尾矿回采中坝体的稳定性分析方法

1、尾矿是由固、液、气体三相物质组成的散粒体，它的物理性指标主要包括， 含水率、密度、颗粒比重、孔隙比、饱和度、液限、塑限和塑性指数等，其中前 三项为尾矿的基本指标*冲击形成的坝体的尾矿力学性质主要有；尾矿的抗剪强 度（取决于粒度、干容重和孔隙比其尾矿的渗透性和尾矿的压缩性，通常，尾 矿是以周边排矿方式经水力沉积的，靠近尾矿坝则以水力分级机理形成尾矿砂沉 积滩，沉积池中以沉淀机理形成细粒尾矿泥带，其分异程度取决于全尾矿的级配、 排放尾矿浆浓度和排放方法等因素由于尾矿坝的形成过程的特殊性，影响尾矿坝稳定性的因素有很多，主要有 以下几方面:（1）堆积尾矿的颗粒组成;（2尾矿冲击分层情况；C3）尾矿沉积

2、 层的抗剪强度，包括内摩擦角和凝聚力；（4）堆积坝的坝坡比：（5）堆积坝的坝 高；（6）坝体浸润线高低:（7）库内水位的高低和沉积滩长度等。这些因素中， 尾矿的抗剪强度和坝体的浸润线对坝体的影响最大，根据一些文献的记录，具体 来说，粘聚力c每增加lOKpa,稳定系数F值增加0.04左右；内摩擦角每增 加1度：稳定系数F值增加0.050.1,即稳定系数增大了 23%4.3%；浸润线 每相差Im的水位，稳定系数F值就相差0.020.05,即稳定系数相差0.7%- 2.1%t，5L一般情况下，尾矿堆坝的高度越高、坡度越陡、坝体内浸润线的位置越高、 库内的水位越高、坝基和坝体土料的抗剪强度越低，坝体抗

3、滑稳定的安全系数就 越小；反之安全系数越大，由于尾矿特殊的筑坝方式和筑坝材料，水的作用也对坝体的稳定性产生较大 影响，水会使坝体材料的有效粘聚力匚及有效内摩擦角p降低坝体内尾矿软 化，内摩擦阻力系数降低，即坝体的整体抗明强度降低。经过一定的物理化学变 化，坝体内的软弱面及软弱带土体等便可能发育成为滑带土，为滑坡的形成创造 充分条件D负孔隙水压力由毛细管水带内水、气界面上弯液面和表面张力存在而 引起，相当于起到粘聚相邻土粒的作用，其对坝体稳定性的贡献在学术研究及工 程实践中都己经得到了证明，坝体内尾矿含水量增加会导致其内部基质吸力减小或消失，致使负孔隙水压力对坝体稳定的贡献消失，从而导致坝体抗剪

4、强度的降 低四。在尾矿回采过程中，还包括回采方案、回采设备和回采用水对坝体的影响。 干采主要是设备的影响，设备的重量、推进方式和设备布置的位置等；水采和船 采主要是水的影响，高压水枪的压力和库内水量使得原本尾矿的饱和程度改变, 导致浸润线和干滩长度发生变化，从而影响坝体的稳定性。4.2尾矿坝稳定性分析方法到目前为止，尾矿坝的研究还属于边坡工程研究中的一个特殊类型。边坡按 组成物质可分为岩质边坡和土质边坡。岩质边坡失稳与土质边坡失稳的主要区别 在于岩质边坡中的滑动面则往往较为明确，而土质边坡中可能滑动面的位置并不 明显。岩质边坡失稳一般是崩塌破坏引起，而土质边坡失稳一般是滑坡破坏引起 的。尾矿坝

5、失稳大多是因滑坡造成所谓滑坡是指岩土体在重力作用下，沿坡内 软弱面产生的整体滑动，17，9,0与崩塌相比，滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑 动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下。尾矿坝稳定性分析计算是将其当 作土质边坡来处理，一般还是沿用传统的土力学的传统理论进行分析。尾矿坝作 为一种特殊的水工建筑物和一般的水坝又不同，它在使用期间坝体断面一直在发 生变化，坝体体积比等高的土坝大很多，堆积坝坝体中饱和部分比较大，坝体呈 现出欠固结状态，相对松散。因此，尾矿坝具有特殊的应力条件和严格的安全规 范。尾矿坝的筑坝材料主要是尾矿，因此尾矿的性质就决定了尾矿坝在各种条件 下的稳定性。尾矿坝本身的特性

