，隨壩體上升適時設(shè)置排滲管或盲溝、席墊、垂直塑料排水板或排滲井等型式的排滲系統(tǒng)；當(dāng)實(shí)測浸潤線高于掌握浸潤線時，在壩坡或沉積灘上增設(shè)排滲管、輻射排滲井等排滲設(shè)施?！?〕降低庫內(nèi)水位。二、邊坡穩(wěn)定性分析〔一〕分析方法尾礦壩邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要有極限平衡法和有限元法。極限平衡法應(yīng)用較早，也是目前最常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法有限元法是近幾年才進(jìn)展起來的方法。極限平衡法的步驟是先假定破壞沿壩體內(nèi)某一確定的滑動面滑動，依據(jù)滑動滲褥墊〔碎石或土工排水網(wǎng)墊〕、排滲管〔或盲溝〕及排滲井等型式的水平和垂直排滲系統(tǒng)?！?〕尾礦壩運(yùn)行中，隨壩體上升適時設(shè)置排滲管或盲溝、席墊、垂直塑料排水板或排滲井等型式的排滲系統(tǒng)；當(dāng)實(shí)測浸潤線高于掌握浸潤線時，在壩坡或沉積灘上增設(shè)排滲管、輻射排滲井等排滲設(shè)施?！?〕降低庫內(nèi)水位。二、邊坡穩(wěn)定性分析〔一〕分析方法尾礦壩邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要有極限平衡法和有限元法。極限平衡法應(yīng)用較早，也是目前最常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法有限元法是近幾年才進(jìn)展起來的方法。極限平衡法的步驟是先假定破壞沿壩體內(nèi)某一確定的滑動面滑動，依據(jù)滑動土體的靜力平衡條件和莫爾庫侖準(zhǔn)則可以計算沿該滑動面滑動的可能性，即安全系數(shù)的大小，然后系統(tǒng)地選取很多個可能的滑動面，用同樣的方法計算安全系數(shù)，安全系數(shù)最小的滑動面是最危急的滑動面。1.1915年，瑞典人彼得森〔PettersonKE〕就用圓弧滑動法分析邊坡的穩(wěn)定性，這就是瑞典圓弧法。該方法將穩(wěn)定安全系數(shù)定義為抗滑力矩與滑動力矩的比值，受力分析如圖4-105所示。由于滑動面上各點(diǎn)的反力無法確定，對于摩擦角φ 的土，抗滑力矩?zé)o法計算得到。只有當(dāng) q=0°時，各點(diǎn)反力的方向垂直于滑動面，通過圓心不產(chǎn)生抗滑力矩，因此只有黏聚力產(chǎn)生的力矩，這時的安全系數(shù)為式〔4-2〕為整體圓弧滑動法計算邊坡穩(wěn)定性的公式，它只適用于φ=0下。為了求解摩擦角φ>0滑動土體豎直分成假設(shè)干土條，把各土體當(dāng)成鋼體，分別求作用于各土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩， 然后求土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，如圖4-11所示。瑞典條分法假定滑動面是一個圓弧面，并認(rèn)為條塊間的作用力大小相等，方向相反且作用于同始終線上，對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大，可以無視，從而得到下面的計算公式6瑞典條分法是無視了條間力的一種簡化方法，受力分析如4-11所示。它滿足滑動土體的整體力矩平衡條件但不滿足土條的靜力條件，這是區(qū)分于其他條分法的主要特點(diǎn)。這種方法是最簡潔、最古老的一種方法，應(yīng)用時間長，積存了豐富的工程閱歷，一般得到的安全系數(shù)偏小，誤差偏于安全，是目前工程上常用的方法。簡化畢肖甫法畢肖甫〔BishopAN〕1955年提出了一個考慮土條側(cè)面力的條分法，稱為畢肖甫法。畢肖甫法不僅考慮了土條塊的重力、滑動面上的切向力和法向力，還考慮了條塊的側(cè)面法向力和切向力，滿足條塊的靜力平衡條件和整體力矩平衡條件。受力分析如圖4-12畢肖甫法計算公式為7式〔4-4〕仍舊無法求解。畢肖甫進(jìn)展了簡化，假定△ 認(rèn)為條塊間只有水平作用力 P；而不存在切向H；或者條塊兩側(cè)的切向力相等，于是式〔4-4〕進(jìn)一步簡化為式〔4-6〕就是簡化畢肖甫公式，mθi

