1、引用格式：李生伟，陈文婷，朱海丽，等达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元静动力分析安全与环境工程，（）：，（）：达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元静动力分析李生伟，陈文婷，朱海丽，刘亚斌，（青海大学地质工程系，青海 西宁 ；青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室，青海 西宁 ）摘要：尾矿库的生产安全事故不仅会造成资源流失、人民生命和财产受损，也会对库区周边环境造成重金属污染，破坏生态环境。以青海省都兰县达尔乌拉铁矿尾矿库为研究对象，运用三维非线性有限元法对该尾矿库进行三维有限元静动力分析，通过对尾矿库初期坝（坝顶标高为 ）和后期堆积坝（坝顶标高分别为 和 ）在正常运行水位和地震作用工况下的位移变形和应力分布情
2、况进行分析，探讨了该尾矿库变形和应力变化规律。结果表明：正常运行水位工况下，该尾矿库均能保持稳定；地震工况下，尾矿库仅在坝顶附近发生局部变形，地震液化区域较小，满足工程要求，不会对库区下游人民生命及财产安全和生态环境造成威胁。关键词：尾矿库；三维有限元；静动力分析；地震作用中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）；青海省科技厅项目（）；青海省科技厅青年基金项目（）作者简介：李生伟（），男，博士研究生，讲师，主要从事生态修复与工程地质方面的研究。：通讯作者：陈文婷（），女，博士研究生，讲师，主要从事生态环境保护、环境系统优化与地质灾
3、害防治方面的研究。：，（，；，）：，（，），（）（），：，；，：；矿业是国家经济发展的支柱产业和重要保障，各行各业所需的绝大部分原材料都依赖于矿产资第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 源。由于品位和选冶技术等原因，矿山在运行过程中产生了大量的尾矿，尾矿的堆放不仅浪费土地资源，同时影响周边的生态环境。尾矿的科学处理和环境保护问题，已经成为绿色矿山建设的重要内容。然而尾矿库存在一定的安全隐患，由于尾矿库体量大、势能高，其失稳溃坝将会对库区下游人民生命及财产和生态环境造成严重的危害。为了延长尾矿库的使用年限，常常采用加高的方式扩大尾矿库的容积。但尾矿库不断地堆积加载，会使其渗流场或应力场发生
4、改变，最终影响其整体的稳定性。因此，对尾矿库加高扩容后静动力和稳定性进行评估分析，以便采取相应的安全保障措施是十分必要的。目前计算尾矿库坝体的静动力和稳定性主要采用基于二维或三维的数值分析法。如基于二维平面的极限平衡法，该方法选取尾矿库典型断面通过平面应变进行物理力学分析，评价尾矿库的稳定性。朱品竹等采用有限元极限平衡法，应用 对二维尾矿库后期加高扩容进行了稳定性分析。但该方法的局限性在于二维平面并不能真实地反映整个尾矿库库区，计算得到的尾矿库稳定性评价结果具有一定的不确定性，且相对保守。随着科学技术的发展，基于三维模型的数值分析方法在尾矿库静动力和稳定性计算中得到了广泛的应用。李宗伟等 以吊
5、水壶尾矿坝为背景，基于稳定渗流理论和有限元法建立了尾矿坝三维有限元模型，对该尾矿坝加高扩容后的渗流特性进行了三维有限元分析，验证了尾矿坝加高工程的可行性；满健铭等 基于三维有限元模型研究了排渗飘管与土工席垫联合作用下尾矿库加高扩容后的渗透特性。本文选取青海省都兰县达尔乌拉铁矿尾矿库为研究对象，基于三维非线性有限元法动力分析程序 对该尾矿库进行三维有限元静动力分析，研究初期坝（坝顶标高为 ）和后期堆积坝（坝顶标高分别为 和 ）在不同工况下的安全稳定性，以期为该尾矿库加高扩容设计和安全运行提供理论依据，保障当地人民生命及财产安全和保护库区下游生态环境。工程概况达尔乌拉铁矿尾矿库库址地处柴达木盆地南
