基于GeoStudio下尾矿坝地应力场的数值计算

1基于GeoStudio下尾矿坝地应力场的数值计算摘要：利用数值计算软件对坝体在不同状况下的应力应变等进行了模拟计算，得出尾矿坝水平和垂直方向的位移变化及稳定情况。关键词：尾矿坝，应力场，稳定性；数值模拟中图分类号：TV410.20文献标志码:A0引言岩土工程的数值分析方法比较多，主要有：有限元法、边界元法、离散元法及拉格朗日元法、DDA法等。其中，有限元法是目前已广泛应用于岩土工程与结构分析的有力工具。该法是把一个实际的结构物或连续体用一种由多个彼此相联系的单元体所组成的近似等价物理模型来代替，通过结构及连续体力学的基本原理及单元的物理特性建立起表征力和位移关系的方程组，解方程组求其基本未知物理量，并由此求得各单元的应力、应变以及其他辅助量值。1尾矿库（坝）的数值模拟计算（1）计算模型计算模型的几何尺寸及边界条件的确定不但涉及到计算量的问题（即单元大小及数量），而且影响到计算的精度及整个坝体的力学分析，因此，合理确定计算剖面、剖面的尺寸及边界条件非常重要。结合现场实际情况，确定出模型的几何尺寸。边界条件的确定也有很多种，根据以往所做类似工程的有限元数值分析实例，再结合现场实际情况而定。具体如图1，其中左边界为水平方向约束，即U=0，V≠0，底部边界为水平、垂直均约束，即U=0，V=0。（a）计算模型（b）实际剖面图1现状（+1924m）与最终坝高（+1934m）时的尾矿坝几何模型尾粉土1:5.0基底（基岩）初期坝+1934m+1924m+1850m尾粉质粘土U=0，V=0U=0V≠0+1924mU=0，V=0U=0V≠0+1934m21（2）材料的本构模型与参数材料本构模型选择上，非线性材料模型能更好地模拟土工问题。一般弹性非线性模型是把弹性模量和泊松比看作随应力状态变化而改变的变量，即和是应力状态的函数。对土体而言应用较多的模型为邓肯（Duncan）和张（Chang）提出了的双曲线模型。这种模型已被广泛应用于土坝和地基等土工问题的有限元分析，在很多情况下可以得到满意的结果。表1材料参数一览表渗透系数天然重度抗剪强度静力垂直水平有效应力弹性模量泊松比破坏比Kv（10-4cm/s）Kh（10-4cm/s）γ（KN/m3）cˊ（KPa）φˊ（°）E(MPa)μR尾粉土①12.52.6117.514.421.655.00.30.62尾粉土①22.52.6119.214.421.655.00.30.60尾粉土①32.52.6119.514.423.255.00.30.57尾粉土①42.52.6119.516.024.855.00.30.58尾粉质黏土①4-21.51.518.512.020.045.00.350.58采矿弃渣（未碾压）12.012.020.520.828.0150.00.180.70初期坝体12.012.021.015.032.0150.00.180.70粉质黏土②0.10.118.528.025.025.00.20.70泥质粉砂岩③0.10.126.0100.038.02000.00.150.70材料的物理力学参数是模拟计算的基础资料。根据该工程勘察资料中尾矿的物理力学实验测试结果，参照国内外有关尾矿和堆石坝等相关资料，综合分析后，确定出各材料的计算参数，见表1.1所示。2数值模拟计算与结果分析计算模型单元网格划分如图2。（a）+1924m标高尾矿坝的计算网格（现状）U=0，V=0U=0V≠0+1924m3（b）+1934m标高的尾矿坝计算网格（最终标高）图2计算模型单元网格划分在计算中考虑到流固耦合作用，即地下水的作用，为此计算了两种情况，一是洪水情况（干滩面为100m，即规范中的最小长度），二是正常情况（按照150m）分别进行计算。现状情况下，浸润线位置按照实测的考虑，最终标高的浸润线则按照渗流模拟结果考虑。不同情况下计算结果分别如图3～图19。图3现状（+1924m）下水平方向位移等值云图（单位m）图4现状（+1924m）下垂直方向位移等值云图（单位m）图5现状（+1924m）下位移矢量图图6现状（+1924m）下水平方向正应力云图（单位KPa）图7现状（+1924m）下垂直方向正应力云图（单位KPa）图8现状（+1924m）下剪应力云图（单位KPa）U=0，V=0U=0V≠0+1934m4图9现状标高（+1924m）贴坡后水平方向位移云图（单位m）图10现状标高（+1924m）贴坡加固后垂直方向位移云图（单位m）图11现状标高（+1924m）贴坡后x方向应力云图（单位KPa）图12现状标高（+1924m）贴坡后y方向应力云图（单位KPa）图13现状标高（+1924m）贴坡后剪应力云图（单位KPa）图14加高后（+1934m）水平方向位移云图（单位m）图15加高后（+1934m）垂直方向位移云图（单位m）图16加高后（+1934m）位移矢量图5图17加高后（+1934m）x方向应力云图（单位KPa）图18加高后（+1934m）y方向应力云图（单位KPa）图19加高后（+1934m）剪应力云图（单位KPa）从计算结果（图）中可以看出：①尾矿坝体的应力、应变等分布规律与其他资料获取类似尾矿坝的应力、应变等规律基本相同。②坝体达到最终标高+1934m时，，最大位移为0.179m，方向向着坝外坡；，最高点（即坝顶处）最大位移达到1.066m左右，坝体沉降量与坝高相比约为1%。③坝体达到最终标高+1934m时，尾矿坝沿Y方向最大应力为-2.32×106Pa，为-0.849×106Pa。3结论通过数值计算得出尾矿坝随着坝体高度的增加，其水平方向的变形位移不大，垂直方向的变形位移较大，坝体沉降量与总坝高比；尾矿坝最大应力发生于Y方向，X方向的应力变化相对不大。因此应加强放矿管理，严格按照设计和操作规范要求，及时堆积好每级子坝，并保证其有足够的坡度与稳定性。库内应保持沉积滩均匀平整，使其坡度和长度满足设计要求，严禁矿浆沿子坝内坡趾横向流动冲刷坝体，严禁排放的矿浆冲刷坝坡。参考文献：[1]尹光志，魏作安，许江.细粒尾矿及其堆坝稳定性分析[M].重庆：重庆大学出版社，2004.[2]尾矿堆积坝岩土工程技术规范（GB50547-2010）北京：中国计划出版社，2010。[3]GeoStudio软件在岩土工程中的应用中仿科技公司