细粒尾矿堆坝渗流场数值模拟及其稳定性分析

摘 要：根据渗流场和温度场的控制方程及边界条件的相似性，利用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言（APDL）编写土坝渗流分析程序对坝体渗流场进行分析计算，确定坝体浸润线的位置。

其次，以云南省大红山龙都尾矿库工程为例，对其尾矿坝的渗流场进行了数值模拟，从尾矿坝内各层渗透系数之比、水平垂直渗透系数之比、坝体干滩长度等因素对尾矿坝浸润线的影响程度作了一定的定性定量分析。

在渗流场分析的基础上，把作用在土体表面的表面压力转换为等效体积力，加载到有限元模型中进行结构分析，实现了渗流场和应力场的间接藕合分析。利用有限元强度折减法对尾矿坝进行稳定性分析，求出尾矿坝的位移场和应力场，进而求出尾矿坝的安全系数，为分析尾矿坝的稳定性及尾矿坝工程管理提供可靠的依据。

关键词： 细粒尾矿；尾矿坝；渗流；稳定性；有限元；ANSYS

中图分类号：C35 文献标识码： A

Fine grained tailings dam seepage numerical simulation and stability analysis

Wu Dingyong

（Kunming university of science and technology design and research institute，Kunming 650093， China）

Abstract： According to seepage field and temperature field equations and boundary conditions of similarity， using the finite element analysis software ANSYS parametric design language （APDL） Seepage analysis program prepared by the dam seepage field analysis and calculation to determine the wetting line position.

Secondly， the seepage field in Dahongshan Longdu tailings dam of Yunnan Province is simulated， Permeability coefficient of each layer from the tailings dam in the ratio， the ratio of horizontal and vertical permeability， the length of the dam dry beach and other factors on the impact of tailings dam seepage line made a certain degree of qualitative and quantitative analysis.

In the seepage field on the analysis， the role of the surface of the soil surface pressure converted to the equivalent volume force， loaded into a finite element model for structural analysis， to achieve the seepage field and stress field analysis of the indirect coupling. Strength reduction finite element stability analysis of the tailings dam， tailings dam obtained the displacement field and stress field， and then find the dam's safety factor， the stability analysis of tailings dam and tailings dam construction provide a reliable basis for management.

Key word： Fine-grained tailings； Tailings dam； Seepage； Stability； Finite element； ANSYS

1 细粒尾矿堆坝特点

细粒尾矿堆坝的特点有：尾砂颗粒细、粘性大、透水性差、固结速度缓慢及细粒尾矿力学性质较差，尾砂筑坝难以实施。与一般尾矿堆积坝相比，主要有以下几个方面的差异：

（1）稳定性较差。土颗粒愈细，其力学性质愈差，细粒尾矿堆积坝的稳定性普遍较差。同时，细粒尾矿抗剪强度低、透水性差，其筑坝高度、速度及尾矿库库容受到限制。

（2）干滩面坡度比较缓，普遍都小于1%，一般达不到规范要求值。

（3）堆积坝地质剖面中的岩土分层不明晰。一般尾矿堆积坝的地质剖面为多层次结构，岩土分层清晰分明，离坝前越近尾矿粒度越粗，由远至近，其顺序为尾矿泥、尾粉砂、尾细砂、尾中砂、尾粗砂等。

（4）堆积坝的浸润线普遍偏高，易导致下游坝坡溢出点的上移，可能发生管涌和流土现象，对坝体的稳定性极为不利。

二 影响尾矿坝浸润线的因素

尾矿坝的浸润线高低是影响坝体稳定性的主要因素之一。因此，分析影响浸润线位置高低的因素有重要作用。影响尾矿坝浸润线位置高低的因素主要有：初期坝透水性、堆坝坝高、堆坝干滩长度、堆坝下游坡度、堆坝坝内各层渗透系数之比及堆坝上游坡度。

