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(chēng)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(lèi)型尾礦壩滲透破壞類(lèi)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(shí)起動(dòng)而流失的現(xiàn)象稱(chēng)為流土。這種破壞形式在黏性土和無(wú)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(dòng)、斷裂等；無(wú)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(duì)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(chēng)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(lèi)型尾礦壩滲透破壞類(lèi)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(shí)起動(dòng)而流失的現(xiàn)象稱(chēng)為流土。這種破壞形式在黏性土和無(wú)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(dòng)、斷裂等；無(wú)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(duì)于尾礦壩，流土破壞常發(fā)生在壩體下游滲流逸出處無(wú)保護(hù)的狀況下。當(dāng)下游逸出處滲透ii，時(shí)，就會(huì)在下游壩坡逸出處發(fā)生外表隆起、裂縫開(kāi)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(jí)配的無(wú)黏性土中的細(xì)顆粒通過(guò)大在滲流的作用下，肯定級(jí)配的無(wú)黏性土中的細(xì)顆粒通過(guò)大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成貫穿的管道的現(xiàn)象稱(chēng)為管涌。發(fā)生管涌破壞是一個(gè)隨時(shí)間逐步進(jìn)展的過(guò)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(dòng)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(huì)相繼被水流帶走隨著上述沖刷過(guò)程的不斷進(jìn)展，會(huì)在土體中形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷或其他類(lèi)型的破壞。3.滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面運(yùn)動(dòng)，并把一層土的顆粒帶人另一土層的現(xiàn)象稱(chēng)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(chēng)為接觸沖刷。顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成貫穿的管道的現(xiàn)象稱(chēng)為管涌。發(fā)生管涌破壞是一個(gè)隨時(shí)間逐步進(jìn)展的過(guò)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(dòng)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(huì)相繼被水流帶走隨著上述沖刷過(guò)程的不斷進(jìn)展，會(huì)在土體中形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷或其他類(lèi)型的破壞。3.滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面運(yùn)動(dòng)，并把一層土的顆粒帶人另一土層的現(xiàn)象稱(chēng)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(chēng)為接觸沖刷。對(duì)于黏性土，只有流土、接觸沖刷或接觸流土3式，不會(huì)產(chǎn)生管涌破壞；對(duì)于尾礦等無(wú)黏性土，則4式均可能發(fā)生。〔二〕滲透破壞類(lèi)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(wú)論是黏性土還是無(wú)黏性土，只要滿(mǎn)足滲透坡降大于臨界水力坡降，均會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象。進(jìn)展流土發(fā)生的可能性判別時(shí)，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(huì)發(fā)生流土破壞。c在設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)發(fā)生管涌首先取決于土的性質(zhì)， 一般黏性土不會(huì)發(fā)生管涌。對(duì)于無(wú)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(dòng)，這是產(chǎn)生管涌的必要條件。對(duì)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(dòng)，所以不會(huì)發(fā)生管涌。對(duì)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(jí)配狀況和細(xì)粒含量。 對(duì)于缺乏中間粒徑的級(jí)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(shí)，細(xì)粒料填不滿(mǎn)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(mǎn)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(shí)，屬于過(guò)渡型。對(duì)于級(jí)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(lái)確定。〔三〕滲流掌握要求和掌握措施滲流掌握要求尾礦壩必需滿(mǎn)足滲流掌握要求。尾礦壩設(shè)計(jì)和現(xiàn)狀安全評(píng)價(jià)都應(yīng)進(jìn)展?jié)B流計(jì)算，一級(jí)及二級(jí)尾礦壩還應(yīng)依據(jù)地形條件做特地滲流模擬試驗(yàn)。尾礦壩浸潤(rùn)線確實(shí)定需要分析放礦、雨水和地震等因素對(duì)尾礦壩浸潤(rùn)線的影響。 