石窑店煤矿拦渣坝稳定性分析

石窑店煤矿拦渣坝稳定性分析

随着我国经济快速发展，资源开发利用速度也加快。陕北作为我国重要的能源重化工基地,煤炭、矿产等资源开发是其能源格局中的重要内容。在矿产资源开发过程中,必然会产生大量的弃土弃渣,若不采取有力的防治措施,将会加速当地土地荒漠化和水土资源损失,对项目区及周边生态环境造成不良影响。拦渣坝作为开发建设项目进行弃土弃渣治理的一种主要工程措施,其稳定性和安全性对于整个项目的安全生产和可持续发展具有至关重要的作用。目前应用于边坡稳定分析的方法主要有基于极限平衡的传统方法和有限元法。极限平衡法(如瑞典圆弧法、Bishop法、Janbu法)是边坡稳定分析中最常用的方法,它通过分析坡体在临近破坏的状况下,土体外力与内部强度所提供抗力之间的平衡,计算土体在自身和外荷作用下土坡稳定性的程度。传统的边坡稳定性分析方法中,为了便于分析计算,做了许多假设,如假设一个滑动面、不考虑土体内部的应力?应变关系等。因此,传统分析方法不能得到滑体内的应力、变形分布状况,也不能求得岩土体本身变形对边坡变形及稳定性的影响。在边坡稳定分析中引入有限元法始于20世纪70年代,有限元法克服了传统分析法的不足,不仅满足力的平衡条件,而且还考虑了土体应力-变形关系,能够得到边坡在荷载作用下的应力、变形分布,模拟出边坡的实际滑移面。正因为有限元法的这些优点,近年来它已广泛应用于边坡稳定性分析。本研究对陕北石窑店煤矿拦渣坝的安全与稳定问题,应用力学分析原理和有限元强度折减法,利用有限元软件对煤矿拦渣坝的稳定性进行分析,以期为矿区拦渣坝的设计与施工提供可靠的设计参数和依据,实现开发建设项目的快速治理和生态修复。1矿井弃土等洪水水质影响石窑店煤矿位于陕西省神木县东北部、府谷县西部,属于神府矿区新民开采区的一部分。矿区地表地形支离破碎,属于典型的黄土高原丘陵地貌区,气候属中温带大陆性干旱?半干旱季风气候,多年平均气温10.3℃,年平均气温差33.2℃;年平均降雨量339.4mm,降雨量主要集中在7至9月份,约占年降雨量的50%～60%。根据预测,石窑店矿井施工过程中建设期弃土、弃石、弃渣总量为2.08万m3,约合3.59万t。主体方案根据骨干坝坝址选择条件,将坝址选在距离矿井工业场地南侧约0.5km处的自然冲沟沟道内,沟底基岩出露,筑坝形式采用碾压土石坝,筑坝材料采用井巷工程弃渣。反滤体为干砌石结构。泄洪建筑物采用竖井、涵洞、排水沟。根据沟道具体情况和计划弃渣量,拦渣坝的洪水设计标准分别采用30年一遇设计,50年一遇校核。拦渣坝坝体的设计参数如下表1。2水库边坡稳定的有限强度法的减税原理2.1在自动的程序中计算一阶段,即根据弹塑性准则进行试算有限元强度系数折减法的基本原理是将坡体强度参数粘聚力c和内摩擦角φ,同时除以一个折减系数ω,得到一组新的c′,φ′,即c′=cω;φ′=arctan(tanφω)。(1)c′=cω;φ′=arctan(tanφω)。(1)然后作为新的资料参数输入,再进行试算,利用相应的稳定判断准则,程序可以自动根据弹塑性计算结果得到破坏滑动面,确定相应的ω值为坡体的最小稳定安全系数,此时坡体达到极限状态,发生剪切破坏,同时又可得到坡体的破坏滑动面。有关研究表明,有限元强度折减法的安全系数在本质上与传统方法是一致的。郑颖人、赵尚毅等通过多种比较计算说明有限元折系数法用于分析土坡稳定问题是可行的,但必须合理地选用屈服条件以及严格地控制有限元法的计算精度。2.2以极限平衡法求解稳定性采用有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题,是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否处于破坏状态。目前的失稳判据主要有两类:第一类是在有限元计算过程中采用力和位移的不收敛作为边坡失稳的标志;第二类以广义塑性应变或等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为坝坡破坏的标志,以上两种判据得到的安全系数相差不大。