下面主要从初期坝透水性、堆坝干滩长度、堆坝内各层渗透系数之比及水平垂直渗透系数之比四个因素对尾矿坝渗流场的影响进行了定性定量分析。

三 尾矿坝渗流场的模拟计算

3.1 数值计算程序ANSYS简介

ANSYS程序是一个岩土体三维渗流有限元分析软件，该软件系统所有的操作主要是针对图形进行的，其前后处理功能非常强大，能按输入的宏观条件自动生成各种有限元数据并进行分析，同时，以图形方式显示各种分析结果，一目了然。

本文求解尾矿坝浸润线采用有限元中的弃单元法，该方法是以第一次计算所得的节点水头为基础，通过插值法与逼近法不断迭代计算求得尾矿坝的浸润线。

3.2 尾矿坝渗流场的数值计算

3.2.1计算几何模型

尾矿坝总坝高75m，其中堆积坝高45m，利用ANSYS有限元软件建立模型（见图1），模型高为150m，其中坝高75m，选取基岩深度75m，左边坡脚到左边边界的距离为110m。

图1 龙都尾矿坝有限元模型（标高595m）

3.2.2坝体力学参数

尾矿坝渗流场及稳定性分析计算，所采用的土层的物理力学参数参见表1。

表1 龙都尾矿库岩土物理力学计算指标值

3.2.3初期坝透水性对浸润线位置的影响分析

在保持其它条件不变情况下，初期坝按不透水性和透水性好两种情况，进行渗流场模拟计算。计算结果见图2、图3。

图2 初期坝相对不透水时渗流场压力水头及浸润线云图（单位：m）

图3 初期坝透水时渗流场压力水头及浸润线云图（单位：m）

分析图2和图3，不透水时，浸润线溢出点位置为18.92m，透水性好时，浸润线溢出面在初期坝上游坡脚处附近点，即高度为0.70m。因此，初期坝透水性差，是影响浸润线高低的主要因素，浸润线溢出点位置大幅度抬高，必定导致坝体的稳定性下降。

3.2.4干滩长度对浸润线位置的影响分析

坝体干滩长度按200m，100m两种情况进行模拟计算，其计算结果分别见图4、图5。

图4 干滩长度为200 m时渗流场压力水头及浸润线云图

图5 干滩长度为100 m时渗流场压力水头云图

从图4和图5中可知，干滩长度对降低浸润线作用明显，即干滩长度越长，浸润线降低效果越明显。因此，干滩长度对尾矿坝的浸润线的影响往往举足轻重。

3.2.5各土层渗透系数之比不同对浸润线位置的影响分析

改变尾粉质粘土层（k1）与尾粉土层（k2）的渗透系数（k2=10k1；k1=5k2），其它土层渗透系数不变，对这两情况下的渗流场进行模拟。计算结果见图6、图7。

图6 k2=10k1时渗流场压力水头及浸润线云图

图7 k1=5k2时渗流场压力水头及浸润线云图

通过分析图6和图7可知，随着上下层渗透系数比的增大，浸润线在上游有所降低，但接近下游的浸润线又大幅度提高。坝体内各层渗透系数相差越大越不均匀，对浸润线的影响越明显，随着上下层渗透系数相差倍数的增大，浸润线抬高趋势由下游向上游延伸，导致坝体内浸润线抬高很快。

3.2.6水平垂直渗透系数之比不同对浸润线位置的影响分析

改变各层的水平垂直渗透系数（kx/ky）之比，对渗流场进行模拟计算，计算结果分别见图8、图9。

图8 kx=5ky时渗流场压力水头及浸润线云图

图9 kx=20ky时渗流场压力水头及浸润线云图

从图6和图7可以看出，水平渗透系数的降低对浸润线的影响主要有两点：一是浸润线随着水平渗透系数的降低有所抬高；二是浸润线有影响区域将随之从下游向上游发展，但浸润线在的溢出点变化不大，溢出点都在初期坝上游坡脚处附近。

