尾矿坝的渗流和静动力稳定分析

1、汇报人：邵龙潭日期：2017.03.29尾矿坝的渗流和静动力稳定尾矿坝的渗流和静动力稳定分析分析01 计算分析的目的02 渗流分析03 应力变形（应变）分析04 地震动力反应分析05 液化危险性分析06 几个可供参考的结论目 录目 录Contents3 计算分析的目的Part 1尾矿坝事故4 计算分析的目的Part 1分析目的根本目的是安全性评价：结构稳定性结构稳定性；渗透稳定性渗透稳定性；变形变形安全性安全性。拟建（新建或改扩建）坝的坝体设计；拟建（新建或改扩建）坝的坝体设计；已建坝已建坝的坝体安全的坝体安全评估。评估。（按按规规范范规定规定）稳 定 分 析5 渗流分析Part 2现在现在大

2、都采用数值分析方法。一般使用的大型或专业通用数值分大都采用数值分析方法。一般使用的大型或专业通用数值分析程序有：析程序有：ABAQUS，FLAC，Geo-Studio，ADINA，ANSYS等。等。目的确定浸润线确定浸润线位置位置（埋深）（埋深），渗流场（等势线和流线，流速和水头分布），为稳定分析提供依渗流场（等势线和流线，流速和水头分布），为稳定分析提供依据；为排渗和集水设施（降低浸润线，集水井）设计提供根据据；为排渗和集水设施（降低浸润线，集水井）设计提供根据；为；为坝体结构设计提供参考。坝体结构设计提供参考。分析方法水力学公式法；流网法；数值方法（有限差分、有限元方法水力学公式法；流网法

3、；数值方法（有限差分、有限元方法、有限体积法等有限体积法等）。前者只能做二维分析，后者可以做二维和三维分析。前者只能做二维分析，后者可以做二维和三维分析。除了分析方法，还有除了分析方法，还有现场观测（浸润线，局部渗流量）（浸润线，局部渗流量）和试验（物理模型试验；电场模拟试验）。和试验（物理模型试验；电场模拟试验）。现场浸润线观测一般是在给定的断面上打钻孔，测定孔内水位，一般是在给定的断面上打钻孔，测定孔内水位，是目前比较通行的做法，可信性很高。局部渗流量观测一般是挖是目前比较通行的做法，可信性很高。局部渗流量观测一般是挖探坑，可信性不高。探坑，可信性不高。6 渗流分析Part 2地形地形、地

4、层分布、相对不透水层的位置、各层地质材料、地层分布、相对不透水层的位置、各层地质材料的渗透系数（是否各向同性，各向不同性时，各个方向的的渗透系数（是否各向同性，各向不同性时，各个方向的渗透系数）渗透系数）。排排渗设计方案和坝体结构图（二维分析时是坝体断面图，渗设计方案和坝体结构图（二维分析时是坝体断面图，三维分析时三维坝体结构）三维分析时三维坝体结构）。坝坝体材料的渗透系数（各向同性和各向异性）。体材料的渗透系数（各向同性和各向异性）。所需资料新增排渗设施示意图新增排渗设施示意图计算区域地形计算区域地形地层编号地层名称天然密度水平渗透系数垂直渗透系数10-510-5(g/cm3)(cm/s)(

5、cm/s)尾粉砂水上1.79490.0299.0水下2.06188.0817.01尾粉土水上1.861.700.35水下2.016.981.697 渗流分析Part 21. 地形地形和地层资料的准确性和地层资料的准确性2. 坝体和地基材料的坝体和地基材料的渗透系数渗透系数影响渗流分析的因素浸润面等高线图浸润面等高线图剖面平面布置图剖面平面布置图8 渗流分析Part 2（1）严重严重依赖依赖地质资料和地质资料和渗透系数渗透系数的的可靠性可靠性； 地形地形和地层资料的准确性取决于地勘部门的技术能力和地层资料的准确性取决于地勘部门的技术能力、技术水平和工作态度技术水平和工作态度。（2）影响渗透系数影

6、响渗透系数测量结果可信性的测量结果可信性的因素因素：l 取样取样点的点的代表性代表性；l 扰动扰动（砂土（砂土可以测定可以测定现场密度，按照现场密度，按照现场密度试验现场密度试验，粘土扰动对试验结果影响大，粘土扰动对试验结果影响大）；）；l 土土的长期固结的长期固结效应效应（密度随时间变化，（密度随时间变化，渗透系数渗透系数随密度变化随密度变化）；）；l 存在存在夹层夹层和和透镜透镜体体；l 沉积沉积各向异性和应力诱导各向异性和应力诱导各向异性各向异性（试验中一般被忽略试验中一般被忽略）；）；l 数值分析数值分析中中的的计算工况计算工况、边界条件边界条件；l 降雨降雨、非饱和土层的渗流。、非饱