有限元的计算迭代过程就是寻找外力和内力达到平衡状态的过程,整个迭代过程直到一个合适的收敛标准得到满足才停止。如果坝坡失稳破坏,滑动面上将产生没有限制的塑性变形,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力?应变关系和强度准则的解,此时不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。本文采用节点不平衡力和位移的不收敛作为判据,便于计算和可视化,同时根据塑性区的范围及其连通状态确定相应的安全系数,以此评价坝坡的稳定性。传统的极限平衡法采用的是摩尔?库仑准则,而流行的有限元软件中采用的均是广义米赛斯准则。由于强度折减有限元法计算的安全系数与选用的屈服准则密切相关,郑颖人、赵尚毅等研究发现不等角六边形外接圆(DP1)屈服准则计算的安全系数较传统的摩尔?库仑准则会偏大许多,而徐干成、郑颖人(1990)研究提出的摩尔?库仑等面积圆准则的计算精度与Spencer的平均误差在5%左右,可满足工程要求,并给出了不等角六边形外接圆(DP1)屈服准则求得的安全系数与莫尔?库仑等面积圆准则求得的安全系数之间的转换关系式(2)。本文把在外接圆(DP1)屈服准则下求得的安全系数均转换为莫尔?库仑等面积圆屈服准则下的安全系数。η=f(φ)=2π33√⋅3+sinφ3−sinφ−−−−−−−−−−√。(2)η=f(φ)=2π33⋅3+sinφ3-sinφ。(2)2.3角三角形外接圆屈服准则和非关联流动的弹塑性模型石窑店煤矿拦渣坝的有限元网格见图1。坝体的计算采用平面应变条件下摩尔?库仑不等角六边形外接圆屈服准则(DP1)和非关联流动的理想弹塑性模型,坝体对基岩和其周围的影响范围取为坝高的一半5.5m,基岩底边界为固定约束,左右边界为水平约束,其它为自由约束。弹塑性有限元计算采用大变形静态分析选项,最大迭代次数为1000。3硬带的稳定值分析3.1参数选择根据矿区筑土石坝工程经验、设计资料、现场资料分析、现场及室内岩土物理力学试验和有限元计算的需要,拦渣坝材料特征取值如表2。3.2圆屈服准则自重作用下采用了4种方法计算拦渣坝坝坡的安全系数,见表3。4种方法得出的坝坡安全系数均较大,此时坝坡是稳定的。同时本研究采用摩尔?库仑不等角六边形外接圆屈服准则(DP1)求得的安全系数为2.58,其与Spencer法求得的安全系数2.25的相对误差为14.67%,小于郑颖人等等研究指出DP1的平均误差为26.6%;而把外接圆屈服准则(DP1)求得的安全系数按式(2)转换为摩尔?库仑等面积圆屈服准则下的安全系数为2.24,其与Spencer法求得的安全系数2.25的相对误差为0.44%,在郑颖人等等研究指出摩尔?库仑等面积圆屈服准则的安全系数与Spencer法的平均误差5%范围内,计算结果的精度较高。3.3库仑主动压力验算在干旱季节,坝坡面粗糙,加之竖井、涵洞、排水沟等排水设施的排水情况良好,矿渣处于自然状态,故坝的摩擦角δ取矿渣的内摩擦角φ(35°)的1/3～1/2,本坝取δ=15°。矿渣的库仑主动压力计算公式为Pa=γHKa‚(3)Ρa=γΗΚa‚(3)式中:γ为矿渣的重度,γ=ρ湿g=16.5kN/m3;H为矿渣堆渣高度;Ka为库仑主动压力系数。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为矿渣的内摩擦角;α为拦渣坝迎水坡与铅直线的夹角;δ为坝的摩擦角,有经验或规范确定,在本坝中取15°;β为堆渣表面与水平线所成夹角。由计算可得:α=68.2°,取68°,β=26.6°,取27°(<35°),代入(4)计算得Ka=9.5395,具体堆渣方式见图2。当堆渣达到设计高度25.0m时,矿渣对坝的压力分布从坝顶至坝底为直线,计算可得拦渣坝坝顶所受矿渣的库仑压力P1a上为2203.624kPa,坝底所受矿渣的库仑压力P1a下为3935.044kPa。3.4坝体强度参数的数值结果当有暴雨洪水时,矿渣在坝顶以下全部处于饱和含水状态,此时矿渣的浮重度γ为11.77kN/m3(ρsat=2.2g/cm3),当堆渣达到设计高度25.0m时,矿渣对坝的压力分布为折线,计算可得拦渣坝坝顶所受矿渣的库仑压力P2a上为2203.624kPa,坝底所受矿渣的库仑压力P2a下为3548.704kPa。