尾礦積存壩下游坡浸潤(rùn)線的最小埋深滿(mǎn)足壩坡抗滑穩(wěn)定的條件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的浸潤(rùn)線最小埋深要求，見(jiàn)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(rùn)線低于掌握浸潤(rùn)線。降低浸潤(rùn)線的措施應(yīng)結(jié)合壩的級(jí)別、 壩體穩(wěn)定計(jì)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(kù)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)。〔2〕尾礦壩運(yùn)行中，隨壩體上升適時(shí)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(cè)浸潤(rùn)線高于掌握浸潤(rùn)線時(shí)，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(kù)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(lái)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(dòng)面滑動(dòng)，依據(jù)滑動(dòng)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)。〔2〕尾礦壩運(yùn)行中，隨壩體上升適時(shí)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(cè)浸潤(rùn)線高于掌握浸潤(rùn)線時(shí)，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(kù)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(lái)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(dòng)面滑動(dòng)，依據(jù)滑動(dòng)土體的靜力平衡條件和莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則可以計(jì)算沿該滑動(dòng)面滑動(dòng)的可能性，即安全系數(shù)的大小，然后系統(tǒng)地選取很多個(gè)可能的滑動(dòng)面，用同樣的方法計(jì)算安全系數(shù)，安全系數(shù)最小的滑動(dòng)面是最危急的滑動(dòng)面。1.1915年，瑞典人彼得森〔PettersonKE〕就用圓弧滑動(dòng)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(dòng)力矩的比值，受力分析如圖4-105所示。由于滑動(dòng)面上各點(diǎn)的反力無(wú)法確定，對(duì)于摩擦角φ 的土，抗滑力矩?zé)o法計(jì)算得到。只有當(dāng) q=0°時(shí)，各點(diǎn)反力的方向垂直于滑動(dòng)面，通過(guò)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(shí)的安全系數(shù)為式〔4-2〕為整體圓弧滑動(dòng)法計(jì)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(dòng)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(duì)圓心的滑動(dòng)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(dòng)面是一個(gè)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(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大，可以無(wú)視，從而得到下面的計(jì)算公式6瑞典條分法是無(wú)視了條間力的一種簡(jiǎn)化方法，受力分析如4-11所示。它滿(mǎn)足滑動(dòng)土體的整體力矩平衡條件但不滿(mǎn)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(jiǎn)潔、最古老的一種方法，應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，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(jiǎn)化畢肖甫法畢肖甫〔BishopAN〕1955年提出了一個(gè)考慮土條側(cè)面力的條分法，稱(chēng)為畢肖甫法。畢肖甫法不僅考慮了土條塊的重力、滑動(dòng)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(mǎn)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(jì)算公式為7式〔4-4〕仍舊無(wú)法求解。畢肖甫進(jìn)展了簡(jiǎn)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(jiǎn)化為式〔4-6〕就是簡(jiǎn)化畢肖甫公式，mθi

由式〔4-5〕計(jì)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(jiǎn)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(jì)算。假設(shè)計(jì)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(jì)算的本構(gòu)模型中，折減系數(shù) Fr

1.0到整體失穩(wěn)時(shí)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(jì)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(chǎng)的緣由存在著孔隙水壓力， 用在滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)力，對(duì)圓心產(chǎn)生滑動(dòng)力矩 M。Wsi

cosθ是i i土條作用于滑動(dòng)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(dòng)面上對(duì)土條產(chǎn)生摩擦阻力 T=ii fii i