7、和土层的渗流。（3）采用采用现场实测的浸润线反演调整现场实测的浸润线反演调整试验试验得到得到的坝体和地基材料的的坝体和地基材料的渗透系数，是渗透系数，是一种有效的方法一种有效的方法。但但是是不能不能完全解决上述问题完全解决上述问题。问题讨论9 应力变形（应变）分析Part 3目的估计坝体的变形估计坝体的变形（沉降沉降）；）；为为地震动力反应和液化分析提供初始应力场地震动力反应和液化分析提供初始应力场；为为有限元边坡稳定分析有限元边坡稳定分析提供提供依据依据。10 应力变形（应变）分析Part 3方法一般采用有限元方法。一般采用有限元方法。通用计算程序SIGMA/W； ABAQUS；ANSYS所

8、需资料地形、地质地形、地质资料资料；坝体坝体断面图断面图；应力应变本构关系模型参数、强度应力应变本构关系模型参数、强度参数参数；常用的本构模型常用的本构模型：邓肯邓肯E-uE-u，E-BE-B，剑桥模型剑桥模型确定确定模型参数的试验模型参数的试验：三：三轴轴CDCD，扭，扭剪剪结果采用：应力结果比较可信，位移结果一般与实测相差较大，主要原因是(1)应力应变关系模型参数不准确；(2)计算模型难以完全准确模拟施工和运行过程。11 应力变形（应变）分析Part 3问题讨论（1）如何获得更准确的试验参数如何获得更准确的试验参数图像测量技术图像测量技术具有国际先进水平的测量系统。它不是一款完整的测试设备

9、，但是可以配套目前实验室所有的三轴试验仪、平面应变仪和动三轴试验仪使用。解决了传统试验仪器试样变形测量困难的问题，可以测量试样局部的变形形状。通过对乳胶膜表面标记点的跟踪实现土样表面变形（应变）分布的测量。应变测量精度可达到0.00010.00001。误差修正和精度检定平台误差修正和精度检定平台单镜头试样全表面应变场测量硬件实物图单镜头试样全表面应变场测量硬件实物图12 应力变形（应变）分析Part 3应变场应变场局部应力应变关系局部应力应变关系应力水平场应力水平场位移场位移场应用案例应用案例13 应力变形（应变）分析Part 3问题讨论（2）如何在有限元应力应变分析的基础上评估坝体的稳定性？

10、如何在有限元应力应变分析的基础上评估坝体的稳定性？ 有限元有限元强度折强度折减法减法和和有限元极限平衡法有限元极限平衡法 有限元强度折减法有限元强度折减法相比于传统边坡稳定分析方法，有限元强度折减法有以下几个优点：相比于传统边坡稳定分析方法，有限元强度折减法有以下几个优点：（1）不必假设滑面形状位置。）不必假设滑面形状位置。（2）不必假设条间力，在整体失稳前土体都处于整体稳定状态。）不必假设条间力，在整体失稳前土体都处于整体稳定状态。（3）使用有线元方法能够查看破坏过程）使用有线元方法能够查看破坏过程。然而目前对有限元强度折减法在使用中临界破坏状态的判定，尚无统一的意见，然而目前对有限元强度折

11、减法在使用中临界破坏状态的判定，尚无统一的意见，主要主要有有以以下下三种判据：三种判据：（1）以数值计算收敛与否作为判据，这种判定方法与有限元算法相关。）以数值计算收敛与否作为判据，这种判定方法与有限元算法相关。（2）以特征部位的位移是否突变作为判据。）以特征部位的位移是否突变作为判据。（3）以是否形成连续贯通的等效塑性应变区域作为判据。）以是否形成连续贯通的等效塑性应变区域作为判据。等效塑性应变云图等效塑性应变云图水平位移云图水平位移云图分析软件分析软件SLOPE/w 得到的滑动面得到的滑动面14 应力变形（应变）分析Part 3问题讨论（2）如何在有限元应力应变分析的基础上评估坝体的稳定性

12、？如何在有限元应力应变分析的基础上评估坝体的稳定性？有限元有限元极限平衡极限平衡法法问题问题：在已知坝体应力分布的条件下，如何确定在已知坝体应力分布的条件下，如何确定最最危险滑动面及其相应的危险滑动面及其相应的安全系数安全系数。 Find , let =Min. .llKKstlS寻找曲面（线）L，使K达到最小值 / 寻找使K达到最小值的曲面L 。 安全系数K是曲面L的函数。问题问题1 1：安全系数怎么定义？：安全系数怎么定义？问题问题2 2：如何搜索最危险曲面（线）？：如何搜索最危险曲面（线）？15 稳定分析有限元极限平衡法Part 4土体一点的极限平衡状态 在一定压力范围内，土的抗剪强度可