由于拦渣坝的拦水作用,水对坝的静水压力为三角形分布,坝顶处为零,坝底处为PW为110kPa。限于篇幅,再加上从静力学角度考虑渣体自然状态下坝体受力包含渣体饱和状态下坝体受力,这里只给出坝体受自然矿渣在设计堆渣量下压力作用的应力和位移分布云图。由有限元强度折减法得摩尔?库仑不等角六边形外接圆屈服准则(DP1)下求得的安全系数为1.65,将其按式(2)转换为摩尔?库仑等面积圆屈服准则下的安全系数为1.39,其与Spencer法求得的安全系数1.38的相对误差为0.72%,在郑颖人等研究指出摩尔?库仑等面积圆屈服准则的安全系数与Spencer法的平均误差在5%范围内,精度较高,在坝体强度参数折减1.39的情况下,坝体的应力和位移分布如图3。由计算和图3可得:坝体中x方向的位移均为正,以坝体中迎渣面离坝顶1～9m、垂直迎渣面斜向坝体内6m的范围为x方向位移的最大值区域;x方向位移的最大值为175.67mm(第2694节点是位移最大点,见图1)。x方向的其它位移近似以坝顶中心为圆心、以两侧坝坡为边界的扇形从坝顶向坝底递减,直至减小为最小值0。坝体中y方向的位移基本分为两部分,坝体中心左侧由于受到矿渣压力的作用,位移向下,表现为下沉,坝体中心右侧由于受到左侧坝体的挤压,位移向上,表现为抬升,这与力学的分析是相吻合的。坝体中心左侧的下沉位移中,迎渣面离坝顶3～12m,垂直迎渣面斜向坝体内3m的范围为y方向位移的最大值区域;y方向的其它下沉位移近似直径沿着迎渣面、依次以第2466,2468,2470节点为圆心的半圆从垂直迎渣面向坝底递减直至减小为最小值0。y方向下沉位移的最大值为98.64mm(第2462节点是位移最大点,见图1);坝体的抬升位移区主要分布在坝体中心左侧,依次以第2447,2441节点为圆心,分别以6m,12m为半径的半圆从垂直背渣面向坝底方向递减直至减小为最小值0,其最大值为35.48mm(第2449节点是位移最大点,见图1)。坝体中第一主应力全为压应力,由于土石矿渣是抗压不抗拉的,满足规范规定的坝体中不许出现拉应力的要求。第一主应力的最大值区域位于坝体迎渣面的坝脚处从迎渣面向背渣面延伸9m左右、从坝底向坝顶延伸3m左右的三角形区域内,其最大值为2.31MPa(第8节点是压应力最大点,见图1),小于坝体的抗压允许应力值4～7MPa,坝体中其它部位的第一主应力从最大值区域贯穿坝体从迎渣面向背渣面递减,直至减小到位于反滤体右部的应力最小值0.08MPa,坝体此时是安全的。坝体中第三主应力也全为压应力,满足规范规定的坝体中不许出现拉应力的要求。坝体中第三主应力的最大值在坝体从迎渣面的坝脚向背渣面延伸5m左右、从坝底向坝顶延伸2m左右的三角形区域内,其最大值为4.12MPa(第56节点是压应力最大点,见图1),小于矿渣的抗压允许应力值4～7MPa;坝体中其它部位的y方向应力从最大值区域贯穿坝体从迎渣面向背渣面递减,直至减小到位于反滤体边界处的应力最小值0.18MPa,坝体此时也是安全的。4坝体结构及坝体破坏的特征分析利用有限元强度系数折减法对坝体仅受自重和受自然状态矿渣在设计堆渣量压力作用下的稳定性进行了分析,得到了坝体的安全系数分别为2.24和1.39,坝体的强度储备较大,并绘出了坝体受自然状态矿渣在设计堆渣量压力作用下强度参数折减1.39时的应力场和位移场图,得到坝体中应力场和位移场的分布规律,其最大值区域如下:①位移的最大值区域:坝体中迎渣面离坝顶1～12m、垂直迎渣面斜向坝体内6m的范围;②应力的最大值区域:坝体迎渣面的坝脚处从迎渣面向背渣面延伸9m左右、从坝底向坝顶延伸3m左右的三角形区域,坡脚是一个应力集中区,也是坡体破坏的起点。这些区域将在建坝过程中采取措施进行重点防护,以确保矿渣达到堆渣高度时坝体的安全。拦渣坝稳定性计算不同于一般的水库或边坡,对拦渣坝稳定性分析时要综合考虑各影响因素,如水的渗透作用对坝体稳定的影响等。有限元虽能模拟出边坡的实际滑移面,也有不完善的地方,即误差累积和无法直接用公