基于强度折减法的尾矿堆积坝动力稳定性分析

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国内外对尾矿堆积坝的动力分析研究已有近40多年的历史,通过对国内外研究现状的简述,得出工程研究中尾矿堆积坝动力分析主要考虑的三方面内容,即永久变形、液化判别分析以及稳定性分析。本文对这三方面内容分别进行了较为详细的叙述与讨论,并为本文的研究方法的选定做铺垫。其中,针对稳定性分析部分,本文根据国内外常用方法提出新的基于动力时程分析的强度折减法,即在得到动力计算结果后,提取瞬时应力应变状态,计算节点不平衡力并施加不平衡力反力,得到稳定的瞬时应力应变场,然后在此基础上进行强度折减计算,同时融入二分查找算法并对模型进行适当简化,对多时刻计算结果重复该折减计算方法,得到多时刻坡体的安全系数,即安全系数时程曲线,进而为其地震作用下的稳定性评价与分析提供参考。经过在Flac3D软件平台上的编程实现与计算验证,该稳定性分析方法具有可行性,并将其应用到大后沟尾矿坝的地震动力稳定性分析中。在对堆积坝的动力分析中,考虑三种地震工况,分别为多遇地震工况、设防地震工况和罕遇地震工况,其计算结果表明:  (1)三种地震工况下,堆积坝沿沟谷方向水平位移最大值分别为-97.15mm,-337.45mm和-820.55mm,位移最大值主要位于堆积坝坡面中部,朝向下游临空方向,而沉积滩面水平向位移则整体较小。在三种地震工况下,随着输入加速度峰值的增大,水平位移值也逐渐增大,且随加速度峰值的增加基本呈线性增大趋势。而三种工况下堆积坝沉降位移的最大值分别为-47.47mm,-160.25mm和-323.99mm,最大值均出现在堆积坝坡面顶部,与水平位移类似,沉降位移量随输入加速度峰值的增加呈线性增大趋势。此外,在堆积坝坡面接近排渗体和沉积滩尾部均出现隆起现象,三种工况下堆积坝坡面的隆起最大值分别为13.73mm,35.28mm和164.34mm,隆起位移值则随输入加速度峰值的增大而快速增大。在堆积坝尾部,隆起范围亦随加速度峰值的增大而扩大。  (2)根据监测点计算结果,在三种工况下,水平位移和竖向沉降位移,其时程曲线最大值与最终值变化规律基本一致。从下游到上游,水平位移基本为先增大后减小,最大值位于堆积坝坡面中部监测点处。竖向位移同样先增大后减小,但最大值位于堆积坝坡面顶部监测点处,且以此为界,两侧竖向位移基本呈对称之势。  (3)在三种工况下,从堆积坝坡面底部监测点到顶部监测点,基本呈现出逐渐增大变化趋势,在堆积坝坡面项部达到一个局部峰值,而在沉积滩面监测点,各点加速度峰值呈波浪形振荡变化。三种计算工况下的加速度峰值分别为0.378g,0.691g和1.017g,而与输入加速度峰值相比,放大系数分别为7、4.52和3.32。尽管三种工况加速度峰值越来越大,但堆积坝对其的放大系数却越来越小。  (4)随着输入地震波加速度峰值的增大,超孔隙水压力水平也越来越大,同时在动力作用前期,超孔隙水压力时程曲线的上升速度也越来越快,三种工况下超孔隙水压力最大值分别为134.21Kpa、200.26Kpa和330.38Kpa。而超孔压比的最大值分别为0.589、0.734和0.994,即仅在罕遇地震工况下出现液化现象,但由于区域很小,对堆积坝影响较小。  (5)三种工况下得到的安全系数时程曲线,基本规律均为前期迅速下降,主要是由于塑性区范围的扩张,稳定性下降,而后期安全系数振荡变化,但变化趋于平缓,塑性区分布范围已趋于稳定。三种计算工况下安全系数的最小值分别为1.838、1.760和1.709,最小安全系数随加速度峰值的增大而减小,但降低幅度亦逐渐减小,但堆积坝在三种工况均处于稳定状态。而根据折减计算结果,三种工况下的潜在破坏模式均为堆积坝坡面的浅层滑动,剖面滑面基本呈圆弧状。
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