石窯店煤礦攔渣壩穩(wěn)定性分析

石窯店煤礦攔渣壩穩(wěn)定性分析

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，資源開發(fā)利用速度也加快。陜北作為我國重要的能源重化工基地,煤炭、礦產(chǎn)等資源開發(fā)是其能源格局中的重要內(nèi)容。在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中,必然會產(chǎn)生大量的棄土棄渣,若不采取有力的防治措施,將會加速當?shù)赝恋鼗哪退临Y源損失,對項目區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境造成不良影響。攔渣壩作為開發(fā)建設(shè)項目進行棄土棄渣治理的一種主要工程措施,其穩(wěn)定性和安全性對于整個項目的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。目前應用于邊坡穩(wěn)定分析的方法主要有基于極限平衡的傳統(tǒng)方法和有限元法。極限平衡法(如瑞典圓弧法、Bishop法、Janbu法)是邊坡穩(wěn)定分析中最常用的方法,它通過分析坡體在臨近破壞的狀況下,土體外力與內(nèi)部強度所提供抗力之間的平衡,計算土體在自身和外荷作用下土坡穩(wěn)定性的程度。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法中,為了便于分析計算,做了許多假設(shè),如假設(shè)一個滑動面、不考慮土體內(nèi)部的應力?應變關(guān)系等。因此,傳統(tǒng)分析方法不能得到滑體內(nèi)的應力、變形分布狀況,也不能求得巖土體本身變形對邊坡變形及穩(wěn)定性的影響。在邊坡穩(wěn)定分析中引入有限元法始于20世紀70年代,有限元法克服了傳統(tǒng)分析法的不足,不僅滿足力的平衡條件,而且還考慮了土體應力-變形關(guān)系,能夠得到邊坡在荷載作用下的應力、變形分布,模擬出邊坡的實際滑移面。正因為有限元法的這些優(yōu)點,近年來它已廣泛應用于邊坡穩(wěn)定性分析。本研究對陜北石窯店煤礦攔渣壩的安全與穩(wěn)定問題,應用力學分析原理和有限元強度折減法,利用有限元軟件對煤礦攔渣壩的穩(wěn)定性進行分析,以期為礦區(qū)攔渣壩的設(shè)計與施工提供可靠的設(shè)計參數(shù)和依據(jù),實現(xiàn)開發(fā)建設(shè)項目的快速治理和生態(tài)修復。1礦井棄土等洪水水質(zhì)影響石窯店煤礦位于陜西省神木縣東北部、府谷縣西部,屬于神府礦區(qū)新民開采區(qū)的一部分。礦區(qū)地表地形支離破碎,屬于典型的黃土高原丘陵地貌區(qū),氣候?qū)僦袦貛Т箨懶愿珊?半干旱季風氣候,多年平均氣溫10.3℃,年平均氣溫差33.2℃;年平均降雨量339.4mm,降雨量主要集中在7至9月份,約占年降雨量的50%～60%。根據(jù)預測,石窯店礦井施工過程中建設(shè)期棄土、棄石、棄渣總量為2.08萬m3,約合3.59萬t。主體方案根據(jù)骨干壩壩址選擇條件,將壩址選在距離礦井工業(yè)場地南側(cè)約0.5km處的自然沖溝溝道內(nèi),溝底基巖出露,筑壩形式采用碾壓土石壩,筑壩材料采用井巷工程棄渣。反濾體為干砌石結(jié)構(gòu)。泄洪建筑物采用豎井、涵洞、排水溝。根據(jù)溝道具體情況和計劃棄渣量,攔渣壩的洪水設(shè)計標準分別采用30年一遇設(shè)計,50年一遇校核。攔渣壩壩體的設(shè)計參數(shù)如下表1。