赤泥堆场静动力试验与稳定性分析研究

高 翔朱永涛张少雄

(1.河北省水利工程局，河北 石家庄 050000；2.河北省水利科学研究院，河北 石家庄 050000；3.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050000)

赤泥是氧化铝冶炼过程中产生的高碱性工业废渣，含氧化铁较多，呈棕红色。我国赤泥堆存量逐年递增，赤泥堆场的规模也逐渐增大，其安全稳定性成为人们关注的焦点。据统计，地震是造成赤泥堆场和尾矿库事故的第二大原因。因此非常有必要对赤泥堆场和尾矿库的动力稳定性进行研究。

国内对尾矿库地震动力响应的研究主要采用模型试验和数值模拟等方法。崔冠哲等[1]通过模型试验和数值模拟等方法对尾矿库地震动力响应特征进行研究，认为尾矿库的动力响应与作用地震波的加速度峰值成负相关的关系，永久位移随着高程的增加而变大，存在高程效应。曹进海等[2]针对尾矿坝的动力响应问题，基于完全非线性动力分析理论,利用有限差分软件FLAC3D，分析计算了尾矿坝地震响应，获得了尾矿坝在地震作用下的加速度放大系数、动位移、有效应力及库区液化的动力响应特性。张力霆等[3]基于ABAQUS二次开发，采用有效应力法对尾矿坝进行三维动力反应及液化分析，计算了正常运行尾矿坝在水平地震波影响下的加速度、动剪应力、动孔压增长模式及液化区的发展趋势。尹光志等[4]综合采用时程分析法、整体变形分析法(等效节点力法和软化模量法)、极限平衡法等方法，以小打鹅尾矿库为例，分析了该高堆尾矿坝的永久变形和动力稳定性。结果表明：尾矿坝的地震永久变形与一般土石坝的存在差异，其水平方向的永久变形大于竖直方向的永久变形，且永久变形与坝高不一定成单调递增关系。

本文采用试验和数值模拟方法对山西省赵家墕赤泥堆场动力稳定开展研究，首先利用土工试验测定赤泥的基本物理性质、邓肯-张本构参数、动强度、动模量和阻尼比等相关参数，为赤泥堆场的动力稳定数值模拟提供支撑。采用时程分析法对地震作用下的赤泥堆场进行动力分析，研究赤泥堆场在地震作用下的动力响应和永久变形，对动力稳定性作出评价。本文研究成果可为干法赤泥堆场的安全稳定提供科学依据，也可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

本文所研究的赤泥堆场采用滤饼干法堆存工艺，最大坝高153m，平均外坡比1∶4。堆场共有8个填筑区，按顺序依次填筑。赤泥堆筑方法是从堆场上游逐渐向下游逐级台阶式堆放，赤泥的堆放采用自下向上分层碾压的方式，晾晒、碾压应分坝段均衡进行，并始终保持向拦挡坝方向1%的坡度坡，使雨水能顺畅排至下游。赤泥堆场设计见图1。

图1 赤泥堆场设计

赤泥堆场所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第一组，基本地震动加速度反应谱特征周期值为0.40s。

2 赤泥材料静动力分析参数试验

为确定赤泥堆场材料的动弹性模量和动强度参数，对赤泥材料进行了静、动力参数试验。赤泥试样控制干密度为1.40g/cm3。

2.1 赤泥材料常规物理力学参数

2.1.1 界限含水率试验

对样品分别进行比重和界限含水量试验、渗透性试验以及压缩试验，试验结果见表1。通过试验得到赤泥塑性指数为21.7，属于黏土。

表1 赤泥比重和界限含水量试验结果

2.1.2 渗透试验

赤泥试样渗透试验结果见表2，由试验结果可知赤泥材料透水性较小。由于赤泥材料为扰动试样，本试验按上述密度重塑土样，由渗透试验获得渗透系数。

表2 赤泥材料的渗透系数

2.1.3 压缩实验

压缩试验依然采用重塑试样进行，试验结果见表3。

表3 赤泥重塑土样的压缩试验结果

2.2 非线性静力试验

对赤泥材料进行邓肯-张E-B本构模型参数试验，设定三轴试验围压为100kPa、200kPa和300kPa，测量了静力条件下的黏聚力和内摩擦角、ε1/(σ1-σ3)-ε1关系、偏应力载荷下体应变和B-σ3关系。通过试验数据得到了邓肯-张E-B本构模型7个参数，参数具体值见表4。

表4 邓肯-张本构模型参数

2.3 动力试验

在给定的动应力和不排水条件下，按1Hz的振动速率对试样轴向施加动应力幅的循环荷载，测定其动模量和阻尼比的变化规律，直至试样破坏。试样破坏判定标准为当孔隙水压力等于侧向压力或轴向应变全幅达到5%。

赤泥材料的动模量、动阻尼比试验在不同固结应力比(Kc=σ1/σ3=1.0、1.5、2.0)条件下，分别采用三种围压(σ3=100kPa、200kPa和300kPa)进行试验。对固结变形稳定后的试样由小到大逐级增加动荷载，在垂直振动三轴仪上直接测定出动轴向应力σd和可恢复的动轴向应变εd，计算得出动黏聚力cd、动内摩擦角φd、动剪切模量Gmax和阻尼比λ。试验结果见表5。

