强震区某中线法高尾矿坝静动力有限元计算分析

于忠锋，程敏

(长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

0 引言

目前，国内尾矿库采用的堆坝方式主要有上游法、中线法和下游法等，每种堆坝方式都有各自的特点。上游法筑坝是指向初期坝上游方向冲积尾矿加高坝体的筑坝工艺，坝体与沉积滩结为一体，由流动矿浆自然分级沉积形成，该方式在国内应用最广。中线法筑坝是指在初期坝坝轴线位置上用旋流粗尾砂冲积尾矿的筑坝工艺，旋流后粗砂在坝轴线下游，细颗粒在坝轴线上游，该方式在大型尾矿库有一定应用。下游法筑坝是指向初期坝下游方向用旋流粗砂或土石料将坝体加高的工艺，坝轴线不断向下游移位，在国内应用也较多。

在国外特大型矿山尾矿库中，中线法筑坝方式使用较多，但国内使用较少，目前国内已投入使用的比较有影响的典型中线法筑坝尾矿库有江西德兴铜矿4号尾矿库（设计最大坝高208 m，总库容8.35亿m3）、山西忻州峨口铁矿尾矿库（设计最大坝高260 m，总库容1.1亿m3）。

尾矿库是一个具有高势能的重大危险源，在强震区的尾矿库一旦发生溃坝事故，将造成严重的环境破坏和生命财产损失，甚至一定程度上影响社会稳定。因此，进一步推动发展强震区尾矿坝堆坝技术一直是国内外尾矿行业的重要研究课题。

《尾矿设施设计规范》（GB 50863-2013）推荐在地震烈度较高地区采用中线法筑坝，即用旋流器对尾砂进行粗细分级，细粒级尾砂存蓄于库尾，粗粒级尾砂则输送至坝前并在初期坝处中线升高，堆积坝体浸润线低，尾矿抗剪强度高，坝体抗震稳定性好。

本文以复杂地质条件下某强震区中线法高尾矿坝为例，以渗流计算结果为前置条件，建立有限元稳定计算模型，研究分析地震作用下的坝体稳定性、可能液化区域分布等。

1 工程概述

某尾矿库位于高海拔地区，库区场地整体地势南高北低、东西两侧为高山，中部为沟谷。地面以下除地表浮土、泥炭质土和漂石外，有深厚的角砾层、粉质卵石层、卵石层，地面以下70～80 m为强风化和中风化糜棱岩。区域位于地震活动强烈的地区，存在区域断层，库区内有 F31、F3、F20等断层通过，设防地震烈度为Ⅷ度。

初期坝采用碾压堆石筑坝，坝高90 m，上、下游坝坡坡比均为1:1.8。在初期坝坝顶以上采用中线法筑坝，坝轴线下游形成 1:3.5的粗砂边坡。设计最终堆积标高4190 m，总坝高200 m，总库容超过3.0亿m3，该库属一等库。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

根据工程地质条件，建立尾矿堆至4190 m标高尾矿库典型剖面二维有限元模型（见图1）。该模型有24 716个节点，24 463个单元。有限元模型水平向和竖直向的正方向规定为：水平向以坝体上游侧（即向右）为正方向，竖直以向上为正方向。

图1 尾矿库典型剖面有限元模型

2.2 计算参数

由于尾矿堆积坝较高，不同埋深和围压条件下同一种尾矿的力学性质也有一定差异，故将尾砂分为一区、二区和三区，静动力计算材料参数见表1。

表1 中线法各土层主要物理力学指标设计取值

根据工程场地地震安全性评价报告，地震波选取50年超越概率2%情况下1条典型的场地基岩地震动时程曲线（见图2），各尾砂最大模量见表2。

表2 各层尾砂最大模量取值

图2 地震动时程曲线（水平峰值加速度为3 m/s2）

3 计算分析

3.1 静力计算结果分析

图3和图4给出了尾矿坝静力有限元计算的坝体应力情况。

从图3、图4可以看出，尾矿堆至4190 m坝顶标高尾矿库竖直向应力基本平行于外坡分布，符合分布规律；孔隙水压力与浸润线基本平行，最大值为1600 kPa。

图3 尾矿库竖直向应力分布（单位：kPa）

图4 尾矿库孔隙水压力分布（单位：kPa）

3.2 动力计算结果分析

3.2.1 坝体安全系数

图5给出了在a=3 m/s2地震波作用情况下，坝体最小稳定安全系数在地震波作用下随时间变化的时程曲线。

图5 坝体最小安全系数随时间变化的时程曲线

从图5可以看出，坝体最小安全系数随着地震加速度的波动而呈现出一定的波动，时间为0时坝坡安全系数为1.84，安全系数一般在1.62左右；坝坡安全系数最小为1.20，但持续时间极短。

3.2.2 可能液化区域范围

图6给出了在地震波作用下，堆至4190 m标高尾矿库可能液化区域范围。

从图6可以看出，尾矿库在地震作用下，可能液化区域主要发生在尾粉质黏土表层和尾粉土靠近库内一侧的表层，液化区域深度在20～50 m不等；从整体来看，液化区域主要集中在库内，在坝顶和下游坝体没有出现明显的液化区域，未形成滑移通道，对坝体的整体稳定性不会造成很大影响。

图6 尾矿库可能液化区域

4 结论

通过对强震区中线法高尾矿坝进行静动力有限元计算分析，可以得到以下主要结论。

（1）静力有限元计算的坝体应力符合基本规律，在此基础上进行动力有限元计算分析所得的尾矿坝安全系数、可能液化区域符合基本规律。

（2）动力有限元计算结果表明，尾矿坝在地震峰值水平加速度3 m/s2的地震波作用下是整体稳定的，但同时应做好坝顶附近坝坡的护坡工作，发现裂缝和局部小滑动及时加固处理。

（3）在强震区采用中线法筑高尾矿坝是合理的、有效的，实际运用中应在此基础上配合其他构造措施可有效提高尾矿坝抗震能力。