尾矿坝稳定性分析和设计的数值模拟

1 引言

Rocscience将于2022年3月23日举办一场webinar，报告题目是《Analysis and Design of Tailings Dams using Numerical Methods(利用数值方法分析和设计尾矿坝)》,以此来推广它的旗舰产品RS2/RS3和Slide2/Slide3，敬请感兴趣的朋友关注本公众号的信息，届时将总结这个报告的精华部分。

2 数值模拟工具

尾矿坝设计需要进行稳定性分析，根据回顾尾矿坝稳定性分析的案例，发现大多数使用的是极限平衡法，最常使用的软件是Slope/W和Slide2, 也有部分公司使用Plaxis，少部分公司使用FLAC。普遍认为，对于非饱和土的极限平衡稳定性分析，Slope/W的分析结果比Slide2更好一些，因此在加拿大, 大部分土体边坡稳定性分析使用Slope/W。Anyway, 无论采用哪种方法，材料参数的确定是最重要的，其次是材料本构模型的选择，包括水压力的考虑。

3 尾矿坝破坏机理

对于任何岩土稳定性分析来说，数值模拟只是检查破坏机理的一种手段，更多的是从观察和试验中得出破坏机理。在目前的工作中，除了回顾《Independent Expert Engineering Investigation and Review---Mount Polley Tailings Storage Facility Breach(独立专家工程调查和审查---Mount Polley尾矿储存设施破坏事件)》之外，还回顾了近期尾矿坝破坏分析的4份研究报告，包括：

(1) Allen Marr(Geocomp, USA): Geotechnical aspects of tailing dams(尾矿坝的岩土工程问题)

(2) Michael Jefferies(Golder Associates, Canada): Improving governance will not be sufficient to avoid dam failures(提高监管不足以避免大坝破坏)

(3) Chad LePoudre(BHP, Canada): Tailings faiulre case studies,statistics and failure modes(尾矿库的案例研究、统计和破坏模式)

(4) Scott M. Olson (University of Illinois at Urbana-Champaign, USA) The shear strength of liquefied soils-updates and new developments(液化土的抗剪强度-更新和新的发展)

4 波利山尾矿坝数值模型

波利山尾矿坝【能精确预警尾矿坝的溃坝吗?|波利山(Mount Polley)尾矿坝事故调查】的简化模型如下图所示，坝体由5部分组成。尾矿坝不透水部分是S区(Till core)，这个区的材料是从其它地方搬运过来的，由冰川沉积物till组成。C区(Rockfill)的作用是支撑S区，如果没有它S区就不稳定。当渗流通过S区或S区的材料发生开裂时，其相对细粒的材料可能会侵蚀到S区中。F区(Filter)和T区(Transition)的作用是收集穿过S区的任何渗流，并阻止细粒物质从S区中移出。T区是向C区的过渡带，其目的是阻止过滤材料迁移到C区。虽然C区在一定程度上被压实以提高其密度，但这并不足以阻止F区的物质迁移到C区。因此需要一个过渡带T区。

坝体主要的材料参数如下：

(1) S zone(Till core): 密度20.5kN/m^3,内摩擦角35°，Mohr-Coulomb破坏准则；

(2) C zone(Rockfill): 密度22.0kN/m^3,Shear Normal Function破坏准则；

(3) U zone(Upstream fill): 密度18.0kN/m^3,内摩擦角30°，Mohr-Coulomb破坏准则；

尾矿坝地基土由四种材料组成，主要的材料参数如下：

(1) Upper till: 密度21.0kN/m^3,内摩擦角35°，Mohr-Coulomb破坏准则；

(2) Upper Glaciolacustrine: 密度20.0kN/m^3, TAU/Sigma比0.27, SHANSEP模型；【Update---新增SHANSEP材料模型(HYRCAN V1.90.0)】

(3) Lower tills: 基岩(不可渗透);

(4) Bedrock: 基岩(不可渗透) 

基于上述模型，使用极限平衡法Slope/W得出的最小安全系数是0.991.