表5 赤泥材料动三轴试验结果

3 赤泥堆场动力稳定模型

3.1 模型建立

依据地形资料和设计资料建立赤泥堆场动力稳定三维分析模型，见图2。采用四面体网格对赤泥堆场模型进行划分，网格尺寸大小为20m，网格总数10235个，网格划分见图3。

图2 赤泥堆场模型

图3 模型网格划分

3.2 模型参数

采用邓肯-张本构模型描述赤泥材料的应力应变关系，在数值模型中输入邓肯-张参数，设置动弹模量和阻尼比。

依据赤泥堆场所在区域的地震参数，采用2个实测地震波和1个人工合成地震波进行模拟，地震持续时间为35s。根据尾矿库所在场地特性，实测地震波采用ElCentro地震波和Taft地震波，按设计峰值加速度和振动时间进行调整得到地震时程曲线。根据《构筑物抗震设计规范》(GB 50191—2012)规定的设计反应谱生成1个人工地震波。3个地震波时程反应谱与设计反应谱的关系见图4。从图4中可以看出，3个地震波反应谱与设计反应谱吻合较好，表明地震波选取较为合理。

图4 选用地震波反应谱与设计反应谱曲线

4 动力稳定模拟结果分析

4.1 非线性静力分析

对赤泥堆场进行三维非线性静力计算得出赤泥堆场各单元静应力水平，见图5。从图5中可以看出，赤泥堆场在静力作用下各个单元静应力水平都小于1，最大值为0.81，表明赤泥堆场在静力作用下可以保证稳定。

图5 赤泥堆场静应力水平

4.2 动力反应分析

对3个地震波作用下赤泥堆场进行了动力反应分析，选取坝高最大的Ⅲ区和Ⅵ区进行分析，计算结果见表6。由表6可知，Ⅲ区坝顶水平方向加速度放大系数最大为1.58，竖直方向加速度放大系数最大为1.36；Ⅵ区坝顶水平方向加速度放大系数最大为1.89，竖直方向加速度放大系数最大为1.39。Ⅵ区整体的动力反应大于Ⅲ区的动力反应，由于Ⅵ区坝体临空面长度为654m，Ⅲ区坝体临空面长度为366m，坝坡均为1∶4，较大的临空面长度造成Ⅵ区坝体动力反应放大系数较大。

表6 坝体动力反应计算结果

4.3 永久变形分析

对3个地震波作用下最终堆积标高时赤泥堆场进行了永久变形计算，计算结果见表7。从计算结果对比来看，3个地震波计算出的最大永久变形分布规律相似，最大值相差不大，计算结果没有明显的离散性。赤泥堆场永久变形以竖向沉降变形为主，水平变形相对较小。由于三种地震波下坝体变形特征相似，在此仅给出ElCentro地震波下的坝体位移云图，见图6～图8。由此可知，水平位移较大的部位均出现在各区堆坝的顶部附近区域，水平两个方向的位移值基本相等；竖向沉降变形较大的部位发生在Ⅵ区坝顶和Ⅵ区坝顶附近，此处赤泥堆积厚度较大，因此竖向沉降较大。

表7 赤泥堆场永久变形 单位：m

图6 赤泥堆场水平方向(平行坝轴线)永久变形

图7 赤泥堆场水平方向(垂直坝轴线)永久变形

图8 赤泥堆场竖向永久变形

5 结 语

本文对山西赵家墕尾矿赤泥堆场进行了动力稳定研究，首先对赤泥材料进行了静、动力试验研究，得到赤泥材料的静力和动力基本力学参数；然后对赤泥堆场的动力稳定进行了数值模拟，得到非线性静力、动力反应和永久变形等特征指标，总结如下。

5.1 赤泥材料静、动力试验

采用邓肯-张本构模型描述赤泥材料的应力应变关系，对赤泥材料进行静力和动力试验，得到了赤泥材料的基本物理力学参数和邓肯-张本构模型7个参数，为进行动力稳定数值模拟提供了数据基础。

5.2 动力反应分析

选取Elcentro地震波、Taft地震波和人工合成地震波对赤泥堆场进行动力反应分析，得到各个堆积区域的坝体动力反应放大系数。结果表明：坝顶水平加速度放大系数最大为1.89，坝顶竖向加速度放大系数最大为1.36。加速度放大系数均在合理范围之内，赤泥堆场坝顶总体反应不大。

5.3 永久变形分析

选取Elcentro地震波、Taft地震波和人工合成地震波对赤泥堆场进行永久变形模拟，得到不同地震波作用下赤泥堆场水平方向和竖直方向永久变形。结果表明赤泥堆场在地震作用下的变形以竖向沉降为主，最终坝高时赤泥堆场竖向最大变形为0.50m，水平方向变形较小，赤泥堆场永久变形总体不大。