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摘 要：运用大型通用软件ANSYS，基于强度折减理论，对某尾矿坝边坡稳定性进行数值分析，得出该尾矿坝的安全系数，并提出一些对策措施，为企业安全管理指明方向。
关键词：尾矿坝 ANSYS 稳定
中图分类号：X913.4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-011-02
尾矿库是矿山三大设施之一，它的安全状态直接关系到下游居民及设施的安全。近年来，我国尾矿库重大事故频发，给人民的生命和财产安全造成了严重的损失。通过对以往的事故总结可以得出：坝坡失稳为尾矿坝事故中最主要的破坏形式。引入ANSYS软件来进行数值分析，能够更加准确的判断出尾矿坝的安全性。
1 某尾矿坝基本情况介绍
某尾矿库位于河南省汝阳县，属山谷型尾矿库，设计总坝高131m，总库容797.42万m3。初期坝为透水堆石坝，坝高31m，上游坡比1：1.75，下游坡比1：2.0；后期堆积坝采用上游法堆筑，坝高100m，每期子坝高3m，总体堆积坝外坡1：4.0。根据标准该尾矿库为三等尾矿库，该尾矿库目前已堆积至第6道子坝，坝顶标高698.5m左右，现堆积坝坝坡总体坡比为1：3.88。
2 基于ANSYS的尾矿坝稳定性分析
2.1 计算工况及参数选取
（1）计算工况。该尾矿库所在区域地震基本烈度为6度，根据相关规范规定，可不进行抗震计算，只进行静力条件下稳定计算，即正常、洪水运行两种工况。选择该尾矿坝实测的典型断面Ⅱ-Ⅱ′，计算现状坝高698.5m和最终坝高780m的稳定性。考虑到尾矿库逐层堆高的特性，在现状坝顶基础上，分20m一层向上加载，即720m、740m、760m，一直到780m。
根据规定，三等尾矿库（上游式）最小滩长70m，最小安全超高0.7m。该尾矿坝目前正常水位为697.67m，库区干滩长度约50m，所以该尾矿坝的干滩长度及安全超高均不满足规定。
该尾矿坝整体浸润线较高，且初期坝内的浸润线还高于后期堆积坝，即存在“翘尾巴”的情况。初步推断：该尾矿坝的后期堆积坝与初期坝之间的土工布发生了淤堵，造成了整个坝体下部的浸润线雍高。
采用AutoBank6.0对浸润线进行模拟试算，直至模拟的浸润线和实测结果基本一致。然后将试算得出的渗透系数带入其它情况进行模拟计算，得出的结果直接加入ANSYS计算。
（2）计算参数的选取。根据工程地质勘察原位测试结果、室内土工试验成果以及同类尾矿坝经验，综合确定土层的物理力学参数，详见表1。
2.2 计算模型的构建
在ANSYS11.0中选择PLANE82单元，采用标准国际单位。实体模型在AutoCAD中建立，然后导入ANSYS中。网格大小控制在2m，采用ANSYS自动划分。最终坝高时面数为25个，单元数为9823个，节点数为101908个。对模型两边施水平方向的约束，底部施加水平和竖向约束。边坡只受重力的影响，忽略库尾地段少量尾矿水荷载的作用。
本次采用强度折减法来进行安全系数的计算，同时对和进行折减，每折减一次就运算一次，直到认为边坡已经破坏为止。采用塑性区的贯通作为判定边坡失稳破坏的依据。
坝体的分层加载在ANSYS中通过生死单元来实现。在分析最终坝高的稳定性时，先计算现状坝体，然后激活从现状到720高程内的单元，再进行计算，如此反复，直至计算完所有的地层，此时得到的应力场就是分层加载的应力场。
3 结果分析及建议
运用前面的模型以及土体的物理力学参数，遵照前面的设定进行计算。得出该尾矿坝在各种情况下的最小安全系数如表2所示。
表2 坝体稳定性计算成果表
从计算结果来看：该尾矿坝在现状情况下，正常和洪水运行时，最小安全系数分别为1.57和1.54；在设计坝高情况下，正常和洪水运行时，最小安全系数分别为1.22和1.18，均满足规范要求。
通过研究尾矿坝边坡计算过程可以发现：塑性区首先出现在库内滩面，随着折减系数的增大，塑性区域逐渐扩大并向下发展，达到一定程度时，下游坝坡处也开始出现塑性区，两者共同发展，塑性区很快贯通，整个边坡发生破坏。