四 尾矿坝稳定性分析

本文求解尾矿坝安全系数方法采用有限元强度折减法，这种方法不需要先假定滑动面的位置，通过塑性应变等值图可以确定滑裂面位置。当土体破坏时，剪切面附近的塑性应变值较其两侧部位的大，滑裂面必须通过最大塑性应变的最大值点。

4.1不考虑渗流作用力的稳定性计算分析

有限元强度折减法分析采用平面四边形单元，坝基底部约束水平和垂直方向位移，左右边界约束水平方向位移，坝面均为自由边界。尾矿坝的应力场和位移场计算结果图如下：

图10 不考虑渗流时尾矿坝水平位移云图（标高595m；F=2.398）

图11 不考虑渗流不收敛时尾矿坝水平位移云图（标高595m；F=2.399）

通过以上分析可以得到，折减系数（安全系数）F=2.398，尾矿坝最大水平位移0.0218m，塑性应变最大为1.672×10-3，数值计算收敛。

当折减系数F=2.399，数值计算不收敛，坝移发生突变，潜在滑动面塑性区贯通坡顶，表明坝体整体已破坏，根据有限元强度折减法原理，可知此前的折减系数就是坝体的安全系数，即F=2.398。

有限元分析中，应力符号以压应力为负、拉应力为正。经分析在距初期坝约50m处的尾矿坝坡体表面存在X方向拉应力大小约100kPa，Y方向拉应力大小约90kPa，是可能产生滑动面的位置。

图12 不考虑渗流时尾矿坝X方向应力云图（标高595m）

图13 不考虑渗流时尾矿坝Y方向应力云图（标高595m）

图14 不考虑渗流时尾矿坝SXY剪应力云图（标高595m）

4.2考虑渗流作用力的稳定性计算分析

考虑渗流作用力的稳定性计算分析采用的单元类型和约束条件与不考虑渗流作用力时相同。考虑渗流作用力时的分析结果图如下：

图15 考虑渗流时尾矿坝水平位移云图（标高595m）

图16 考虑渗流时尾矿坝垂直位移云图（标高595m）

图17 考虑渗流时尾矿坝X方向应力云图（标高595m）

图18 考虑渗流时尾矿坝Y方向应力云图（标高595m）

图19 考虑渗流时尾矿坝SXY剪应力云图（标高595m）

图20 考虑渗流时尾矿坝塑性区分布云图（标高595m）

考试渗透作用力时，经计算最大水平位移为0.1180m，最大垂直位移为0.43082m，求得尾矿坝的安全系数为1.978。坝体应力布图如图15～19所示，坝体的塑性区分布图如图20所示，

与不考虑渗流时的分析结果对比，可以看出考虑渗透力后尾矿坝坡面最大水平位移增加了0.0962m，尾矿坝的安全系数降低了0.42，可知渗透力对尾矿坝的稳定性影响很显著。

五 结 论

尾矿的浸润线是尾矿坝的生命线，浸润线的高低，对尾矿坝的稳定性极为重要。采用ANSYS计算软件，得出了细粒尾矿堆坝在不同条件下的地下水渗流变化规律，上下层渗透系数之比越小、干滩长度越长、水平垂直渗透系数之比越小，初期坝透水越好，浸润线位置越低，对坝体的稳定越有利。

同时，从模拟结果还可以看出，如果初期坝透水性好，干滩面的变化对坝体浸润线的高低影响不大；但如果降雨量增大，浸润线将被抬高，对坝体的稳定性将产生不利的影响。证明初期坝的透水性对尾矿坝的稳定性具有至关重要的作用。

利用ANSYS软件的APDL语言编制了施加渗透作用力的程序，对考虑渗流作用力下细粒尾矿堆坝稳定性进行了分析，利用有限元强度折减法求出尾矿坝的应力场和位移场，进而求出尾矿坝的安全系数，并将结果与采用极限平衡法计算结果进行比较，发现有限元法计算结果略大于极限平衡法。实践证明，利用ANSYS可实现多种介质的细粒尾矿堆坝渗流分析与稳定性分析。

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