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采动地基尾矿库在流固耦合作用下地基动力 稳定分析
2019-09-29
通过有效应力理论分析及动孔压的应力应变模型推导地基震动液化的机理与判别公式,结合 FLAC3D 应用 Finn 模型进行流固耦合计算,用 FISH 语音编写超孔压比的计算公式,判断地震过程中的地基液化情 况。根据计算得到的应力应变、孔压变化及超孔压比变化情况,分析了初期坝的浸润面变化情况,重点对考虑渗流 作用的地基是否液化进行了详细分析,得到了不同位置的孔压、加速度、沉降位移、超孔压比等的变化情况,回归得 到超孔压比与上覆岩层压力之间的函数关系。上述分析对本尾矿库的安全运营提供参考依据,为后期尾矿库的建 设及使用提供了重要的分析基础资料,并用线性回归的方式总结出超孔压比与覆岩压力之间的关系,为...
Series No. 519 金 属 矿 山 总第 519 期 September 2019 METAL MINE 2019 年第 9 期 ·安全与环保· 采动地基尾矿库在流固耦合作用下地基动力 稳定分析 1 ,2 2 2 1 31 张军宁 王 君 郎俊彪 李 刚 高 谦 ( 1. 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2. 中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司,河北 秦皇岛 066001;东北大学秦皇岛分校,河北 秦皇岛 066001) 摘 要 通过有效应力理论分析及动孔压的应力应变模型推导地基震动液化的机理与判别公式,结合 FLAC3D 应用 Finn 模型进行流固耦合计算,用 FISH 语音编写超孔压比的计算公式,判断地震过程中的地基液化情 况。根据计算得到的应力应变、孔压变化及超孔压比变化情况,分析了初期坝的浸润面变化情况,重点对考虑渗流 作用的地基是否液化进行了详细分析,得到了不同位置的孔压、加速度、沉降位移、超孔压比等的变化情况,回归得 到超孔压比与上覆岩层压力之间的函数关系。上述分析对本尾矿库的安全运营提供参考依据,为后期尾矿库的建 设及使用提供了重要的分析基础资料,并用线性回归的方式总结出超孔压比与覆岩压力之间的关系,为快速判断 尾矿库液化区域提供了便捷方法。 关键词 采空区 流固耦合 尾矿库 液化分析 回归分析 中图分类号 TD325 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-09-172-07 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201909028 Dynamic Stability Analysis of Mining-induced Foundation Tailings Reservoir under Fluid-solid Coupling 1,2 2 2 1 32 Wang Jun Lang Junbiao Li Gang Gao Qian Zhang Junning ( 1. School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; . Shen Kan Qinhuangdao Designing & Research Institute Corporation,MCC,Qinhuangdao 066001,China; . Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066001,China) 2 3 Abstract The mechanism and discriminant formula of foundation liquefaction under vibration are deduced by means of effective stress theory analysis and dynamic pore pressure stress-strain model. Combining FLAC3D with Finn model,the fluid- solid coupling calculation are made. FISH language was adopted to write the formula of the excess pore pressure ratio to judge the foundation liquefaction during earthquake. According to the variation