Slide3和RS3实际应用:不排水条件下的尾矿坝稳定性评估

2023-11-07 14:37:34 41

       施工过程中尾矿坝的稳定性是一个重要问题,因为荷载应用、超孔隙水压力和局部应变可能导致某些材料静态液化,从而降低尾矿的有效剪切强度。过去的尾矿坝溃坝事件,例如西班牙的洛斯弗莱尔斯大坝溃坝和加拿大波利山大坝溃坝事件表明,低渗透性粘性土壤中的地基破坏会引发尾矿液化。在这种情况下,使用有效的剪切强度参数可能会导致安全评估系数不可靠。

       考虑到这一点,本研究的重点是使用Rocscience软件套件Slide3和RS3对假设的尾矿坝模型进行安全性和稳定性分析。该评估强调了在进行分析时采用足够的不排水抗剪强度参数来理解和考虑大坝材料的准确行为的重要性。


剪切下残余土壤和尾矿的验证

       本研究使用的高位中心线堆积坝的3D模型可见于图1a,该模型旨在进行详细的坝体稳定性分析。理论上,该坝模型位于由变质岩组成的基础上,并覆盖有一层表层土。

       本次评估涉及的步骤概述如下:

  • 使用RS3软件进行有限元渗流分析,计算该模型的孔隙水压力(图 1b)。孔隙水压力结果可以作为孔隙水压力网格从RS3导入到Slide3软件中。

  • 在Slide3中对一座高位尾矿坝进行了稳定性分析,该尾矿坝在变质岩地基上有残余土壤表层。

  • 实验室测试,如CIUsat和CPTu(锥形穿透试验与孔隙压力测量)的现场测试被用来评估残余土壤和尾矿在剪切下的行为。

  • 当大部分点位在CD=70线以下时,尾矿显示出主要的收缩行为。

  • 在QTn图上(无量纲标准化尖端阻力)与Fr(标准化套筒摩擦力)图中显示了点分布,如图2所示。CPTu测试剖面可见于图3。

  • 评估了状态参数(ψ),尾矿由于其极松散的状态表现出收缩的趋势(ψ平均值为0.3)。

  • 在整个不排水剪切试验阶段,孔隙压力持续增加,表明在不排水条件下,在剪切过程中材料发生了收缩。

Slide3和RS3实际应用:不排水条件下的尾矿坝稳定性评估

图1. 数值模拟 1a) 横截面 1b) 三维渗流分析 - RS3


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图2. Qtn vs Fr 图表(Robertson 2016)


Slide3和RS3实际应用:不排水条件下的尾矿坝稳定性评估

图3. 根据CPTu测试的典型尾矿剖面(Robertson 2016)


估计不排水剪切强度参数

储层尾矿:

  • 使用CPTu测试测得的尖端阻力(qc)、套筒摩擦力(fs)和孔隙水压力(u2)的数值计算储层尾矿的强度。

  • 请注意,此公式仅适用于尖端抗阻力低于6.5兆帕的材料。

  • 计算出的强度的20-30%百分位被认为是代表性的。

  • 该百分位数对应于尾矿的不排水强度比 0.20。


基础残积土壤:

  • 使用直接简单剪切(DSS)试验测量了残余土壤的强度,该试验确保样品的体积保持恒定。

  • 通过使用已进行测试的最大剪应力点,计算出了强度。

  • 土壤在峰值后没有显著的强度损失,峰值不排水强度与竖向应力之比为0.35。

  • 残余土壤不排水强度也通过冲击测深测量的 NSPT 指数进行了评估。


使用Slide3和RS3进行尾矿坝稳定性分析

       对尾矿坝进行了稳定性分析,其中涉及使用 AutoCAD Civil 3D 软件开发3D模型,以创建自然地形、地质接触面和尾矿库的表面。由于Rocscience软件工具套件无缝支持 AutoCAD 模型,因此通过使用 RS3 的 3D 渗流分析计算孔隙水压力,进一步简化了该分析。此外,在Slide3中进行了3D边坡稳定性分析,使用极限平衡法(LEM)计算了安全系数。

       通过采用“布谷鸟搜索”搜索算法、表面改变优化技术和GLE/Morgenstern-Price方法,获得了临界失效面。表1总结了本研究采用的强度和比重参数,重点是残余土壤和尾矿。

表1剪切强度和渗透率参数

Slide3和RS3实际应用:不排水条件下的尾矿坝稳定性评估

Slide3和RS3实际应用:不排水条件下的尾矿坝稳定性评估

图4. 3D稳定性分析 - 具有不排水抗剪强度的残余土壤 - FS = 1.43 a) 临界破坏面; b) 条柱深度(最大=15m)


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图5. 三维稳定性分析 - 具有有效抗剪强度的残余土壤 - FS = 1.79 a) 临界破坏面; b) 条柱深度(最大=12m)


       根据图4和图5所呈现的发现,如果没有对基础在剪切作用下行为进行彻底分析,而是假设残余土壤的有效抗剪强度,则会得到一个过高的安全系数。

经验教训:不排水剪切下残余土壤的行为不可低估

       对假设场景的分析得出了一些在现实项目中不容忽视的重要发现。 Slide3 的 3D 分析获得的安全系数 (FS) 值满足巴西国家矿业局(ANM 第 13 号决议)推荐的大于或等于 1.3 的最低 FS 标准,用于考虑峰值不排水的液化稳定性分析剪切强度。

       从不排水 (FS = 1.43) 与排水地基 (FS = 1.79) 参数获得的 FS 值的差异提醒人们尾矿坝分析固有的复杂性和不确定性。总体而言,这项研究强调需要对尾矿设施稳定性评估采取全面而严格的方法,以确保其安全并防止潜在的灾难。



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