针对该尾矿坝的实际情况结合数值计算结果，提出以下建议：
（1）目前后期堆积坝整体坡度陡于设计，应在堆筑下一道子坝时将马道宽度加宽，以调整整体坡度，使之达到设计值1：4的要求。以后要严格按照设计及规范要求堆筑后期子坝。
（2）该尾矿库的干滩长度和安全超高都不满足规范要求，企业应尽快对此情况作出整改，降低库内水位，以保证坝体安全。
（3）根据工勘实测的浸润线数据分析，可以得出初期坝位置发生了淤堵，从而雍高了坝体内部的浸润线，对坝体稳定不利。企业应尽快查明该处的实际情况，并采取有效的措施予以治理。另外，建议在坝面上增设排渗设施，如大口辐射井等，以控制浸润线的高度。
（4）加强日常的安全管理，注重提高职工的安全意识，同时应加强尾矿库的监测，出现异常情况应立即处理。
4 结论和展望
（1）基于强度折减理论的有限元软件ANSYS能够很好的适应尾矿坝的稳定性分析，它考虑了土体本身的应力应变关系，使计算更加切合实际，结果也更令人信服，且计算过程中不需要事先设定滑裂面位置和形状。
（2）基于ANSYS11.0，运用强度折减理论，对该尾矿坝不同情况下的边坡稳定性进行了数值分析，得出最小安全系数，认为该尾矿坝坝边坡的稳定性满足规范要求，并提出了针对性的建议措施。
（3）通过研究尾矿坝边坡计算过程可以发现：塑性区首先出现在库内滩面，随着折减系数的增大，塑性区域逐渐扩大并向下发展，达到一定程度时，下游坝坡处也开始出现塑性区，两者共同发展，塑性区很快贯通，整个边坡发生破坏。
参考文献：
[1] 王凤江，王来贵.尾矿库灾害及其工程整治[J].中国地质灾害与防治学报，2003（3）.
[2] C.斯特拉牵.尾矿坝的运行特征[J].矿物加工，2002（4）.
[3] AQ2006-2005.尾矿库安全技术规程[S].北京：国家安全生产监督管理总局，2005.
[4] Dawson E M，Roth W H，Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction [J].Geotechnique，1999，49（6）.
关键词：尾矿坝 ANSYS 稳定
中图分类号：X913.4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-011-02
尾矿库是矿山三大设施之一，它的安全状态直接关系到下游居民及设施的安全。近年来，我国尾矿库重大事故频发，给人民的生命和财产安全造成了严重的损失。通过对以往的事故总结可以得出：坝坡失稳为尾矿坝事故中最主要的破坏形式。引入ANSYS软件来进行数值分析，能够更加准确的判断出尾矿坝的安全性。
1 某尾矿坝基本情况介绍
某尾矿库位于河南省汝阳县，属山谷型尾矿库，设计总坝高131m，总库容797.42万m3。初期坝为透水堆石坝，坝高31m，上游坡比1：1.75，下游坡比1：2.0；后期堆积坝采用上游法堆筑，坝高100m，每期子坝高3m，总体堆积坝外坡1：4.0。根据标准该尾矿库为三等尾矿库，该尾矿库目前已堆积至第6道子坝，坝顶标高698.5m左右，现堆积坝坝坡总体坡比为1：3.88。
2 基于ANSYS的尾矿坝稳定性分析
2.1 计算工况及参数选取
（1）计算工况。该尾矿库所在区域地震基本烈度为6度，根据相关规范规定，可不进行抗震计算，只进行静力条件下稳定计算，即正常、洪水运行两种工况。选择该尾矿坝实测的典型断面Ⅱ-Ⅱ′，计算现状坝高698.5m和最终坝高780m的稳定性。考虑到尾矿库逐层堆高的特性，在现状坝顶基础上，分20m一层向上加载，即720m、740m、760m，一直到780m。
根据规定，三等尾矿库（上游式）最小滩长70m，最小安全超高0.7m。该尾矿坝目前正常水位为697.67m，库区干滩长度约50m，所以该尾矿坝的干滩长度及安全超高均不满足规定。
该尾矿坝整体浸润线较高，且初期坝内的浸润线还高于后期堆积坝，即存在“翘尾巴”的情况。初步推断：该尾矿坝的后期堆积坝与初期坝之间的土工布发生了淤堵，造成了整个坝体下部的浸润线雍高。