of stress-strain,pore pressure and excess pore pres⁃ sure ratio,the change of the saturation surface of the initial dam is analyzed,and whether the foundation is liquefied consider⁃ ing seepage is analyzed in detail. The pore pressure,acceleration,settlement displacement and excess pore pressure ratio at different locations are obtained,and functional relationship between excess pore pressure ratio and overlying strata pressure was achieved by regression. The above analysis provides a reference basis for the safe operation of the tailings reservoir,pro⁃ vides important basic data for the construction and use of the tailings reservoir in the later stage,and summarizes the relation⁃ ship between excess pore pressure ratio and overburden pressure by means of linear regression. All these provide a convenient method for quickly judging the liquefaction area of the tailings reservoir. Keywords Goaf,Fluid-solid coupling,Tailing pond,Liquefaction analysis,Regression analysis 我国是矿产大国,每年由选矿厂产生的尾矿数 十亿吨,而这些尾矿又大多以尾矿库的形式储存。 在有条件的矿山多选择在山谷中,利用山坡的有利 地形,一面筑坝或二面筑坝形成尾矿库。但是在平 原地带,通常只有采取平地四周筑坝。此种筑坝不 仅占用大面积土地,而且筑坝成本高,后期管理繁 收稿日期 2019-06-07 基金项目 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号:SS2012AA062405)。 作者简介 君(1982—),男,高级工程师,博士研究生。通讯作者 谦(1956—),男,教授,博士研究生导师。 王 高 · 172 · 王 君等:采动地基尾矿库在流固耦合作用下地基动力稳定分析 2019年第9期 琐,一直受到严格控制。尤其近年来,中国90%以上 土地都被规划成基本农田,已被国家作为不可逾越 的红线。因此,在平原地区占用农田建设尾矿坝已 经不可能。为此,利用采矿塌陷区建设尾矿库是平 原地区开发建设尾矿库的重要途径。在采矿塌陷区 上建设尾矿库,不仅避免尾矿库占地,而且还能够对 采空区进行综合治理达到环境保护的目的。 层为局部可采。煤层总平均厚度在 15.14 m 左右,在 尾矿库正下方最小采深为170 m。 煤层产状在北部为向斜区,两翼地层倾角不对 称,北翼陡,可达 45°,南翼缓,小于 20°;中部为单斜 构造区,地层倾角变化不大,倾向 NWW,倾角 8°~ 24°,一般在 15°以下。南部为毕各庄向斜区,两翼地 层不对称,东北翼较缓,地层倾角10°~14°,西南翼较 陡,地层倾角可达33°。 岩土体本身的力学性质、应力场、温度场、渗流 场都与工程行为密切相关。随着现代工程的日趋复 杂,“多场耦合”理论在采矿工程、水利工程及放射核 在未来开采的煤层中,近期、中期对尾矿库库区 有影响的是 7 煤、8 煤、9 煤、12 煤及 12.5 煤层中部分 开采工作面,远期对尾矿库库区有影响的是 11 煤及 12.5煤层中部分开采工作面。 [ 1] 废料处理等方面均已等到了普遍的应用 。 流固耦合的最早研究见于 K.Terzaghi 对于以弹 [ 2] 性孔隙介质中饱和流体流动时的固结问题 ,提出了 2 常规规范对于砂土液化的计算方法 在国内建(构)筑物判别液化的方法常用的是规 [11] [ 3] 流固耦合的基础公式—有效应力公式 ;后来Biot将 其对推广到三维固结问题,奠定了流固耦合理论基 范法,以《建筑抗震设计规范》 最为常用。