2水庫邊坡穩(wěn)定的有限強度法的減稅原理2.1在自動的程序中計算一階段,即根據(jù)彈塑性準則進行試算有限元強度系數(shù)折減法的基本原理是將坡體強度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ,同時除以一個折減系數(shù)ω,得到一組新的c′,φ′,即c′=cω;φ′=arctan(tanφω)。(1)c′=cω;φ′=arctan(tanφω)。(1)然后作為新的資料參數(shù)輸入,再進行試算,利用相應的穩(wěn)定判斷準則,程序可以自動根據(jù)彈塑性計算結(jié)果得到破壞滑動面,確定相應的ω值為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù),此時坡體達到極限狀態(tài),發(fā)生剪切破壞,同時又可得到坡體的破壞滑動面。有關(guān)研究表明,有限元強度折減法的安全系數(shù)在本質(zhì)上與傳統(tǒng)方法是一致的。鄭穎人、趙尚毅等通過多種比較計算說明有限元折系數(shù)法用于分析土坡穩(wěn)定問題是可行的,但必須合理地選用屈服條件以及嚴格地控制有限元法的計算精度。2.2以極限平衡法求解穩(wěn)定性采用有限元強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵問題,是如何根據(jù)有限元計算結(jié)果來判別邊坡是否處于破壞狀態(tài)。目前的失穩(wěn)判據(jù)主要有兩類:第一類是在有限元計算過程中采用力和位移的不收斂作為邊坡失穩(wěn)的標志;第二類以廣義塑性應變或等效塑性應變從坡腳到坡頂貫通作為壩坡破壞的標志,以上兩種判據(jù)得到的安全系數(shù)相差不大。有限元的計算迭代過程就是尋找外力和內(nèi)力達到平衡狀態(tài)的過程,整個迭代過程直到一個合適的收斂標準得到滿足才停止。如果壩坡失穩(wěn)破壞,滑動面上將產(chǎn)生沒有限制的塑性變形,有限元程序無法從有限元方程組中找到一個既能滿足靜力平衡又能滿足應力?應變關(guān)系和強度準則的解,此時不管是從力的收斂標準,還是從位移的收斂標準來判斷有限元計算都不收斂。本文采用節(jié)點不平衡力和位移的不收斂作為判據(jù),便于計算和可視化,同時根據(jù)塑性區(qū)的范圍及其連通狀態(tài)確定相應的安全系數(shù),以此評價壩坡的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的極限平衡法采用的是摩爾?庫侖準則,而流行的有限元軟件中采用的均是廣義米賽斯準則。由于強度折減有限元法計算的安全系數(shù)與選用的屈服準則密切相關(guān),鄭穎人、趙尚毅等研究發(fā)現(xiàn)不等角六邊形外接圓(DP1)屈服準則計算的安全系數(shù)較傳統(tǒng)的摩爾?庫侖準則會偏大許多,而徐干成、鄭穎人(1990)研究提出的摩爾?庫侖等面積圓準則的計算精度與Spencer的平均誤差在5%左右,可滿足工程要求,并給出了不等角六邊形外接圓(DP1)屈服準則求得的安全系數(shù)與莫爾?庫侖等面積圓準則求得的安全系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式(2)。本文把在外接圓(DP1)屈服準則下求得的安全系數(shù)均轉(zhuǎn)換為莫爾?庫侖等面積圓屈服準則下的安全系數(shù)。η=f(φ)=2π33√?3+sinφ3?sinφ??????????√。(2)η=f(φ)=2π33?3+sinφ3-sinφ。(2)2.3角三角形外接圓屈服準則和非關(guān)聯(lián)流動的彈塑性模型石窯店煤礦攔渣壩的有限元網(wǎng)格見圖1。壩體的計算采用平面應變條件下摩爾?庫侖不等角六邊形外接圓屈服準則(DP1)和非關(guān)聯(lián)流動的理想彈塑性模型,壩體對基巖和其周圍的影響范圍取為壩高的一半5.5m,基巖底邊界為固定約束,左右邊界為水平約束,其它為自由約束。