方星燃

（新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,新疆烏魯木齊 834600）

0 概述

我國(guó)是一個(gè)工業(yè)大國(guó)，礦產(chǎn)資源總量豐富，近些年礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。隨著國(guó)際金屬價(jià)格的不斷攀升，我國(guó)金屬非金屬礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)力度也逐漸加大。對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和利用大幅度提升，新建礦產(chǎn)的規(guī)模也呈逐年上升狀態(tài)。而隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，以“礦渣”狀態(tài)排出的尾礦也逐年增加。于是尾礦庫(kù)也隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)開(kāi)始大規(guī)模新建。為提高尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行水平，2021 年九月我國(guó)開(kāi)始實(shí)施新版《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB39496-2020）。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新建尾礦庫(kù)的等級(jí)、筑壩方式均作出條件限制。2020年三月應(yīng)急管理部等聯(lián)合印發(fā)了《防范化解尾礦庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)工作方案》，自2020 年起，在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開(kāi)發(fā)的前提下，全國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)量原則上只減不增，不再產(chǎn)生新的“頭頂庫(kù)”。

隨著各項(xiàng)監(jiān)管政策的日趨收緊，各企業(yè)為保證經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)，降低尾礦處理成本，尾礦庫(kù)的規(guī)模等級(jí)呈放大趨勢(shì)。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)單一尾礦庫(kù)等級(jí)提高后勢(shì)必增加設(shè)計(jì)難度及穩(wěn)定驗(yàn)算的工作量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中Autobank 軟件是針對(duì)水利行業(yè)設(shè)計(jì)要求而開(kāi)發(fā)的分析軟件，可對(duì)大壩、涵洞、水閘、渠首等構(gòu)筑物進(jìn)行穩(wěn)定分析。而尾礦專業(yè)由于專業(yè)較為特殊目前市場(chǎng)上暫無(wú)針對(duì)尾礦專業(yè)而單獨(dú)開(kāi)發(fā)的相關(guān)計(jì)算軟件。因此將類(lèi)似的水利行業(yè)計(jì)算軟件應(yīng)用到與之類(lèi)似尾礦行業(yè)是有一定必要性的。

本文利用Autobank 軟件對(duì)尾礦壩進(jìn)行了滲流分析計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算。將滲流計(jì)算結(jié)果等參數(shù)導(dǎo)入穩(wěn)定計(jì)算模型后進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了尾礦庫(kù)壩體的安全穩(wěn)定性。

1 工程模型介紹

本項(xiàng)目計(jì)算模型為哈密焱鑫銅業(yè)土屋銅礦尾礦庫(kù)，原設(shè)計(jì)初期壩壩頂高程為593.0m，壩基高程為574.0m，壩高為19.0m，壩頂寬度為5.5m，壩長(zhǎng)2216m，上游側(cè)邊坡為1:1.8，下游側(cè)邊坡為1:2.0。技改設(shè)計(jì)采用采礦廢石筑壩，子壩共為8 級(jí)，最終堆積壩頂標(biāo)高為633.0m，最終堆積壩高40m，總壩高59m，技改后尾礦庫(kù)等級(jí)為三等庫(kù)。

由于本項(xiàng)目為技改工程，計(jì)算以已建設(shè)壩體593.0m標(biāo)高以下為初期壩，593以上部分為碎石加高壩體。在建立模型的過(guò)程中除根據(jù)浸潤(rùn)線進(jìn)行分區(qū)輸入物理參數(shù)外還應(yīng)根據(jù)已建成壩體與即將建成壩體進(jìn)行分區(qū)參數(shù)輸入。

2 模型建立過(guò)程

2.1 模型建立要點(diǎn)

為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，滲流計(jì)算穩(wěn)定計(jì)算采用同一計(jì)算模型。首先在AutoCad 中將壩體各參數(shù)繪制成圖，主要要素為各不同界面的土層物理學(xué)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（相對(duì)）、水位關(guān)系。將繪制好的圖形文件導(dǎo)出為.dxf 格式后導(dǎo)入Autobank 軟件。在Autobank中重新核對(duì)各坐標(biāo)點(diǎn)是否有誤，Autobank 識(shí)別Auto-Cad創(chuàng)作的圖元有一定概率出錯(cuò)，應(yīng)在Autobank中重新進(jìn)行校正。