规范中 将液化判别分为初判和详判(标准贯入试验判别法) [ 4] 础 。PoMM 根据达西定律,推导出单裂隙渗流的立 [ 5] 方定律 ,人们对渗流力学的研究日益成熟;直至今 日,人们对流固耦合的研究深入各个领域,各个层次, 2 个步骤,对于地面下存在饱和的砂土和饱和粉土时 先进行初步判别,如可能液化则采用标准贯入试验 判别法进行进一步判别。初步判别时,主要考虑地 层的地质年代、粉土的黏粒含量、地下水位深度、上 覆盖非液化土层厚度、基础埋置深度、液化土特征深 度等因素;当初判为可液化土层后,应进行标准贯入 试验判别,其判别方法主要考虑液化判别标准贯入 锤击数基准值、饱和土贯入点深度、地下水位埋深、 黏粒含量等因素,具体公式如下: [ 6] 流固耦合问题研究已经包括流体力学理论基础 、计 算流体力学、流固耦合理论、数值方法以及计算机软 [ 7-9] 件等多学科、多领域相结合的热门领域 。 本项目采用 FLAC3D 软件中的 Finn 模型对地震 作用下的尾矿库进行流固耦合分析,并基于有效应 [ 10] 力方法对尾矿库堆积坝及库基的液化趋势 进行判 断。依据超孔压比数值评价可液化土体的液化条 件,由此获得了动荷载流固耦合条件下尾矿库浸润 面变化规律,从应力、位移、加速度、孔压、超孔压比 等指标,对尾矿坝的震动液化进行综合分析和安全 评价,为采煤塌陷区建造尾矿库的可行性和后期安 全管理提供科学依据。 Ncr = N0 β[ln(0.6ds + 1.5)- 0.1dw] 3 ρc, (1) n N i I = [1 - N ]d W , (2) lE ∑ i i i = 1 cri 式中,Ncr 为液化判别标准贯入锤击数临界值;N0 为 液化判别标准贯入锤击数基准值;ds 为饱和土标准 贯入点深度,m;dw 为地下水位,m;ρc 为黏粒含量; β 为调整系数;IlE 为液化指数;di 为点i代表土层厚 度;n为判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点 总数;Wi 为土层 i 单位土层厚度的层位影响权函数 值。 1 工程地质概述及采空区基本特征 . 1 场地工程地质概述 1 尾矿库所在场地第四系覆盖层较厚,地下水位 较高,沉积韵律表现为砂、土交互沉积,地层自上而 下依次为:表层为新近堆积的人工杂填土、素填土和 耕土,其下为第四系全新统湖积成因的淤泥(包括淤 泥质土)、冲积成因的粉土、中砂、粉细砂、粉质粘土 和粘土层,其下为第四系上更新统冲积成因的中砂、 粉细砂、粉土、粉质粘土和粘土层,下伏二叠系和石 炭系砂岩、粉砂岩及粘土岩。根据拟建库区工程地 质和水文地质情况初判,场地存在液化土层。 根据以上 2 个公式计算出液化指数 IlE ,按照液 化等级与液化指数的对应关系来判别液化等级,液 化等级分3种:轻微、中等、严重。 针对可能液化土层,按工程运行后地面被水淹 没(即水位埋深 dw =0.0)工况对不同尾矿库分区进行 液化势判别,本次共对 45 个代表性钻孔进行液化计 算,这45个钻孔位置分布在尾矿库的初期坝区(25个 钻孔)、堆积坝区(10个钻孔)、回水码头区(3个钻孔) 和初期坝下游区(7个钻孔),计算结果见表1。 1 . 2 采空区基本特征 拟建尾矿库属于强震区内煤矿采空区上尾矿 库。其库区正下方为5煤、7煤、8煤、9煤、11煤、12煤 及 12.5 煤的采空区和实体煤层,其中 11 煤及 12.5 煤 · 173 · 总第519期 金 属 矿 山 2019年第9期 概念: ' m σ ru = 1 - , (6) ' σ m0 ' ' m 式中,σm0 为动力计算前单元的平均有效应力;σ 为动力计算过程中的单元平均有效应力。 当 ru 计算值越接近 1,表示单元越趋于液化,因 此可以用 FISH语言进行编程,监控关键单元 ru 计算 值随动载荷的变化关系来判断单元是否液化,也可 依据单元 ru 的计算值,绘制超孔压比分布云图,用来 显示尾矿库地基的液化分布情况。 计算结果分析评价:本场地地基液化等级属严 重。根据以上公式计算可以分析出,规范仅在砂土 的强度及水位埋深2个方面考虑砂土液化问题,并未 考虑流固耦合对动力稳定性影响,且无法计算模拟 坝体建成后液化趋势及20 m以下的砂土液化情况评 价。综上,此方法不能全面评价拟建尾矿库地基的 动力稳定性。 4 地震波输入与处理 因拟建尾矿库处于唐山8度地震区,所以本次动 力计算采用地震波为1976年唐山地震期间迁安滦河 公路桥观测到的3条强余震记录,加速度峰值分别为 3 地震液化的判别与机理 数值分析方法立足本构关系,可研究岩土体的 [12] 2 2 2 0.976 m/s 、1.329 m/s 以及 0.790 4 m/s ,震动持时 20 s 左右,由于上述地震记录强度衰减很快,计算振动时 间取较强的6 s。 