l〕tanψ”，摩擦阻力對(duì)圓心產(chǎn)生抗滑力矩 M，ii Ri這種分析方法稱(chēng)為有效應(yīng)力法。由于這時(shí)孔隙水壓力已被扣除，摩擦阻力完全由有效應(yīng)力計(jì)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(jì)算摩擦阻力時(shí)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?？倯?yīng)力法依靠不同的試驗(yàn)方法得出適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度指標(biāo)c、ψ值來(lái)代替土體中孔隙水壓力對(duì)強(qiáng)度的影響，這是總應(yīng)力法的實(shí)質(zhì)。用有限的試驗(yàn)方法去模擬千變?nèi)f化的孔隙水壓力狀態(tài)，可能會(huì)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(jiǎn)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(jì)算，就承受總應(yīng)力法。這兩種方法在尾礦壩穩(wěn)定計(jì)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(wèn)題。尾礦庫(kù)在正常使用過(guò)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(chǎng)，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(jì)算分式為10有效應(yīng)力法的簡(jiǎn)化畢肖甫法穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算分式為假設(shè)尾礦壩堆壩上升速度比較快，下層壩體來(lái)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(jiǎn)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(duì)于這種狀況，可承受總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。總應(yīng)力法不用計(jì)算孔隙水壓力變化和分布，比較簡(jiǎn)潔。總應(yīng)力法的瑞典條分法壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為〔二〕穩(wěn)定計(jì)算要求尾礦庫(kù)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(jì)算確定。計(jì)算方法承受簡(jiǎn)化畢肖普法或瑞典圓弧法，地震荷載按擬靜力法計(jì)算?？尚行誀?zhēng)論階段，建尾礦壩可不進(jìn)展壩體穩(wěn)定計(jì)算，擴(kuò)建或加高的尾礦壩應(yīng)進(jìn)展壩體穩(wěn)定計(jì)算。初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)壩體進(jìn)展穩(wěn)定計(jì)算。一等及二等尾礦庫(kù)在尾礦壩堆至1/3~1/2最終設(shè)計(jì)總壩高，三等及三等以下的尾礦庫(kù)在尾礦壩堆至1/2~2/3最終設(shè)計(jì)總壩高時(shí)，應(yīng)對(duì)壩體進(jìn)展全面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察對(duì)于尾礦性質(zhì)特1殊，投產(chǎn)后選礦規(guī)模或工藝流程發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，尾礦性質(zhì)或放礦方式與初步設(shè)計(jì)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(jì)單位對(duì)尾礦壩做全面論證，以驗(yàn)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(jì)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(lèi)別，依據(jù)強(qiáng)度計(jì)算方法與土的類(lèi)別按表 4-10取得。建尾礦庫(kù)尾礦壩的穩(wěn)定計(jì)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(lèi)似尾礦壩的勘察資料或按《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》〔 確定。擴(kuò)建、改建及中期論證的尾礦庫(kù)尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算斷面，12依據(jù)勘察資料進(jìn)展概化分區(qū)。一級(jí)和二級(jí)尾礦壩的地震設(shè)計(jì)烈度按批準(zhǔn)的場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果確定。三級(jí)及三級(jí)以下的尾礦壩可承受現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)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(jì)烈度，當(dāng)尾礦壩潰決產(chǎn)生嚴(yán)峻次生災(zāi)難時(shí)，尾礦壩的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高一檔。除一級(jí)和二級(jí)尾礦壩外，場(chǎng)地設(shè)計(jì)根本地震加速度按表 4-11選用?！踩晨拐鹨罂拐鹩?jì)算要求尾礦壩的抗震計(jì)算包括地震液化分析和地震穩(wěn)定性分析，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)尾礦壩還應(yīng)進(jìn)展地震永久變形分析。四級(jí)和13五級(jí)尾礦壩，地震液化分析可承受簡(jiǎn)化計(jì)算分析法，如剪應(yīng)力五級(jí)尾礦壩，地震液化分析可承受簡(jiǎn)化計(jì)算分析法，如剪應(yīng)力比照法一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)尾礦壩，地震液化分析承受時(shí)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(yàn)算；設(shè)計(jì)烈度為9度地區(qū)的各級(jí)尾礦壩和一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)尾礦壩，抗震穩(wěn)定分析除承受擬靜力法外，還承受時(shí)程法進(jìn)展分析，綜合推斷壩體的地震安全性。承受時(shí)程法計(jì)算分析時(shí)應(yīng)符合以下要求。〔1〕按材料的非線