6、缘昆仑山系的布尔汗布达山东部，地理位置在青海省都兰县香日德镇东南约 处。尾矿库库区属侵蚀构造高山地貌，为一天然宽阔“”型冲沟，出露的 地 层 岩 性 主 要 为 加 里 东 期 中 奥 陶 世 闪 长 岩（）、印支期中三叠世花岗岩（）和第四纪洪积物松散堆积体（）。该尾矿库初期坝坝体采用碾压堆石坝，坝顶标高为 ，坝高为，坝顶宽为，上下游边坡均为 ，坝轴线长 ；后期堆积子坝在初期坝坝顶以上采用上游法尾砂筑坝，堆积坝平均坡比为。尾矿库总坝高为 （坝顶标高为 ），总 库容为 ，有效库容为 ，可为选厂服务 ，属于二等库（见图）。图达尔乌拉铁矿尾矿库平面图 该尾矿库堆积坝两侧坝肩设置坝肩截水沟，该截水沟矩
7、形断面尺寸为 ，采用浆砌石结构，内壁采用水泥砂浆抹面，底板和侧壁厚度均为，与初期坝坝肩截水沟相连接；堆积坝每上升 设置坝坡排水沟，该排水沟断面尺寸为 ，采用浆砌石结构，内壁采用水泥砂浆抹面，与坝肩排水沟相接，坡度为。三维有限元模型建立本文采用 程序进行计算，采用设计参数进行非线性静动力有限元分析。程序经过长期的工程实践，已经完成许多混凝土面板堆石坝、心墙土石坝和尾矿坝的三维有限元静动力计算与分析，分析成果获得认可。本文先作出达尔乌拉铁矿尾矿库的概化分区图（见图），再分别建立该尾矿库初期坝坝顶标高为 、后期堆积坝坝顶标高分别为 和 的三维有限元模型（见图至图），有限元分析中采用的本构方程、计第期
8、李生伟等：达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元静动力分析算模型、物理力学参数等介绍如下。2.1本构方程尾矿库的静力计算采用邓肯（和）非线性弹性模型，主要计算公式 如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为切线弹性模量（），其表达式中、和个试验常数由三轴试验确定；为大气压力（）；和分 别 为 最 大 和 最 小 主 应 力（）；为卸荷或再加荷弹性模量（），其表达式中 和 两个试验常数由三轴试验确定；为体积模量（），其表达式中和两个试验常数由三轴试验确定；为切线泊松比；为初始切线泊松比，其表达式中和两个试验常数由三轴试验确定；为剪应力比；为破坏时切线泊松式。尾矿库 动 力 分 析 采
9、用 等 效 非 线 性 黏 弹 性 模型，采用等效剪切模量和等效阻尼比这两个参数来反映土的动应力应变关系的两个基本特征，主要计算公式如下：（）（）式中：为初始最大剪切模量（）；为大气压力（）；（），其中、为有效主应力（）；、参数由动三轴试验确定。2.2计算模型为了使计算模型从规模、结构上均能够符合实际情况，初期坝体结构和堆积坝体结构按照实际结构进行建模，根据工程地质和水文地质资料以及颗粒级配情况 ，本次建模将达尔乌拉铁矿尾矿库沉积剖面（断面）划分为个主要区域，包括尾粉质黏土、尾粉土、尾粉细砂、尾中砂（见图）。然而尾矿库是一种水力沉积结构，尾矿材料的堆放具有空间变异性，本次建模忽略了尾矿库的沉积
10、规律，仅是对理想坝体进行概化分区。本次建模坐标系以大地坐标（，）作为三维有限元模型的坐标原点：方向为水平方向、垂直于碾压堆石初期坝坝轴线方向，指向上游为正；方向也为水平方向、平行于碾压堆石初期坝坝轴线方向，指向右岸为正；方向为垂直方向，与高程方向一致。其中，每个模型生成的有限元网格单元总数为 个，结点总数按标高分别为 个、个、个（见图至图）。图达尔乌拉铁矿尾矿库概化分区图（断面）（）图坝顶标高为 的达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元网格 图坝顶标高为 的达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元网格 图坝顶标高为 的达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元网格 安全与环境工程 ：第 卷2.3物理力学参数初期坝和堆积坝均按非线
11、性材料考虑，采用邓肯非线性弹性模型；基岩按线性材料考虑，采用线弹性模型。根据排土场和尾矿库的详勘资料以及相关动三轴试验 ，利用 和 公式选取坝体动力本构模型参数，其中静力和动力分析的计算参数取值见表至表。表材料线性本构关系的计算参数 材料重度（）弹性模量 泊松比坝基岩体 表材料非线性本构关系的计算参数 材料重度（）黏聚力 内摩擦角（）加载时弹模基数加载时弹模指数破坏比体积模量基数体积模量指数初期坝 尾粉质粘土 尾粉土 尾粉细砂 尾中砂 表 和 公式计算参数 材料 动剪应变阻尼比初期坝 尾粉质黏土 尾粉土 尾粉细砂 尾中砂 表坝基岩体参数 材料动剪应变阻尼比坝基岩体（中风化）2.4计算工况为了分