非均匀性和不连续性 ,重现塑性区发展过程,可进 行复杂工程地质及水文地质条件下的工程计算分 析。鉴于上述特点,可同时考虑渗流和地震作用,进 行尾矿库动态流固耦合稳定性分析研究。 4 . 1 地震波滤波 因地震波的最大频率对单元尺寸划分影响较 大,最大频率越高,满足精度条件小的单尺寸越小。 采用滤波的方法,减小地震波的最大频率,从而使计 算所需的最小单元尺寸增大,达到缩短计算时间的 目的。本次通过 FLAC3D 提供的 FFT.fis 函数对地震 波进行滤波,对地震波形态进行识别,确定地震波频 率范围为 1~34 Hz,采用 FFT.fis 函数对地震波进行 滤波调整,将频率大于34 Hz的部分过滤掉。 拟建尾矿库地基为第四系的砂土层,因尾矿库 为湿排法,正常运行时水位偏高,在地震作用下,地 [13] 基可能出现震动液化、喷砂等类型的破坏 。在地 震过程中,随着动载荷的增强,土体颗粒之间产生相 对剪切滑移变形,土体颗粒间的连接逐渐被破坏,土 体则明显表现出塑性特性,当颗粒间的连接被完全 破坏时,此时的土就处于流动;液化即转变为液态的 过程或行为,震动液化一般指地震发生后饱和土体 丧失其原有的承载能力和强度转变为类似液体的过 程。震动过程中,将会有应变的发生,进而会影响孔 压的改变,孔压的改变也会引起体积应变的变化,从 而影响应力。FLAC3D提供了2种塑性体积增量的公 式,Finn模式的塑性体积增量公式及Byrne模式的塑 4 . 2 基线的校正 在FLAC3D分析中,动力分析通常输入波为加速 度时程,这就需要对加速度时程进行基线校正,通过 在加速度时程曲线上添加1个多项式,使得积分得到 的累计速度和累计位移近似为 0。处理后的地震波 时程曲线见图 1~图 3。模型采用 X、Y、Z3 个方向同 2 时振动,3 个方向对应加速度峰值分别为 1.95 m/s 、 2 2 2.66 m/s 以及1.58 m/s 。 性体积应变增量公式: 2 vd C3ε Δεvd = C1 ( γ - C2εvd ) + γ + C4εvd, (3) (4) Δεvd γ æ ç è -C2 εvd ö = C1 exp ÷ . γ ø 不考虑液体的粘滞力情况下,土体液化时,其抗 剪强度为0,根据有效应力的原理: σ1 = σ2 = σ3 = u. (5) 从式(5)可以看出,当单元 3 个方向主应力相等 且等于孔隙水压力时,此时的饱和土体发生液化。 在数值计算中,由于精度问题,达到完全相等是不可 能的,为了更好地描述土体液化,采用超孔压比 ru 的 · 174 · 王 君等:采动地基尾矿库在流固耦合作用下地基动力稳定分析 2019年第9期 压力,孔压不断积累上升,有效应力降低,直至发生 液化,根据前文的分析,当超孔压比 ru 越接近于 1 的 单元越趋于液化。 5 . 1 模型概况 选取计算模型为西侧坝体,长 600 m,竖向选取 流固耦合分析计算 采用 Finn 塑性体积增量公式进行流固耦合计 14-16] ;输入处理后的地震波,并设置阻尼,周边施加 5 [ 算 自由场边界,模型底部施加静态边界,将加速度波转 初期坝、堆积坝及第四系砂土层地基,如图4所示,模 型固定 Y 方向位移,底面固定 Z 方向位移,左右两侧 固定X方向位移。 换为应力波,转换公式: ì σn = 2 ( ρCp ) vn, ï í (7) ï σs = 2 ( ρCs ) v î s 式中,σn、σs 分别为边界上施加的法向应力和切向 应力;ρ 为密度;Cs、Cp 分别为介质中剪切波及压 缩波的传播速度;vn、vs 分别为输入的法向速度和 切向速度时程。 在模型内部设置多个监测点,监测可液化的尾 矿库堆积坝及地基的孔压、Z方向位移和 ru 的变化情 况,分析不同深度、不同部位的单元液化情况,监测 点的布置位置如图7所示。 5 . 2 渗流计算 渗流计算结果见图 5 和图 6,从图中可清楚显示 5 . 3. 1 孔压变化分析 在地震作用下,各节点的孔隙水压力剧烈变化, 初期坝和堆积坝的浸润线位置(图中孔压为0的云图 分界线即为浸润线)。由于初期坝为碎石分层碾压 堆筑而成,渗透系数及孔隙率偏小,浸润面从坝体左 图 8 为现场地表位置孔隙水压力变化情况。从图 8 可以看出,随着地震荷载的进行,在1~4 s内监测点孔 压变化剧烈,急剧上升和下降,有液化的趋势。 图 9 显示剖面 1 不同深度下单元孔压变化情况 0 侧底角浸出,浸出高度 h 为 2.44 m,初期坝内浸润面 的水力坡度为0.12。 ( 即监测点8至12号)。从图9可分析出,不同深度下 的孔压变化趋势大体基本相同,均在 1~4 s 内孔压变 化剧烈,随着深度的加大,孔压变化的幅度逐渐降 5 . 