加筋尾矿坝的极限平衡分析

总第 81期 2003年第 2期 西部探矿工程 W EST—CHINA ExPL0RAT10N ENGINEERING seriesNo．81 Fe b．2003 文章编号：1004--5716(2003)02--84--02 中图分类号：TU313．3 文献标识码：B 加筋尾矿坝的极限平衡分析 王凤江 (秦皇岛冶金设计研究总院，河北秦皇岛066001) 摘 要：运用极限平衡分析原理，对土工织物加筋尾矿砂组成的坝体稳定性和加筋效果进行了计算。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，土工织 物加筋尾矿砂的抗滑稳定系数比不加筋时显著增强。在加筋间距>0．4m时，筋材提供的抗滑力明显减小。 关键词 ：加 筋尾矿坝 ；稳 定性 ；极限平衡 借鉴加筋土技术在公路 、铁路等部门的成熟应用经验，设想 在尾矿坝筑坝过程中对尾矿砂用土工织物进行加筋，以提高尾 矿坝的整体稳定性能。土工织物用于尾矿坝的加筋国内外并不 多见，1997年，秦皇岛冶金设计研究总院和国家地震局哈尔滨工 程力学研究所曾联合对首钢大石河尾矿坝的子坝进行了加筋土 的试验研究l_1]。尾矿坝加筋以后的工程实践表明，在提高了坝坡 的坡角以后，坝体的稳定性仍然满足设计要求。本文的目的是进 一 步探讨不同加筋间距对加固效果的影响和筋材实际提供的抗 滑力随之变化的规律。 1 稳定性分析计算公式 尾矿坝为既含有大量砂性土又分布多层细泥夹层的散体结 构。对于加筋尾矿坝，考虑其为柔性结构，其破裂面可用圆弧进 行近似模拟。按照极限平衡法原理，本次分析评价采用瑞典圆弧 法计算，即假设在坝体滑动过程中筋材始终保持原来的铺设方 向不变。经验证明，这样处理是偏于安全的。筋材提供的抗滑力 确定见图 1所示。 图1 确定加筋力的滑弧计算 在坝体内部铺设土工织物后 ，因土工织物承受拉力，相当于 增加了一个稳定力矩，从而使安全系数增大。瑞典法计算模型是 假定土工织物的拉应力总是保持原来铺设方向，由于土工织物 拉力的存在，就产生两个稳定力矩，计算公式 为： K ∑(cil +w c0 tg ～Hasinaitgq~)R+T(X4-Ytg ) 式中：R——滑弧半径； X、Y——土工织物沿水平和垂直方向各对滑弧圆心产生的 力臂； W——分条土重； ai～ 一某一分条与滑动面的倾斜度； T——土工织物的抗拉强度； G， ——不排水剪的粘聚力和内摩擦角； li——分条底部的弧长； Ha——水平方向的地震力，作用在土条重心，其数值为土条 的重量与水平加速度系数及沿土条高度加速度分布系数的乘 积 。 2 计算模型及参数 假设加筋尾矿坝是由几何尺寸相同的多级加筋土子坝组 成，其子坝相应的结构形式为坝高 12m，坝顶宽度为 4m，坡比为 1：0．7。计算模型建立的主要特征是：分三个子坝分别堆筑并进 行计算，各子坝按水平距离 10m错开，以考虑降排水设施的施工 工作面，相应堆筑总高度为36m。按上述条件形成的坝坡总体边 坡角为28。，而目前国内尾矿坝的外坡角一般为 15。左右。所以， 坝坡坡角提高了近一倍。加筋后坝体极限平衡的计算内容包括 静力计算和7度地震稳定性计算、加筋计算三种。其中，加筋的 间距按0．6m考虑，且首先计算一级子坝加筋的情况，若上述计 算的条件满足要求，则以后各子坝不再重复计算。条分的宽度为 0．5m，以保证必要的分析精度。 图2 危险滑弧的位置 极限平衡计算过程中，坝坡上游的水位高度和坝顶相同，以 模拟最不利的工作状态。由于水的渗流作用会对坝坡的稳定性 产生不利影响，计算时，假定坝坡处于稳定渗流状态，并对地下水 引起的孔隙水压力进行近似计算。尾矿材料的抗剪强度指标对 尾中砂和尾细砂的内摩擦角分别取 35。和 30。