6、决定了尾矿坝可以作为一种特殊的人工土质边 坡。尾矿坝和一般土质边坡的区别在于筑坝材料，一般的边坡为天然材料，而尾 矿坝的筑坝材料为选矿厂经过选矿以后剩下的废料，其颗粒粒径相对较为集中， 比重基本相同。尾矿坝是个水力冲击坝，其沉积特征决定了尾矿材料的粗纸颗粒 的分布规律，且在靠近尾矿库库区内有一个回水区域，这些尾矿水可以通过循环 系统重新利用。目前在尾矿坝的静力稳定性分析方面，主要还是参考土质边坡的分析方法边坡的稳定性分析方法主要有三大类，分别是极限平衡法、数值分析法和概 率分析法与可靠性分析法。极限平衡法是尾矿坝稳定性计算方法中的一大类，包 括瑞典圆弧法、毕肖普法、余推力法、Sarma法等，因

7、其原理简单，实用性强， 能够直接提供坝体稳定性的定量结果，所以应用较广；数值分析法，是通过建立 数学模型，选择材料的本构模型来模拟求解坝体的应力、应变和位移变化值，然 后再按照一定的准则，判断坝体的稳定性，具体包括有限单元法、拉格朗日法（Flac 法）和边界元法等；概率分析及可靠性分析法则是在上述计算方法的基础上，进 一步给出坝体稳定性的概率或坝体失稳破坏的概率,包括蒙特卡洛法和一次二阶 矩阵法等l2b22Jo不同的方法具有各自的优点和不足：极限平衡法计算简单，但假设过多；有 限单元法能深刻描述土体内部应力及应变，对边坡体的位移发展、土体滑动方向 可以进行模拟，能反映边坡内部应力分布，同时，有

8、限单元法能适应岩土的复杂 性和非均匀性，但是计算过于繁琐，容易受单元划分的方案、边界条件的确定、 外荷载向量建模的影响；概率分析法可以适应地质条件的复杂性、土体强度指标 变化等引起的边坡稳定分析不确定性。本文使用极限平衡法和有限单元法分别对尾矿回采过程中的尾矿坝进行静 力分析，然后对二者计算的结果进行比较和综合分析。由于尾矿坝是松散堆积体, 成份为尾粗砂、尾粉砂、尾细沙和尾粘土等，可以用极限平衡法和应力一应变 法来分析，极限平衡理论较简单，能够直接提供安全性的量度结果，而应力一 应变分析方法通过数值求解给出边坡体在应力作用下的变形图形和安全性指示。 为了得到坝体的应力分布情况，需采用有限单元法

9、进行计算，作为极限平衡法的 补充。更好地了解回采过程中坝体哪些部分所受的应力比较集中，容易发生变形， 然后在施工过程中，对这些危险的部位重点处理，提前采取措施加固。尾矿是一 种非线性特性极为明显的筑坝材料，筑坝材料的应力应变非线性弹性关系采 用邓肯一张的双曲线模型表示。4.3极限平衡法用极限平衡方法进行边坡稳定性分析是土力学的一个经典领域，这个方法以 摩尔库伦的抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分为若干垂直土条，先建立作用在这些垂直土条上的平衡方程，后求解其安全系数，通常称为条分法】。极限平衡法的基本思路是：假定岩土体破坏是由于滑体内某一确定的滑动面 发生滑动造成的，滑动面上土体服从摩尔库仑破坏准

10、则，根据滑动面土体的 静力平衡条件计算沿该滑动面滑动的可能性,求出在极限平衡状态下土体稳定的 安全系数。然后通过搜索多个可能的滑动面，试算出一系列稳定安全系数。比较 各个数值，得到最小安全系数F值，其所对应的滑动面即为最危险滑动面位置。在尾矿坝静力稳定性计算中，瑞典圆弧法和简化Bishop法这两种方法使用 最广泛。且瑞典圆弧法还是选矿厂尾矿设施设计规范（ZBJ1.90）和尾矿库安 全技术规程（AQ2006-2005）中所规定采用的方法。根据所采用的计算指标（抗剪 强度）不同，瑞典圆弧法又分为有效应力法和总应力法。因为有效应力法涉及到 孔隙水压力，所以通常采用总应力法进行尾矿坝稳定性计算。在极限