3 地震液化分析 地震来临时浸润面以下的砂土将会产生超空隙 · 175 · 总第519期 金 属 矿 山 2019年第9期 变化等相对较剧烈,地基存在液化的可能,用 ru 计算 数值来评价液化的程度,分析不同深度位置液化趋 势。图 12 显示堆积坝(剖面 3)不同深度(即监测点 6,7,13,14,15,16)的超孔压比变化曲线。 低,这与上覆压力随深度增加有关。 5 . 3. 2 位移和加速度变化分析 在计算前将模型速度和位移归零,以便分析流 固耦合作用下渗流和地震对沉降的影响,即震陷影 响,图 10 显示地表以下各深度 Z 方向位移随时间变 化曲线。可以分析出,渗流作用下的地震对沉降影 响不大,最大仅增加2.5 cm,但在2~3 s中位移方向相 反,沉降反而减小,这与库基液化有关。 由图12可看出,堆积坝坝顶位置的 ru 值最大,达 图11显示地表监测点Z方向和X方向的加速度 变化曲线。从图11可以看出,在Z方向的加速度变 到 0.6,趋于液化;堆积坝基础位置(现地表)的 ru 值 为 0.42。随着深度加深(在 1~3 s 的时间段内),超孔 压比逐渐降低,液化趋势降低。图 13 显示剖面 1、剖 面 2 和剖面 3 的不同深度单元的超孔压比变化曲线 (地表位置标高为0)。 2 化较剧烈,最大加速度达1.6 m/s(约等于0.2 g),X方 2 向上的最大加速度为0.6 m/s(约为0.1 g)。 5 . 3. 3 液化分析 由前文分析可知,在1~4 s内的孔压变化、加速度 从图 13 可看出,地表(0 m 处)至地表以下 40 m · 176 · 王 君等:采动地基尾矿库在流固耦合作用下地基动力稳定分析 2019年第9期 液化区。上覆岩层压力小于 500 kPa 的部位存在液 化趋势。 (3)与规范的公式法相比,数值模拟法考虑因素 多,能更全面地分析尾矿库在地震运行工况下的稳 定性。通过本研究可以总结出适用于尾矿库液化区 域初判的方法,使液化计算更简洁、快速。如将本地 区不同尾矿库计算数据进行统计分析,逐步修正判 别公式,将能增加方法的适用性,方便尾矿库的安全 管理。 参 考 文 献 范围内的超孔压比变化剧烈,随深度的增加急剧下 降,40 m 以下的超孔压比基本稳定,由此可以分析 出,上覆岩层的压力与砂土的液化关系密切。从剖 面3的曲线可以看出,砂土的液化还与材料的抗剪强 度有关,这也与规范判别要素不谋而合。倘若不考 虑材料抗剪强度因素,可以建立不同上覆压力与超 孔压比之间的变化曲线,如图14。 [ 1] 周创兵,陈益峰,姜清辉,等.论岩体多场广义耦合及其工程应用 [J].岩石力学与工程学报,2008,27(7):1329-1340. Zhou Chuangbing,Chen Yifeng,Jiang Qinghui,et al. On general⁃ ized multi-field coupling for fractured rock masses and its applica⁃ tions to rock engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(7):1329-1340. [2] 李 刚. 采煤扰动下尾矿坝稳定性分析及动力响应研究[D]. 北 京:北京科技大学,2017. Li Gang. Stability Analysis and Dynamic Response of Tailing Pond under Mining Disturbance[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing,2017. [ 3] Terzaghi K. Theoretical Soil Mechanics[M].New York:John Wiley, 943. 4] Verruijt A. Elastic storage of aquifers[G]// De Wiest R J W.Flow through Porous Media.New York: John Wiley,1969. 5] 李地元,李夕兵,张 伟. 裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用 1 [ [ 展望[J]. 水利与建筑工程学报,2007,5(1):1-11. Li Diyuan,Li Xibing,Zhang Wei. Present situation of research and prospect of application of fluid and stress coupling in fissured rock mass[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engi⁃ neering,2007,5(1):1-11. 