13、以用库仑公式表示，当土体中一点任一平面上的剪应力达到在一定压力范围内，土的抗剪强度可以用库仑公式表示，当土体中一点任一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就认为该点发生剪切破坏。土的抗剪强度时，就认为该点发生剪切破坏。 土体内一点出现剪切破坏，也称该点处于极限平衡状态。土体内一点出现剪切破坏，也称该点处于极限平衡状态。 极限平衡状态下土体应力之间的关系称为土的极限平衡条件极限平衡状态下土体应力之间的关系称为土的极限平衡条件 。土体沿曲面的极限平衡条件若土体沿曲面任意一点都处于极限平衡状态，则曲面上土体处于极限平衡状态。当土体沿某一曲面（整体或局部）达到极限平衡时，则认为土体在这一曲面（整体或局部

14、）上出现剪切破坏。16 稳定分析有限元极限平衡法Part 40ifiiill0iifiiilll）（0.ifiiillniniifiiill110dldlllf0)(1inifiilfii0ifiiill0iifiiilll）（土体沿滑面任意一点都处于极限平衡状态充分条件充分条件必要条件0ifi土体沿曲面土体沿曲面（局部或整体）（局部或整体）的极限平衡条件的极限平衡条件dldlllf17 稳定分析有限元极限平衡法Part 4安全系数安全系数的定义的定义 设R(l)是沿曲面l使土体各点均达到极限平衡状态的强度折减系数函数，那么土体沿曲面l整体达到极限平衡的充要条件是： dldlRlllf dlR

15、dlKllflf1llfdldlK应用积分中值定理，令：（1）（3）（2）K 是使土体沿曲面达到极限平衡的强度折减系数函数的中值。如果上面第1式成立，则有第3式成立；反之，如果第3式成立，则必有一函数R(l)使之满足第2式，进而满足第1式。因此，K 是在整体平均（中值）意义上，土体沿曲面达到极限平衡的强度折减的一个估计。18 稳定分析有限元极限平衡法Part 4(tan)min. .nlc dlKdlstlS0( , )( , )( , )0( , )ijijx yx ySx yx yS1. 1. 带有约束条件的广义数学规划问题带有约束条件的广义数学规划问题目标函数：安全系数 K待求解变量：曲

16、线l约束条件：曲线K 在区域S 内2. 2. 去除约束，将稳定分析问题转化为无约束的广义数学规划问题去除约束，将稳定分析问题转化为无约束的广义数学规划问题1，2步中n和分别为滑动面上任意微元体法向应力和沿滑动方向切向剪应力；ij是坐标为（x, y）处的应力，ij0对应坡体真实应力场。将应力场拓广到整个平面最危险滑动面搜索最危险滑动面搜索19 稳定分析有限元极限平衡法Part 4 直接搜索法一般需要给定初始滑动面，直接搜索法一般需要给定初始滑动面，在全区域内指定若干条初始滑动面，对应在全区域内指定若干条初始滑动面，对应于每一条初始滑动面得到最危险滑动面及于每一条初始滑动面得到最危险滑动面及相应的

17、稳定安全系数。比较对每个初始滑相应的稳定安全系数。比较对每个初始滑动面搜索得到的稳定安全系数，其中最小动面搜索得到的稳定安全系数，其中最小安全系数对应的滑动面即为全区域的最危安全系数对应的滑动面即为全区域的最危险滑动面，即全局最危险滑动面。险滑动面，即全局最危险滑动面。边坡初始滑面构成示意图最危险滑动面搜索最危险滑动面搜索之所以称为有限元极限平衡法，是因为上述安全系数的定义建立在土体整体或局部破坏的极限平衡条件的基础之所以称为有限元极限平衡法，是因为上述安全系数的定义建立在土体整体或局部破坏的极限平衡条件的基础上，与条分法的极限平衡方法完全一致，而结构的应力是采用有限元方法计算得到的。该方法与