11、平衡法中， 整个滑裂面的安全系数定义为：Fs=（4-1）T安全系数即为抗滑力与滑动力的比值。4.3.1瑞典圆弧法计算原理E 庇 sec 0 + (仇-人九 X cos e, tan(pF 瑞典圆弧法首先由彼得森氏（PertersonK.E）提出，经过后人的改进，其发 展成现在通称的瑞典条分法。瑞典圆孤法最重要的两条假定为：（1）滑动面是个 圆弧，稳定系数可根据绕圆心的抵抗力矩与滑动力矩的比值来确定；（2）计算中 不考虑分条之间的相互作用力，所以每个分条底部的反力可以直接由该分条上的 载荷求求出。如图4.1所示，取任意条块，通过计算条块的x和y方向的力矩平 衡方程，得出用瑞典圆弧法计算稳定性系数

12、的表达式为：B（4-2）（化 sinQ+Ca/R）式中，c-体有效应力抗剪强度指标粘聚力，单位为kPa；金一土体有效应力抗剪强度指标内摩擦角，单位为度；a 条玲重心占到滑师圆心的力碑.里伶为m.R一滑弧的半径，单位为m.C地震系数，一般为0. 030.27；W条块的土重量，单位为kN；。一条块滑面的倾角，单位为度。图4.1瑞典圆弧法计算简图引入孔隙压力比，(43)国,sec0 + (l-/w阴 cos0, tan(p /I支使Sin0,+c尸皿/R)公式中，乙一为孔隙压力比，条块土柱重量与水柱重量之比值。4.3.2简化Bishop法计算原理简化Bishop法假设每个条块侧面上的作用力是水平方向

13、上(Bishop, 1995), 这样就认为条块之间无摩擦，作用在第i条块上的力见图4.2,根据垂直方向的 分力为零，通过求解方程得出：方总,+4(也-/Jw)tan(p(4V)白 cosQ +(sinQ tan(p)/FJr =化sinQ+C阴由人4图4.2简化Bishop法稳定性系数计算图引入孔隙压力比，则公式（4-4）可改写为：(45)夕 _ 4 cos。, + （sinQ tan（pF%sinQ+C北 a,/人公式（4-5）就是简化Bishop法的稳定系数计算公式。从上述计算公式可以看出，F出现在方程两边，所以在求解F值时要采用逐 步逼近的方法求出，通常使用牛顿切线法。4.4有限单元分

14、析法随看计算机技术的快速发展，采用理论体系更为严格的方法进行边坡稳定分 析已经成为可能。有限单元法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间 的本构关系。使用有限单元分析边坡稳定成为近年来的新趋势，有限元方法不仅 能计算出土体内的应力场分布，还可以了解边坡逐步破坏机理，跟踪边坡内塑性 区的开展情况【2可。将有限单元法应用于尾矿坝坝体的稳定计算中，可通过对坝 体应力应变的分析，更好地分析坝体的稳定性、估计裂缝的发展。尾矿远非线性 弹性体，其应力应变关系具有明显的非线性特征。把尾矿作为线性弹性体分析， 与实际有差距。因此，采用有限单元法对尾矿坝进行非线性分析更为准确。4.4.1有限单元法简介所谓

15、有限单元法，就是把连续体即坝体用网格划分为有限数目的单元体。这 些单元体之间在节点处相互校接，形成离散结构。用这种离散结构来代替原来的 连续结构，以分析应力和应变。将载荷移到作用于离散结构的结点上，成为结点 载荷。把尾矿坝体离散为一定数量的单元和节点，其中包括边界节点因】。与传 统的极限平衡法相比，边坡稳定分析的有限元法有以下优点：（1）破坏面的形状 或位置不需要事先假定。破坏“自然地”发生在抗剪强度不能抵抗剪应力的地带。（2）由于有限元法引入变形协调的本构关系，因此也不必引入假定条件，保持 了严密的理论体系。（3）有限元提供了应力应变的全部信息。有限单元法的基本 原理及其在边坡稳定分析中的应

16、用，己经有很多的文献介绍ms。4.4.2本构关系进行尾矿坝稳定性有限单元法分析，很重要的一点就是确定土的应力应变关 系，也就是矩阵C,这就需要了解土的本构关系目前已有很多这方面的研 究成果，如非线性弹性模型、双曲线弹性模型、弹塑性理论模型等，本文仅对使 用到的弹塑性模型进行简要的介绍。非线性材料在发生小的变形时，加载或卸载过程中同时产生可恢复的弹性变 形和不可恢复的塑性变形，这就是弹塑性材料。弹塑性理论模型把土的总变形分 成弹性变形和塑性变形两部分，用虎克定律计算弹性变形部分，用塑性理论计算 塑性变形部分。对于塑性变形部分，要作三方面的假定，即：破坏准则和屈服准 则、硬化规律、流动法则【29】