2.2 提高模型精度的措施

Autobank 軟件計(jì)算前要求將模型劃分為若干單元。為提高模型精度應(yīng)盡可能保證每個(gè)單元的形狀規(guī)則，內(nèi)角不應(yīng)相差太多，軟件計(jì)算邏輯為內(nèi)角大于180°均視為非法。在求解區(qū)域的凹角處應(yīng)布置較多的單元，才可以準(zhǔn)確的反應(yīng)該處的應(yīng)力＼應(yīng)變水利坡降等要素。同時(shí)軟件支持將復(fù)雜區(qū)塊劃分為四邊形單元，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中由于尾礦庫(kù)初期壩與堆積壩整體建模，尺寸較大，劃分為四邊形單元拼接工作量較大，因此本文認(rèn)為根據(jù)軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分（三角形單元）在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)中是合適的。

2.3 邊界條件的確定

由于前期已經(jīng)進(jìn)行了滲流分析，只需將不同水位下滲流分析的計(jì)算結(jié)果分別輸入模型逐一計(jì)算即可得到不同工況下的穩(wěn)定分析結(jié)果。在確定邊界條件時(shí)軟件可直接輸入水面線的高程Y 坐標(biāo)，根據(jù)標(biāo)高繪制邊界線。有限元的邊界條件實(shí)際上是賦予每個(gè)邊界上的單元節(jié)點(diǎn)的，邊界線為一條折線（PL線），凡是與此線重合的單元節(jié)點(diǎn)程序均認(rèn)為受此邊界條件的作用，否則認(rèn)為不受作用，因此邊界線應(yīng)沿求解區(qū)域的單元邊界繪制，防止區(qū)域邊界轉(zhuǎn)折的地方出現(xiàn)漏點(diǎn)。

由于本項(xiàng)目在安全設(shè)施設(shè)計(jì)中為保證浸潤(rùn)線埋深采取了增加排滲管的工程措施，因此在邊界條件輸入時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的排滲管坐標(biāo)逐一輸入“hole”模型點(diǎn)，檢查時(shí)可根據(jù)浸潤(rùn)線與“hole”點(diǎn)交叉時(shí)的坡降判斷該點(diǎn)的作用效果。

3 模型計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)企業(yè)目前實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)有尾礦庫(kù)沉積灘平均坡度為1%，設(shè)計(jì)沉積灘坡度按1%設(shè)計(jì)，澄清距離計(jì)算長(zhǎng)度為213m。土層（部分）及筑壩材料相關(guān)參數(shù)采用地質(zhì)勘查報(bào)告中參數(shù)，其中浸潤(rùn)線以下部分采用水下參數(shù)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)AutoBank7.07 程序進(jìn)行滲流計(jì)算，結(jié)果如下：

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

分別采用軟件的畢肖普法和瑞典圓弧法計(jì)算。在不同工況下均滿足規(guī)范要求。由于畢肖普法在模型計(jì)算時(shí)考慮了土條間的作用力因此計(jì)算出的安全系數(shù)要略高于瑞典圓弧法，軟件計(jì)算后的結(jié)果與理論推導(dǎo)一致。其不同工況下的計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 特殊工況下畢肖普法穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

圖2 特殊工況下瑞典圓弧法穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

圖3 臨界最高洪水位工況下畢肖普法穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

圖4 臨界最高洪水位工況下瑞典圓弧法穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)整體建模分析計(jì)算了尾礦壩的安全性，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。軟件可僅輸入一個(gè)模型，采用不同的工況和不同的計(jì)算方案進(jìn)行計(jì)算分析，可極大的提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

本項(xiàng)目所采用計(jì)算模型的實(shí)際工程為土屋銅礦尾礦庫(kù)初期壩及堆積壩，目前土屋銅礦尾礦庫(kù)已竣工投產(chǎn)使用，通過(guò)對(duì)壩體上位移監(jiān)測(cè)、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知尾礦庫(kù)運(yùn)行良好。通過(guò)實(shí)際運(yùn)用可以看出AutoBank 軟件在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定驗(yàn)算分析部分具有建模準(zhǔn)確，可視化強(qiáng)、效率高的優(yōu)點(diǎn)。