彈塑性有限元計算采用大變形靜態(tài)分析選項,最大迭代次數(shù)為1000。3硬帶的穩(wěn)定值分析3.1參數(shù)選擇根據(jù)礦區(qū)筑土石壩工程經(jīng)驗、設(shè)計資料、現(xiàn)場資料分析、現(xiàn)場及室內(nèi)巖土物理力學試驗和有限元計算的需要,攔渣壩材料特征取值如表2。3.2圓屈服準則自重作用下采用了4種方法計算攔渣壩壩坡的安全系數(shù),見表3。4種方法得出的壩坡安全系數(shù)均較大,此時壩坡是穩(wěn)定的。同時本研究采用摩爾?庫侖不等角六邊形外接圓屈服準則(DP1)求得的安全系數(shù)為2.58,其與Spencer法求得的安全系數(shù)2.25的相對誤差為14.67%,小于鄭穎人等等研究指出DP1的平均誤差為26.6%;而把外接圓屈服準則(DP1)求得的安全系數(shù)按式(2)轉(zhuǎn)換為摩爾?庫侖等面積圓屈服準則下的安全系數(shù)為2.24,其與Spencer法求得的安全系數(shù)2.25的相對誤差為0.44%,在鄭穎人等等研究指出摩爾?庫侖等面積圓屈服準則的安全系數(shù)與Spencer法的平均誤差5%范圍內(nèi),計算結(jié)果的精度較高。3.3庫侖主動壓力驗算在干旱季節(jié),壩坡面粗糙,加之豎井、涵洞、排水溝等排水設(shè)施的排水情況良好,礦渣處于自然狀態(tài),故壩的摩擦角δ取礦渣的內(nèi)摩擦角φ(35°)的1/3～1/2,本壩取δ=15°。礦渣的庫侖主動壓力計算公式為Pa=γHKa?(3)Ρa=γΗΚa?(3)式中:γ為礦渣的重度,γ=ρ濕g=16.5kN/m3;H為礦渣堆渣高度;Ka為庫侖主動壓力系數(shù)。Ka=cos2(φ?α)cos2αcos(α+δ)[1+sin(φ+δ)sin(φ?β)cos(α+δ)cos(α?β)√]2?(4)Κa=cos2(φ-α)cos2αcos(α+δ)[1+sin(φ+δ)sin(φ-β)cos(α+δ)cos(α-β)]2?(4)式中:φ為礦渣的內(nèi)摩擦角;α為攔渣壩迎水坡與鉛直線的夾角;δ為壩的摩擦角,有經(jīng)驗或規(guī)范確定,在本壩中取15°;β為堆渣表面與水平線所成夾角。由計算可得:α=68.2°,取68°,β=26.6°,取27°(<35°),代入(4)計算得Ka=9.5395,具體堆渣方式見圖2。當堆渣達到設(shè)計高度25.0m時,礦渣對壩的壓力分布從壩頂至壩底為直線,計算可得攔渣壩壩頂所受礦渣的庫侖壓力P1a上為2203.624kPa,壩底所受礦渣的庫侖壓力P1a下為3935.044kPa。3.4壩體強度參數(shù)的數(shù)值結(jié)果當有暴雨洪水時,礦渣在壩頂以下全部處于飽和含水狀態(tài),此時礦渣的浮重度γ為11.77kN/m3(ρsat=2.2g/cm3),當堆渣達到設(shè)計高度25.0m時,礦渣對壩的壓力分布為折線,計算可得攔渣壩壩頂所受礦渣的庫侖壓力P2a上為2203.624kPa,壩底所受礦渣的庫侖壓力P2a下為3548.704kPa。由于攔渣壩的攔水作用,水對壩的靜水壓力為三角形分布,壩頂處為零,壩底處為PW為110kPa。限于篇幅,再加上從靜力學角度考慮渣體自然狀態(tài)下壩體受力包含渣體飽和狀態(tài)下壩體受力,這里只給出壩體受自然礦渣在設(shè)計堆渣量下壓力作用的應力和位移分布云圖。由有限元強度折減法得摩爾?庫侖不等角六邊形外接圓屈服準則(DP1)下求得的安全系數(shù)為1.65,將其按式(2)轉(zhuǎn)換為摩爾?庫侖等面積圓屈服準則下的安全系數(shù)為1.39,其與Spencer法求得的安全系數(shù)1.38的相對誤差為0.72%,在鄭穎人等研究指出摩爾?庫侖等面積圓屈服準則的安全系數(shù)與Spencer法的平均誤差在5%范圍內(nèi),精度較高,在壩體強度參數(shù)折減1.39的情況下,壩體的應力和位移分布如圖3。