17、。4.4.2.1破坏准则和屈服准则土体达到破坏后，变形会不断发展，建立土的应力一应交关系，给出一个 判别土体破坏与否的标准，这个标准就是破坏准则。土体的破坏决定于应力状态， 破坏准则可写成：/（%）=稣（4-6）/（、）是应力分量的函数值，称为破坏函数；稣是试验确定的常数。若 了板）叫,土体不发生破坏；若二（）=与，则发生破坏。广（）不可能超 过与。根据式（4-6）可知，破坏与坐标的选取无关，函数的自变量应该 是某种形式的应力不变量，通常取主应力分量。常用的破坏准则主要有屈雷斯卡（Tresea）准则、米塞斯（Mists）准则、摩尔一 -库仑准则等。本文中使用ANSYS分析，故采用了用德洛克(D

18、ruker)和普拉格 (Prager)提出的广义米塞斯准则，即Druker-Pragcr准则(简称D-P准则)：阳= L(4-7)式中，0、稣为与材料内摩擦角程和粘聚力c有关的材料常数；为第一应力不变量，七为第二应力偏量不变量，4=项(07)2+(矿6)2+(矿招。D-P准则在主应力空间的屈服面为一个圆锥面,6在兀平面上为一个圆形，不存在尖顶产生的数值计算问题。材料的受力变形，在应力较小时往往是线性的，一旦应力超过了材料的屈服 极限强度，则开始出现塑性变形，应力一应变关系呈非线性。试验表明，屈服 主要取决于应力状态。对于复杂受力情况，当应力分量的某种函数组合达到一定 值时材料屈服，用公式表达为

19、：/(t) = A(4-8)式中，/(a)是屈服函数，和破坏函数一样，它与坐标的选取无关，是应力 不变量的函数；土是与应力历史有关的常数。函数/(a)在应力空间内代表一曲 面，叫作屈服面。若表示应力状态的点落在屈服面内，则材料处于弹性状态，若 在屈服面上，则材料屈服，开始出现塑性应变。4.4.2.2硬化规律当材料达到屈服后，屈服的标准会改变，其随什么因素而变，如何变化，即 为硬化规律。硬化与应力历史有关，只有应力状态达到了屈服标准后才会发生进 一步的硬化。这时就有了塑性变形，或者说做了塑性功。故可以用塑性变形或塑 性功作为衡量硬化发展的程度，称为硬化参数。将硬化称为应变硬化或功硬化。 硬化规律

20、有以下两种假定：(1)等向硬化，相当于作了塑性变形各向同性的假定。 假定屈服面的中心不变，形状不变，其大小随硬化参数而变化。(2)随动硬化。 假定屈服面大小和形状都不变，硬化只是改变其位置4.4.2.3流动法则流动法则是用于确定塑性应变增量方向的假定。塑性变形，或者说塑性流动， 与其他性质的流动一样，可以看成是由于某种势的不平衡所引起的，这种势称为 塑性势。它是应力状态的函数，表示成数学公式为：如=叫等(4-9)式中，A是比例常数；g是应力函数。流动法则有两种假定，即相关流动法则和不相关流动法则。相关流动法则假 定塑性势函数与屈服函数一致，即g(b)=f(b),屈服面就是塑性势面。不相 关流动

21、法则假定在应力空间内一点，屈服面与塑性势面不一致。大多数情况下, 混凝土材料都满足非相关联流动的特性【2刃。4.4.3 ANSYS在尾矿坝稳定分析中的应用有限元数值计算的核心是确定土体的应力一应变关系，即本构关系。尾矿 坝土体的本构关系受许多因素的影响，如成坝过程、天然应力场、密度、含水量、 颗粒组成、应力路径、应力历史等，另外还与尾矿土体的工作条件有关。要全面 正确地反应尾矿土体的本构关系是十分困难的，只有通过对试验资料的适当模 拟，建立能较为简单地反映尾矿土体主要特性的数学模型，才能有所作为。工程 上常用的土体本构关系有：线弹性、非线性弹性、非线性塑性、刚塑性、弹塑性 和粘弹性等|3叫3】

22、。大量的试验成果表明：原状尾矿土体具有较强的结构性，其应力应变关系曲 线随着成因时间和受力状态不同而异。尾矿坝材料的应力一应变关系并不是直 线关系，材料常数E和实际上都不是常量，而是应力或应变的函数，坝体各 点的应力或应变不同，材料常数E和口也不相同。尾矿坝材料的应力一应变 关系具有下述特点加】：非线性、非弹性，应力应变曲线接近双曲线，加载荷后产生塑性变 形；卸载再加载时，应力一应变沿再加载荷曲线变化，屈服点应力随塑性应变 的增加而提高。应力一应变曲线随围压应力而变化。不同围压下，可得到不同的应力 应变关系曲线。剪胀(或缩性)。对于正常固结粘土、松砂，在加荷时体积收缩。对于超 固结粘土、紧密砂