由式〔4-5〕計算得到，式中參數(shù)mθi

包含安全系數(shù)Fs

，因此不能直接求出安全系數(shù)，而需要承受試算的方法，迭代求解 。由于簡化畢肖甫法考慮了條塊間水平力的作用，得到的安全系數(shù)比瑞典條分法略高一些，更接近實(shí)際值，精度較高，是目前常用的一種方法。強(qiáng)度折減法強(qiáng)度折減法將土的抗剪強(qiáng)度除以折減系數(shù)

r限元計算。假設(shè)計算的邊坡正好失穩(wěn)破壞，所用的折減系數(shù)就等于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。土的強(qiáng)度折減公式為這樣8

Cr r限元計算的本構(gòu)模型中，折減系數(shù) Fr

1.0到整體失穩(wěn)時的折減系數(shù)就等于安全系數(shù)，即 F=F。r s在強(qiáng)度折減法中，推斷邊坡破壞失穩(wěn)的依據(jù)主要有計算數(shù)值不收斂、塑性區(qū)進(jìn)展貫穿和特征部位位移突變等?？倯?yīng)力法和有效應(yīng)力法在尾礦壩壩體中因滲流場的緣由存在著孔隙水壓力， 用在滑動弧面AC上的孔隙水壓力垂直于作用面，即作用方向垂直于滑動弧面、指向圓心，如圖 4-13所示。取土條i進(jìn)展受力分析，將土條重力Wi

分解成法向力W

cosfθi

和切向力W

siniθWi

sinθi

是滑動力，對圓心產(chǎn)生滑動力矩 M。Wsi

cosθ是i i土條作用于滑動面上的法向力，假設(shè)將其減去孔隙水壓力 ulii剩余局部〔W

i i

l在滑動面上對土條產(chǎn)生摩擦阻力 T=ii fii i

l〕tanψ”，摩擦阻力對圓心產(chǎn)生抗滑力矩 M，ii Ri這種分析方法稱為有效應(yīng)力法。由于這時孔隙水壓力已被扣除，摩擦阻力完全由有效應(yīng)力計算，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)承受有效強(qiáng)度指標(biāo)ψ9另一種分析方法是計算摩擦阻力時不扣除孔隙水壓力， 摩擦阻力直接用式T=Wfi