，不考虑内聚力的 影响，并 假 设破 坏 不 发生 在 坝 基。土工 布 的抗 拉 强 度为 维普资讯 http://www.cqvip.com 2003钲 第 2期 王凤江：加筋尾矿坝的极限平衡分析 8 5 10kN／m。 3 计算结果分析 加筋之前尾矿坝在静力荷载或地震荷载单独作用下的极限 平衡计算结果如表 1所示。相应的三个最危险滑动面见图 1。 分析静力和地震荷载作用下尾矿砂组成的边坡稳定系数，地震 荷载作用下坝坡的安全系数普遍 比静力条件下的低，降低幅度 在 1O 左右。对应图2中的第三类滑动面，在一级子坝中按垂 直间距 0．6m水平方向布置筋材，筋材的长度按 30m考虑，不同 拉伸强度下的滑动面安全系数计算结果见表 2。 表 l 圆弧滑动法安全系数计算结果 表 2 圆弧滑动法安全系数计算结果 计算结果表明，随筋材抗拉强度的提高，分析对象的安全系 数逐渐提高。由于加筋产生的安全系数增长值在 3O％以上，加 筋对坝坡稳定性的影响显著。随着筋材抗拉强度的提高，抗滑安 全系数不断增加。计算结果表明，采用抗拉强度为 30kN／m的 土工布可满足稳定性要求。为分析一级子坝加筋对坝坡整体滑 动的影响，取第二类滑动面也进行了计算，计算结果见表 3所示。 表3 圆弧滑动法安全系数计算结果 由于一级子坝的加筋，坝体各危险滑动面的静、动力安全系 数均满足了要求。因此，底部子坝的加筋很重要。分析过程中， 还对各条块产生的下滑力和筋材提供的抗滑力进行了计算，其 中，由条块 自重和地下水孔隙压力、地震荷载共同作用产生的下 滑力为3551．9kN，筋材提供的抗滑力仅为 176~N，不足总下滑力 的 5 ，这充分说明提高尾矿料抗剪强度指标的重要性。筋材提 供的抗滑力小，还和滑动面和筋材相交的面积有关系。根据安全 系数和尾矿材料内摩擦角的关系，反算求出极限平衡状态下尾 矿的内摩擦角为 15。，而这是容易满足的。 为考虑不 同加筋 密度对加 筋尾矿砂稳定 性 的影 响，取 30kN／m~I布加筋材料对应第三类滑动面的稳定性用瑞典圆 弧法进行了静力分析，相应的计算结果见表 4。 表 4 不同加筋间距下的安全系数 从表 4中安全系数随加筋间距的变化规律可知，随加筋间距 的逐渐增大，安全系数逐渐减小，并最终趋于无筋土的稳定系数 (1．30)。筋材提供的抗滑力由0．4m间距时的 41．3 减到 3．0m 间距时的2 左右。为更深入地分析两者的对应关系，图3给出 了随加筋间距而变化的总抗滑力和筋材抗滑力的柱状对比图。 从对比图可以发现，加筋间距 0．4m是一个界限值，在 0．4m间距 以上时筋材提供的抗滑力很有限，加筋土主要靠填土来抵抗剪 切破坏。上述初步的计算分析表 明，当加筋间距在 0．4m 以上 时，加筋对提高尾矿砂的稳定性效果不大，而此时必须提高填土 的抗剪强度。以上计算结果也从另一方面说明工程实践中多将 加筋间距取 0．4m左右的原因。 2500 2000 Z 兰 1500 艇 1000 500 0 0 0 加筋的间距 (m】 图3 总抗滑力和筋材抗滑力的对比 4 结语 筋材的铺设可以显著地提高坝体的稳定性。合理的加筋间 距可有效地发挥土工织物对坝体滑动的抵抗作用。随着加筋间 距的逐渐加大，土工织物提供的抗滑力在总的抗滑力中占的比 重很小，因此，在较大的加筋间距时，提高填料的抗剪强度显得非 常必要。 参考文献 Eli 国家地震局工程力学研究所 ．大石河铁矿 6、7号坝加高工程加筋 土结构稳定性研究 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ER]．1997． E23 孙钧等．新型土工材料与工程整治[M]．中国建筑工业出版社， 1998． 维普资讯 http://www.cqvip.com