23、，加载荷时出现剪胀现象。应力路径的影响。土不是各向同性材料，不同的受力过程影响应力 应变关系。固结和蠕变特性。由于排水固结和蠕变的影响，土的应力一应变关系 随时间而变化。由于尾矿坝材料的非线性特点，就需要对其进行非线性有限元分析。目前应用在岩土工程中的数值分析软件有通用软件和专用软件。专用软件有 FLAC, 2Do 3D-o等，这些软件的本构模型是专门为岩土材料设置的，可以比 较真实地模拟岩土。通用软件中ANSYS可以较好地模拟岩土的力学性能，考虑 非线性应力应变关系和分期施工过程，可以更好地反映实际情况。ANSYS提供了岩土的非线性弹塑性模型，模型遵循Druker-Prager准则，适 应于

24、相关联流动法则和不相关联流动法则（根据剪胀角（p的值确定），在求解过 程中首先假定土体是弹性的，计算初始应力场，然后将这些应力与Druker-Prager 破坏准则相比较。如果在节点上的应力位于Druker-Prager屈服圆内，则该点还 是弹性的，若位于圆上或圆外，则该点处于屈服状态，将应力重新分配。用ANSYS软件进行有限单元法分析，对破坏的判断很关键。可以将滑面上 节点的塑性应变或者位移出现突变作为坝体边坡整体失稳的标志，以有限元静力 平衡方程组是否有解、有限元计算是否收敛作为边坡失稳的判据。一般认为边坡 塑性区从坡角到坡顶贯通视为整体破坏，具体需要结合工程边界条件36】。有限元法可以解

25、决引入应力应变关系的问题，具有适用性强及处理非均 质、非线性、复杂边界方便等优点，因此有限元法在各个领域的工程分析中巳作 为一种最通用有效的分析方法而得到广泛应用，并己开发出不少行之有效的商品 软件，如 ANSYS、SAPS 及 ADINA 等。4.5尾矿坝回采过程中坝体稳定性分析步骤在尾矿库尾矿开采过程中，尾矿坝的稳定性分析与正常运行的尾矿坝有所不 同。随着堆积尾矿的开采，尾矿坝的高度不断降低，干滩长度逐渐变短。但是干 滩长度严重影响着浸润线的位置，控制着坝体的稳定。在回采过程中，每个阶段 需要保留的干滩长度大小，是非常重要的问题。因此，本文就对回采过程中的不 同高度、不同工况的尾矿坝稳定性

26、进行分析。尾矿坝进行尾矿回采工作时，坝体稳定性与一般情况下的尾矿坝稳定性分析 有不同的地方，主要按照以下步骤进行:（1）首先收集所要分析的尾矿坝的相关资料，选取计算所需的参数；（2）然后选取主要的计算剖面，确定荷载工况和计算指标。尾矿力学指标 参数和坝基土层的物理力学指标通过工程地质勘察确定。（3）由渗流分析计算确定出回采进行过程中的不同高度、不同工况下尾矿 坝的浸润线位置。因为尾矿坝筑坝材料的特殊性，尾矿坝的稳定性分析需要重点 考虑水的作用，即浸润线的分析，这就有别于普通的边坡。使用极限平衡法进行 渗流计算时,可直接使用渗流计算公式进行计算。而用有限单元法进行渗流计算, 则复杂的多，一般只需要对参数进行调整，考虑材料饱和和不饱和的区别即可。 若是需要进行具体的渗流计算，则考虑耦合作用。有限单元法中考虑了坝体的应 力应变，就出现了应力场和渗流场的结合问题。这个问题己经引起了岩土工程界 的普遍关注，并发展为许多学科和工程领域的前沿课题，成为当前岩体力学研究 的热点，也是难点。在尾矿坝中，随着尾矿的不断堆积，尾矿的固结，尾矿中的 水将逐渐排走，孔隙压力逐渐消散，有效应力也随之变化。这种孔隙压力与应力 随时间变化的过程，表明了渗流场与应力场的相互作用。边坡渗流应力耦合分析 主要是通过应力场的变化改变裂隙网络的渗流性质，从而导致裂隙水力