通过回归,可以得到两者之间的数学关系: - 1.355 2 ru = 42.467x , R = 0.9817 , (8) [ 6] 刘曰武,刘俊丽. 渗流力学的发展及应用[C]//第三届全国力学 史与方法论学术研讨会论文集. 兰州[: s.n.],2007:238-246. Liu Yuewu,Liu Junli. Development and application of seepage me⁃ chanics[C]//Papers of the Third National Symposium on History and Methodology of Mechanics. Lanzhou[: s.n.],2007:238-246. [7] 钱若军,董石麟,袁行飞. 流固耦合理论和应用评述[C]//第十二 届空间结构学术会议论文集. 北京[: s.n.],2009:399-403. 式中,x为上覆岩层压力,kPa。 由图 14 可以看出,上覆岩层压力与超孔压比之 间有明显的幂数关系;如果上覆岩层压力大于 500 kPa 以上,则超孔压比数值处于较低程度,没有液化 趋势。根据以上回归公式,可快速对本尾矿库的液 化区域进行初判,减少液化判别的工作量,使计算分 析更简单、快捷。 Qian Ruojun,Dong Shilin,Yuan Xingfei. Review of fluid- solid coupling theory and application[C]//Papers of the Twelfth Academ⁃ ic Conference on Space Structure. Beijing[: s.n.],2009:399-403. 6 结 论 ( 1)本尾矿库同时在地震与渗流作用下,孔压、 [8] 亓兆伟,苏剑平. 尾矿库坝体稳定分技术方法[J]. 西部探矿工 程,2011,23(1):165-166. 加速度、超孔压比均受地震动力荷载影响发生剧烈 改变;尤其在地震的1~4 s时间内响应剧烈,存在坝体 及库基液化失稳破坏风险。 Qi Zhaowei,Su Jianping. Technical method for stabilization of tail⁃ ings reservoir dam[J]. West- China Exploration Engineering, 2 011,23(1):165-166. (2)根据本尾矿库动力分析结果显示,坝体超孔 [9] 康 宇. 易贡滑坡冲击振动液化数值分析[D].成都:西南交通 压比与基础深度及坝体上覆压力密切相关;由超孔 压比计算数值判断,在地表及其下 40 m 范围内存在 大学,2014. Kang Yu. Numerical Simulation on the Liquefaction Rriggered by · 177 · 总第519期 金 属 矿 山 2019年第9期 Impact and Vibration of Yigong Rock Avalanche[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University,2014. Response Analysis of Shaft Diaphragm Wall[D]. Jinan:Shandong Jianzhu University,2014. [ 10] 康志强,韩 强. 尾矿库坝体渗流稳定性数值模拟研究[J]. 化 [14] 张雪枫. 可液化场地及桥梁桩基地震反应的数值模拟[D].北 京:北京交通大学,2011. 工矿物与加工,2015(11):44-46. Kang Zhiqiang,Han Qiang. Numerical simulation research of seep⁃ age stabilitu of tailings dam in a mine[J]. Industral Minerals & Pro⁃ cessing,2015(11):44-46. Zhang Xuefeng. Numerical Simulation of Seismic Response of Liq⁃ uefiable Site and Bridge Pile Foundation[D].Beijing:Beijing Jiao⁃ tong University,2011. 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