18、刚体极限平衡上，与条分法的极限平衡方法完全一致，而结构的应力是采用有限元方法计算得到的。该方法与刚体极限平衡法的不同在于内力计算方法不同；另一个区别在于条分法在内力计算中就需引入极限平衡条件，而有限元极限法的不同在于内力计算方法不同；另一个区别在于条分法在内力计算中就需引入极限平衡条件，而有限元极限平衡法在应力计算时，因引入本构关系和几何方程，不需要引入极限平衡条件。平衡法在应力计算时，因引入本构关系和几何方程，不需要引入极限平衡条件。20 稳定分析有限元极限平衡法Part 4MethodSlip surfacesFOSFOS difference with LEM2 (%)Case 1Cas

19、e 2Case 1Case 2LEM (Bishop/Geoslope)1Slip surface A (Circular)1.4741.2351.32.72Slip surface B (Fully specified)1.4551.2020.00.03Slip surface C (Optimised)1.3621.120-6.4-6.8SRM15(Coarse mesh) 1.4601.2100.30.7SRM(Fine mesh) 1.4511.215-0.30.7FELEMSlip surface B1.4481.211-0.50.7算算 例例21 稳定分析有限元极限平衡法Part

20、4算算 例例分层边坡MethodFOSFOS difference with LEM2 (%)LEM163 (M-P, Non-circular) (dotted line)1.24012.6LEM267 (Spencer, Non-circular) (solid line)1.1010.0SRM1.1433.8FELEM (dashed line)1.1110.9均质堤防MethodFOSFOS difference with LEM (%)LEM (Bishop/Geoslope, Circular)1.7840.0SRM1.8704.8FELEM1.8724.9MethodFOSGlo

21、bal FOS difference with LEM (%)Global minimumLocal minimumLEM20(Spencer,Non-circular)1.3301.3751.4151.4001.3830.0SRM20 (=0)1.327-0.2SRM (=)1.3703.0FELEM1.3661.4121.4321.4021.3872.7多级边坡22 稳定分析有限元极限平衡法Part 4 ()Methods/01/31/22/3120Limit Analysis76UB2.052.422.622.823.21LB2.042.322.502.673.02Log Spiral

22、Method2.042.382.562.733.07FELEM2.042.422.622.803.0430Limit Analysis76UB3.014.104.765.497.14LB3.003.784.375.026.58Log Spiral Method3.014.024.615.266.68FELEM15.476.7640Limit Analysis76UB4.627.7910.0312.8720.10LB4.606.878.7911.3018.64Log Spiral Method4.617.589.6712.2418.88FELEM4.887.829.9512

23、.6218.76对数螺旋线被动土压力安全系数与被动土压力系数滑动面对比算算 例例23 稳定分析有限元极限平衡法Part 4不同基础宽度不同内摩擦角MethodN=20=30=40FLAC968.753.0Numerical limit analysis991.52-1.737.18-8.5438.5-54.2Numerical limit analysis1001.58-1.677.62-8.0842.77-45.42FELEM2.199.8358.04算算 例例24 稳定分析有限元极限平衡法Part 4空间滑面最大剪应力在XOY平面投影矢量图将二维有限元极限平衡法拓展到三维，以节点坐标节点坐

24、标为参数构造初始滑动面初始滑动面，根据有限元计算应力场有限元计算应力场插值得到滑动面面上各点法向应力与剪应力，并计算滑动面所对应的安全系数。采用粒子群方法优化参数，搜索三维情况下最小安全系数，确定最危险滑动面。算算 例例25 稳定分析有限元极限平衡法Part 4http:/ 岩土工程结构稳定分析软件岩土工程结构稳定分析软件AFESTAB是基于有限元极限平衡法而开发的。方法是基于有限元极限平衡法而开发的。方法和程序均属自主研发。网站提供和程序均属自主研发。网站提供AFESTAB软件下载、使用指南和应用案例。软件下载、使用指南和应用案例。网址：网址：免费网络平台免费网络平台26 地震动力反应分析P

25、art 5基于静力有限元的分析结果基于静力有限元的分析结果，在，在输入输入典型典型或设计或设计地震波条件地震波条件下，研究坝体应力、变形下，研究坝体应力、变形形态，包括节点的水平和竖向加速度分布、节点的水平和竖向动位移分布、最大动主形态，包括节点的水平和竖向加速度分布、节点的水平和竖向动位移分布、最大动主应力、最小动主应力及动剪应力分布应力、最小动主应力及动剪应力分布等等。目的方法时程时程积分法积分法；频域法频域法；随机分析随机分析方法方法通用计算程序QUAKE/W； ABAQUS；ANSYS； ADINA所需资料地形地质资料，特别关注覆盖层和地形地质资料，特别关注覆盖层和基岩基岩；场地地震危