由計算和圖3可得:壩體中x方向的位移均為正,以壩體中迎渣面離壩頂1～9m、垂直迎渣面斜向壩體內(nèi)6m的范圍為x方向位移的最大值區(qū)域;x方向位移的最大值為175.67mm(第2694節(jié)點是位移最大點,見圖1)。x方向的其它位移近似以壩頂中心為圓心、以兩側(cè)壩坡為邊界的扇形從壩頂向壩底遞減,直至減小為最小值0。壩體中y方向的位移基本分為兩部分,壩體中心左側(cè)由于受到礦渣壓力的作用,位移向下,表現(xiàn)為下沉,壩體中心右側(cè)由于受到左側(cè)壩體的擠壓,位移向上,表現(xiàn)為抬升,這與力學的分析是相吻合的。壩體中心左側(cè)的下沉位移中,迎渣面離壩頂3～12m,垂直迎渣面斜向壩體內(nèi)3m的范圍為y方向位移的最大值區(qū)域;y方向的其它下沉位移近似直徑沿著迎渣面、依次以第2466,2468,2470節(jié)點為圓心的半圓從垂直迎渣面向壩底遞減直至減小為最小值0。y方向下沉位移的最大值為98.64mm(第2462節(jié)點是位移最大點,見圖1);壩體的抬升位移區(qū)主要分布在壩體中心左側(cè),依次以第2447,2441節(jié)點為圓心,分別以6m,12m為半徑的半圓從垂直背渣面向壩底方向遞減直至減小為最小值0,其最大值為35.48mm(第2449節(jié)點是位移最大點,見圖1)。壩體中第一主應力全為壓應力,由于土石礦渣是抗壓不抗拉的,滿足規(guī)范規(guī)定的壩體中不許出現(xiàn)拉應力的要求。第一主應力的最大值區(qū)域位于壩體迎渣面的壩腳處從迎渣面向背渣面延伸9m左右、從壩底向壩頂延伸3m左右的三角形區(qū)域內(nèi),其最大值為2.31MPa(第8節(jié)點是壓應力最大點,見圖1),小于壩體的抗壓允許應力值4～7MPa,壩體中其它部位的第一主應力從最大值區(qū)域貫穿壩體從迎渣面向背渣面遞減,直至減小到位于反濾體右部的應力最小值0.08MPa,壩體此時是安全的。壩體中第三主應力也全為壓應力,滿足規(guī)范規(guī)定的壩體中不許出現(xiàn)拉應力的要求。壩體中第三主應力的最大值在壩體從迎渣面的壩腳向背渣面延伸5m左右、從壩底向壩頂延伸2m左右的三角形區(qū)域內(nèi),其最大值為4.12MPa(第56節(jié)點是壓應力最大點,見圖1),小于礦渣的抗壓允許應力值4～7MPa;壩體中其它部位的y方向應力從最大值區(qū)域貫穿壩體從迎渣面向背渣面遞減,直至減小到位于反濾體邊界處的應力最小值0.18MPa,壩體此時也是安全的。4壩體結(jié)構(gòu)及壩體破壞的特征分析利用有限元強度系數(shù)折減法對壩體僅受自重和受自然狀態(tài)礦渣在設(shè)計堆渣量壓力作用下的穩(wěn)定性進行了分析,得到了壩體的安全系數(shù)分別為2.24和1.39,壩體的強度儲備較大,并繪出了壩體受自然狀態(tài)礦渣在設(shè)計堆渣量壓力作用下強度參數(shù)折減1.39時的應力場和位移場圖,得到壩體中應力場和位移場的分布規(guī)律,其最大值區(qū)域如下:①位移的最大值區(qū)域:壩體中迎渣面離壩頂1～12m、垂直迎渣面斜向壩體內(nèi)6m的范圍;②應力的最大值區(qū)域:壩體迎渣面的壩腳處從迎渣面向背渣面延伸9m左右、從壩底向壩頂延伸3m左右的三角形區(qū)域,坡腳是一個應力集中區(qū),也是坡體破壞的起點。這些區(qū)域?qū)⒃诮▔芜^程中采取措施進行重點防護,以確保礦渣達到堆渣高度時壩體的安全。攔渣壩穩(wěn)定性計算不同于一般的水庫或邊坡,對攔渣壩穩(wěn)定性分析時要綜合考慮各影響因素,如水的滲透作用對壩體穩(wěn)定的影響等。有限元雖能模擬出邊坡的實際滑移面,也有不完善的地方,即誤差累積和無法直接用公