基于鉆孔勘探的金堆城尾礦壩法加重方案數值模擬

基于鉆孔勘探的金堆城尾礦壩法加重方案數值模擬

1尾礦壩壩區(qū)設計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計研究總院設計,1979年初期壩建成,1984年正式投入使用。設計總庫容1.65億m3,總壩高164.5m,設計標高1300m,服務年限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7年。依鉬業(yè)集團有限公司計劃,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標高,至1300m標高為上游法尾礦堆積壩,在生產中逐步形成外坡1:5,內坡(沖積坡)為3%左右的尾礦堆積壩。尾礦堆積壩內部有3道排滲設施現已埋設,降低了尾礦堆積壩浸潤線。尾礦堆積壩兩岸壩肩設有的截洪溝與下部初期壩的截洪溝相通。庫內的排水設施有框架式溢水塔。澄清回水通過排水涵管進入隧洞,下接陡槽和消力池,循環(huán)流回廠區(qū),重復再利用,其中選礦生產60%的水是回收水。金堆城尾礦壩于1984年投產,采用放礦管分段分散放礦,主管設在子壩壩頂。在主管上每隔一定的距離設置一條放礦管,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、粒度、礦漿濃度和排放形式影響,勘察中發(fā)現沉積尾礦宏觀上具有上粗下細、壩前粗庫尾細、西邊粗東邊細的特點。在垂直方向沉積尾礦中普遍分布粗細相間的夾層、互層、千層餅結構現象,總體上尾礦在結構上表現為不均一性和各向異性。為延長該尾礦庫使用年限,計劃對該尾礦壩進行上游法筑壩加高擴容改造設計,其具體方案是,在現有的最頂端的子壩基礎上,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堆存,以此構成壩坡臺階形式的尾礦壩。尾礦壩(庫)的滲流和穩(wěn)定分析一直是尾礦壩設計和研究中的最主要問題之一,而尾礦壩(庫)加高后的滲流、應力應變分析和穩(wěn)定性分析就顯得更為重要。本文基于實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、物理力學指標和加高設計方案的壩料分布特點,結合尾礦壩加高后滲流場模擬分析的結果,采用基于有效應力法的EFES-3D三維有限元計算程序對該尾礦壩進行了加高后的應力應變場數值模擬分析和壩坡穩(wěn)定性分析,得出應力應變場分布圖,并對加高方案設計提出了某些建議。2壩體高度重視,將土地資源在壩為了真實可信地模擬該尾礦壩(庫)加高過程的實際情況及加高以后的應力場和位移場分布情景,就必須比較詳細切實地了解壩體加高以后的壩料和滲流場分布情況。這就得從現有壩體的實際情況出發(fā),對以后的壩體填筑做出準確分析和預測。由現有壩體的工程地質勘察報告,工程地質剖面圖、現場滲透試驗、放礦方式及不同時段放礦料種類,分析了壩體加高以后的工程地質情況并對其材料分布情況做出預測模擬(見圖1)。根據現有壩體勘察的浸潤面情況,經過反演分析,總結規(guī)律,在對壩體加高到1330m高程的壩料分布情況做出科學分析的情況下,對加高后壩體進行了滲流模擬計算分析,為了合理模擬排滲設施,解決有限元滲流計算中邊界復雜等問題,計算采用了有限元結合解析解的方法,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,進行了尾礦壩加高方案的數值模擬分析。圖3為該尾礦壩(庫)現在壩體模型圖,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非線性彈性本構關系和三維實體模型基于Biot固結理論,靜力計算采用E-B非線性彈性本構關系和三維空間實體模型。計算方法采用增量迭代法,計算結果顯示選用的斷面為壩體的最大橫斷面。3.1壩體的計算模型計算范圍:由于此尾礦壩建于峽谷之中,壩基深度方向取至基巖,即取整個壩體覆蓋層;壩體上游從壩頂向內取800m,下游取止壩前堆石體;在計算中壩體的左右兩邊依據建立的三維實體模型,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方向均固定;壩體的浸潤線以滲流計算分析的結果為準;下游水位與地面出水口相平齊。計算分為13層填筑模擬,第1層為現有壩體,2~13層為加高填筑壩體,每層高度為4.67m。計算時認為第1層壩體固結已完成,沒有變形。3.2大壩實體模形及單元劃分模型壩體共劃分7452個單元,包括6836個結點,大壩實體模形及單元劃分模型詳見圖5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計算參數靜力計算參數見表1。4主要結果和分析為了直觀地反映數值模擬結果,以整個壩體的變形云圖、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,壩體內最大變形量為1.637m,變形比較大。造成這些現象的原因就是因為尾礦壩采用上游法筑壩和庫區(qū)地形影響的結果,應該加以重視。4.2壩體內應力水平由圖12~14可得,垂直有效應力σz為1.20MPa,小主應力σ3為0.55MPa,符合應力分布規(guī)律。最大應力水平為0.80,主要發(fā)生在原壩體內偏壩前位置,在尾礦壩壩前,隨著壩體的延伸,其應力水平降低,這與實際是相符合的,但相對的壩坡上應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,又因為尾礦砂滲透系數相對比較大,在計算中每級荷載采用實際加載時間,發(fā)現超孔隙水壓力非常小,可忽略不計。4.3壩體靜力計算位移邊坡穩(wěn)定分析計算采用滑弧搜索法,利用有限元靜力計算結果結合危險滑弧搜索法確定最小的安全系數,此時滑動面上不同單元處的法向應力σn′和切向應力τn分別為式中:σx,σy,τxy為壩體靜力計算的有效應力場;β為相應單元滑動面切向與水平向的夾角。這種計算安全系數的公式為式中:c′i為有效黏聚力;φ′i為有效內摩擦角;li為滑動面通過第i個單元的滑弧長度。圖15(a)和(b)是現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,安全系數明顯降低,由現壩的1.836降低到加高后的1.342,但邊坡不會發(fā)生滑坡。結果也發(fā)現計算的滑弧不深,屬于淺層流滑,這是砂性土坡的特點。5壩體高強與壩坡力的關系(1)進行金堆城尾礦壩加高擴容改造后堆積高程達1330m時的應力應變場和壩坡穩(wěn)定性分析時,滲流自由面位置采用了尾礦壩加高方案下的滲流場數值模擬分析結果,該結果是在現有壩體地質勘察的基礎上,經過反演分析得到。(2)由于壩體加高以后,壩內水面抬高,經過滲流反演分析以后,發(fā)現若不加強排滲措施,壩坡上滲流自由面位置明顯抬高。要降低滲流自由面位置,必須在加高方案設計中加強排滲措施。(3)壩體加高以后,壩坡上有涌起抬高現象,對壩坡的穩(wěn)定不利,由利用有限元計算結果搜索滑弧面所得的安全系數也反映出,現有壩坡安全系