26、险性分析场地地震危险性分析确定设防确定设防地震烈度地震烈度；地震波地震波；土（坝体、覆盖层和基岩）的动力应力应变关系模型参数、抗剪强度土（坝体、覆盖层和基岩）的动力应力应变关系模型参数、抗剪强度参数参数；饱和土的抗液化强度饱和土的抗液化强度参数参数。结果采用位移、加速度、应力、应变、孔压（如果采用有效应力法分析的话）位移、加速度、应力、应变、孔压（如果采用有效应力法分析的话）一般一般只关注加速度反应只关注加速度反应27 地震动力反应分析Part 5断面1-1156水平向峰值加速度（单位：m/s2）断面1-1156竖向峰值加速度（单位：m/s2）断面1-1156峰值动剪应力（单位：kPa）断面1

27、-1156坝轴向峰值加速度（单位：m/s2）断面1-1156峰值动剪应变（单位：1）断面2-220水平向峰值加速度（单位：m/s2）断面2-220竖向峰值加速度（单位：m/s2）断面2-220坝轴向峰值加速度（单位：m/s2）断面2-220峰值动剪应力（单位：kPa）断面2-220峰值动剪应变（单位：1）28 地震动力反应分析Part 5（1）地震波地震波（2）单向单向振动、双向振动、双向振动振动（3）地震作用下的坝体稳定性和永久变形地震作用下的坝体稳定性和永久变形（4）如何如何基于地震反应分析评价坝体的稳定性？基于地震反应分析评价坝体的稳定性？问题讨论动力分析动力分析随机地震动应力分布随机地

28、震动应力分布有限元极限平衡法有限元极限平衡法动力稳定安全系数动力稳定安全系数最危险滑动面最危险滑动面 (a) 将加速度功率谱在频率域内离散，对频率离散点用确定性稳态强将加速度功率谱在频率域内离散，对频率离散点用确定性稳态强迫振动方法求解，求得体系各单元体的动应力分量。迫振动方法求解，求得体系各单元体的动应力分量。 (b) 对每一频率离散点进行上述求解，则可得动应力反应的功率谱曲对每一频率离散点进行上述求解，则可得动应力反应的功率谱曲线，由此通过对动应力反应的功率谱进行数值积分，可求得动应力线，由此通过对动应力反应的功率谱进行数值积分，可求得动应力反应量的均方值、方差和谱参数。反应量的均方值、方

29、差和谱参数。 (c) 在在(b)的基础上求得平均动应力幅值及最大动应力值的中值的基础上求得平均动应力幅值及最大动应力值的中值(平均最平均最大值大值)。 (d) 分别分别取动应力的平均幅值和平均最大值与静应力叠加进行土石坝取动应力的平均幅值和平均最大值与静应力叠加进行土石坝的随机动力稳定性分析，求出相应的最危险滑裂面及相应的抗滑安的随机动力稳定性分析，求出相应的最危险滑裂面及相应的抗滑安全系数。全系数。29 液化危险性分析Part 6分析目的确定坝体和坝基可能的液化区域，评价其对坝体安全性的影响。确定坝体和坝基可能的液化区域，评价其对坝体安全性的影响。分析方法基于有效应力分析的孔压判别基于有效应

30、力分析的孔压判别法法；Seed剪应力对比法剪应力对比法：取最大动剪应力的取最大动剪应力的0.65倍的动剪应力比作为判别依据倍的动剪应力比作为判别依据所需资料有效应力抗剪强度参数，抗液化强度参数有效应力抗剪强度参数，抗液化强度参数结果采用液化区，液化区对坝体稳定的影响液化区，液化区对坝体稳定的影响 cdtd0030 液化危险性分析Part 6（1）液化参数试验的准确性液化参数试验的准确性（2）长期固结效应对液化的影响长期固结效应对液化的影响（3）如何分析液化区对坝体稳定的如何分析液化区对坝体稳定的影响影响问题讨论L/mH/m0501001502002500204060Frame 001 12 D

31、ec 2013 加高到二级子坝断面液化区示意图加高到二级子坝断面液化区示意图L/mH/m0100200300400500600700800050100150Frame 001 12 Dec 2013 最终坝高断面液化区示意图最终坝高断面液化区示意图结果表明，加高到二级子坝断面在干滩长度为结果表明，加高到二级子坝断面在干滩长度为30m时，坝体内出现较大范围的液化区，自水边时，坝体内出现较大范围的液化区，自水边线向库区内延伸约线向库区内延伸约90m，最大液化深度约为，最大液化深度约为14.0m，但液化区位于库区内，且面积相对于整，但液化区位于库区内，且面积相对于整个库区而言很小。最终坝高断面在干滩长度为个库区而言很小。最终坝高断面在干滩长度为200m时，坝体内未出现液化区。总体来讲