i

tanψψi

就是總應(yīng)力法。總應(yīng)力法依靠不同的試驗方法得出適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度指標(biāo)c、ψ值來代替土體中孔隙水壓力對強(qiáng)度的影響，這是總應(yīng)力法的實(shí)質(zhì)。用有限的試驗方法去模擬千變?nèi)f化的孔隙水壓力狀態(tài)，可能會產(chǎn)生較大的誤差，這是總應(yīng)力法的缺點(diǎn)。而有效應(yīng)力法概念清楚，結(jié)果牢靠，假設(shè)孔隙水壓力能夠比較簡潔求出，首先選用有效應(yīng)力法。假設(shè)孔隙水壓力難以準(zhǔn)確計算，就承受總應(yīng)力法。這兩種方法在尾礦壩穩(wěn)定計算中應(yīng)用都比較多。正確使用有效應(yīng)力或總應(yīng)力法及選取適宜的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，是尾礦壩穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵問題。尾礦庫在正常使用過程中，尾礦壩堆壩上升速度一般比較形成比較穩(wěn)定的滲流場，壩體內(nèi)各點(diǎn)的孔隙水壓力均能曲流網(wǎng)確定，原則上承受有效應(yīng)力法而不是總應(yīng)力法。有效應(yīng)力法的瑞典條分法穩(wěn)定安全系數(shù)計算分式為10有效應(yīng)力法的簡化畢肖甫法穩(wěn)定安全系數(shù)計算分式為假設(shè)尾礦壩堆壩上升速度比較快，下層壩體來不及排水固結(jié)，存在超靜孔隙水壓力，荷載增加，而有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度增加不多，簡潔造成壩體失穩(wěn)。這是影響尾礦壩穩(wěn)定格外不利的條件，所以堆壩上升速度是壩體穩(wěn)定的掌握因素。對于這種狀況，可承受總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法?？倯?yīng)力法不用計算孔隙水壓力變化和分布，比較簡潔?？倯?yīng)力法的瑞典條分法壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為〔二〕穩(wěn)定計算要求尾礦庫初期壩與積存壩的抗滑穩(wěn)定性依據(jù)壩體材料及壩基的物理力學(xué)性質(zhì)經(jīng)計算確定。計算方法承受簡化畢肖普法或瑞典圓弧法，地震荷載按擬靜力法計算。可行性爭論階段，建尾礦壩可不進(jìn)展壩體穩(wěn)定計算，擴(kuò)建或加高的尾礦壩應(yīng)進(jìn)展壩體穩(wěn)定計算。初步設(shè)計階段應(yīng)對壩體進(jìn)展穩(wěn)定計算。一等及二等尾礦庫在尾礦壩堆至1/3~1/2最終設(shè)計總壩高，三等及三等以下的尾礦庫在尾礦壩堆至1/2~2/3最終設(shè)計總壩高時，應(yīng)對壩體進(jìn)展全面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察對于尾礦性質(zhì)特1殊，投產(chǎn)后選礦規(guī)?；蚬に嚵鞒贪l(fā)生重大轉(zhuǎn)變，尾礦性質(zhì)或放礦方式與初步設(shè)計相差較大的狀況，可不受堆高的限制，依據(jù)需要進(jìn)展全面勘察；依據(jù)勘察結(jié)果，由設(shè)計單位對尾礦壩做全面論證，以驗證最終壩體的穩(wěn)定性和確定后期的處理措施。依據(jù)不同運(yùn)行工況，尾礦壩穩(wěn)定計算的荷載按表4-8組合。礦壩壩體材料及壩基土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)類別，依據(jù)強(qiáng)度計算方法與土的類別按表 4-10取得。建尾礦庫尾礦壩的穩(wěn)定計算斷面依據(jù)顆粒粗細(xì)程度和尾礦的固結(jié)度進(jìn)展概化分區(qū)。各區(qū)尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)按類似尾礦壩的勘察資料或按《尾礦設(shè)施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔 確定。擴(kuò)建、改建及中期論證的尾礦庫尾礦壩穩(wěn)定計算斷面，12依據(jù)勘察資料進(jìn)展概化分區(qū)。一級和二級尾礦壩的地震設(shè)計烈度按批準(zhǔn)的場地地震安全性評價結(jié)果確定。三級及三級以下的尾礦壩可承受現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震驚參數(shù)區(qū)劃圖》〔GB18306〕中的地震根本烈度作為地震設(shè)計烈度，當(dāng)尾礦壩潰決產(chǎn)生嚴(yán)峻次生災(zāi)難時，尾礦壩的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高一檔。除一級和二級尾礦壩外，場地設(shè)計根本地震加速度按表 4-11選用?！踩晨拐鹨罂拐鹩嬎阋笪驳V壩的抗震計算包括地震液化分析和地震穩(wěn)定性分析，一級、二級、三級尾礦壩還應(yīng)進(jìn)展地震永久變形分析。四級和13五級尾礦壩，地震液化分析可承受簡化計算分析法，如剪應(yīng)力五級尾礦壩，地震液化分析可承受簡化計算分析法，如剪應(yīng)力比照法一級、二級、三級尾礦壩，地震液化分析承受時程分析法。尾礦壩地震穩(wěn)定分析承受擬靜力法，按圓弧法進(jìn)展驗算；設(shè)計烈度為9度地區(qū)的各級尾礦壩和一級、二級、三級尾礦壩，抗震穩(wěn)定分析除承受擬靜力法外，還承受時程法進(jìn)展分析，綜合推斷壩體的地震安全性。承受時程法計算分析時應(yīng)符合以下要求。〔1〕按材料的非線