12、析尾矿库抗震安全性，根据 建筑抗震设计规范 和 中国地震动参数区划图，库区地震基本烈度为度，设计基本地震动峰值加速度为 ，本文静力分析计算工况如表所示；动力分析地震输入以 年超越概率合成地震波为基本设计工况，以 年超越概率合成地震波进行安全复核（见表）。计算时将地震动加速度曲线的峰值加速度进行调整，作为水平向输入地震动加速度曲线，垂直向输入地震动加速度曲线取水平向的，考虑到工况过多，本文仅选取地震反应最大相角进行分析，见图。表达尔乌拉铁矿尾矿库静力分析的计算工况 工况工况说明 坝顶标高为 ，正常运行水位地震（地震动峰值加速度为 ）坝顶标高为 ，正常运行水位地震（地震动峰值加速度为 ）坝顶标高为
13、 ，正常运行水位地震（地震动峰值加速度为 ）表达尔乌拉铁矿尾矿库动力分析的计算工况 工况地震动加速度波 年超越概率标高 图 年超越概率和的地震动加速度曲线 计算结果与分析3.1尾矿库静力计算结果与分析经静力计算与分析，各工况下该尾矿库坝体最大位移和应力计算结果见表和图，其中以顺坐标轴位移和压应力为正。第期李生伟等：达尔乌拉铁矿尾矿库三维有限元静动力分析表各工况下达尔乌拉铁矿尾矿库静力计算结果表 工况顺河向最大位移垂直向最大位移第一主应力 第二主应力 第三主应力 应力水平 静力作用 地震作用 静力作用 地震作用 静力作用 地震作用 图 达尔乌拉铁矿尾矿库断面 应力分布图（工况）（）通过对各工况结
14、果进行对比分析可知：地震荷载的加入使该尾矿库坝体向下游的位移有一定程度的改变，由于地震惯性力沿着坝体下游施加，故坝体垂直向位移（沉降）无明显变化（见表）；通过对最危险工况 进行分析，地震作用对坝体应力特性有一定的影响，坝体最大应力均发生在坝体底部附近，坝体应力基本按照坝高分布，在上下游呈非对称分布，符合一般规律（见图）；坝顶标高为 （工况）尾矿坝坝体的应力水平最大值约为 ，参考 尾矿库安全技术规程（）可知目前荷载和地震作用下，坝体不会发生破坏。3.2尾矿库动力计算结果与分析经动力计算和分析，各工况下该尾矿库坝体最大位移和应力计算结果见表和图至图。由于计算结果较多，本文仅以该尾矿库断面 进行分析
15、说明。由表和图至图 可知：在地震作用下，该尾矿库坝体加速度作用效果反应在顺河向和垂直向表各工况下达尔乌拉铁矿尾矿库动力计算结果表 工况最大加速度反应值（）最大位移反应值应力反应值 永久变形值顺河向垂直向顺河向垂直向第一主应力第二主应力第三主应力顺河向垂直向 图达尔乌拉铁矿尾矿库断面 加速度分布图（工况）（）较为强烈，且均发生在坝顶附近（见图），同样由于施加地震力的方向原因，顺河向位移相对垂直向动位移较小（见表）；坝体各部分变形均匀，因此地震时基本不会出现平行于坝轴线方向或垂直于坝轴线方向的裂缝（见图）；在最危险工况，即校核地震（工况 ）作用下，地震反应分布规律与设计地震作用（工况 ）一致，尽管
16、液化区域相比设计地震工况有所增大，但液化区域仍然较小（见图），不安全与环境工程 ：第 卷会对尾矿库的整体稳定性造成很大的影响。根据动力分析结果得知，即使在最危险工况下，该尾矿库坝体仍然能保持稳定，符合工程要求。图达尔乌拉铁矿尾矿库断面 永久变形分布图（工况）（）图 达尔乌拉铁矿尾矿库断面 地震液化区域分布图（工况 和工况 ）（）结论本文以达尔乌拉铁矿尾矿库为研究对象，基于三维非线性有限元法动力分析程序 ，采用邓肯模型、等效非线性黏弹性模型对该尾矿库进行了三维有限元静动力计算，得出如下结论与建议：（）根据静动力分析结果，该尾矿库在地震工况下，标高为 、和 的尾矿库坝体均满足工程要求，不会出现坝体破坏，不会对库区下游人民生命财产安全和生态环境造成威胁。（）根据位移和加速度分析结果，可适当对该尾矿库堆积坝下游坝坡进行护坡加固处理，以提高坝坡的抗震安全性，防止强震作用下坝坡土体局部松动、挤出；必要时对高标高处坝坡采取必要的抗震措施，如采用加筋、钢筋网等抗震工程措施。（）加强震后巡视和检查工作，关注该尾矿库地震水平向位移及永久变形。参考文献：吴荣庆中国矿业产业定位应与时俱进和国际接轨国土资源情报