采用AutoBank6.0对浸润线进行模拟试算，直至模拟的浸润线和实测结果基本一致。然后将试算得出的渗透系数带入其它情况进行模拟计算，得出的结果直接加入ANSYS计算。
（2）计算参数的选取。根据工程地质勘察原位测试结果、室内土工试验成果以及同类尾矿坝经验，综合确定土层的物理力学参数，详见表1。
2.2 计算模型的构建
在ANSYS11.0中选择PLANE82单元，采用标准国际单位。实体模型在AutoCAD中建立，然后导入ANSYS中。网格大小控制在2m，采用ANSYS自动划分。最终坝高时面数为25个，单元数为9823个，节点数为101908个。对模型两边施水平方向的约束，底部施加水平和竖向约束。边坡只受重力的影响，忽略库尾地段少量尾矿水荷载的作用。
本次采用强度折减法来进行安全系数的计算，同时对和进行折减，每折减一次就运算一次，直到认为边坡已经破坏为止。采用塑性区的贯通作为判定边坡失稳破坏的依据。
坝体的分层加载在ANSYS中通过生死单元来实现。在分析最终坝高的稳定性时，先计算现状坝体，然后激活从现状到720高程内的单元，再进行计算，如此反复，直至计算完所有的地层，此时得到的应力场就是分层加载的应力场。
3 结果分析及建议
运用前面的模型以及土体的物理力学参数，遵照前面的设定进行计算。得出该尾矿坝在各种情况下的最小安全系数如表2所示。
表2 坝体稳定性计算成果表
从计算结果来看：该尾矿坝在现状情况下，正常和洪水运行时，最小安全系数分别为1.57和1.54；在设计坝高情况下，正常和洪水运行时，最小安全系数分别为1.22和1.18，均满足规范要求。
通过研究尾矿坝边坡计算过程可以发现：塑性区首先出现在库内滩面，随着折减系数的增大，塑性区域逐渐扩大并向下发展，达到一定程度时，下游坝坡处也开始出现塑性区，两者共同发展，塑性区很快贯通，整个边坡发生破坏。
针对该尾矿坝的实际情况结合数值计算结果，提出以下建议：
（1）目前后期堆积坝整体坡度陡于设计，应在堆筑下一道子坝时将马道宽度加宽，以调整整体坡度，使之达到设计值1：4的要求。以后要严格按照设计及规范要求堆筑后期子坝。
（2）该尾矿库的干滩长度和安全超高都不满足规范要求，企业应尽快对此情况作出整改，降低库内水位，以保证坝体安全。
（3）根据工勘实测的浸润线数据分析，可以得出初期坝位置发生了淤堵，从而雍高了坝体内部的浸润线，对坝体稳定不利。企业应尽快查明该处的实际情况，并采取有效的措施予以治理。另外，建议在坝面上增设排渗设施，如大口辐射井等，以控制浸润线的高度。
（4）加强日常的安全管理，注重提高职工的安全意识，同时应加强尾矿库的监测，出现异常情况应立即处理。
4 结论和展望
（1）基于强度折减理论的有限元软件ANSYS能够很好的适应尾矿坝的稳定性分析，它考虑了土体本身的应力应变关系，使计算更加切合实际，结果也更令人信服，且计算过程中不需要事先设定滑裂面位置和形状。
（2）基于ANSYS11.0，运用强度折减理论，对该尾矿坝不同情况下的边坡稳定性进行了数值分析，得出最小安全系数，认为该尾矿坝坝边坡的稳定性满足规范要求，并提出了针对性的建议措施。
（3）通过研究尾矿坝边坡计算过程可以发现：塑性区首先出现在库内滩面，随着折减系数的增大，塑性区域逐渐扩大并向下发展，达到一定程度时，下游坝坡处也开始出现塑性区，两者共同发展，塑性区很快贯通，整个边坡发生破坏。
参考文献：
[1] 王凤江，王来贵.尾矿库灾害及其工程整治[J].中国地质灾害与防治学报，2003（3）.
[2] C.斯特拉牵.尾矿坝的运行特征[J].矿物加工，2002（4）.
[3] AQ2006-2005.尾矿库安全技术规程[S].北京：国家安全生产监督管理总局，2005.
[4] Dawson E M，Roth W H，Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction [J].Geotechnique，1999，49（6）.