尾矿坝的数值分析(Numerical Analysis of Tailing Dams)

1 引言

无论是发达国家还是发展中国家，也不管如何进行质量控制和监测，尾矿坝始终存在着溃坝的危险【能精确预警尾矿坝的溃坝吗?|波利山(Mount Polley)尾矿坝事故调查】，例如2022年3月27日山西省一座坝高50m的尾矿坝发生了溃坝【一尾矿坝发生了溃坝事故(Tailing Dam Collapse)】。

因此需要在尾矿坝的设计、施工和运行阶段进行【尾矿坝稳定性分析和设计的数值模拟】，以此来辅助决定坝体的长期稳定性。

MIDAS Geotech将于2022年4月26日举办一场Webinar，报告题目为《Case Study | Numerical Analysis of Tailing Dams》，使用Midas GTS NX分析上游法施工的尾矿坝稳定性 。

Rocscience已于2022年3月23日举办了一场类似的webinar---《Analysis and Design of Tailings Dams using Numerical Methods(利用数值方法分析和设计尾矿坝)》，这个Webinar 53分钟;  相关视频《Modeling the impacts of a tailings dam failure at the Pebble Mine(Pebble矿尾矿坝破坏模拟)》21分钟；《Tailings dam - 2D Slope Stability with PLAXIS LE》23分钟。

2 二维分析

无论使用极限平衡法还是数值法，尾矿坝分析的基本思路和步骤与分析其它问题没有太大差异，麻烦之处在于尾矿坝的组成材料复杂，每种材料的物理力学性质不同，因此选择合适的参数值是一件特别困难的事情，尤其是非饱和土的参数选择。

上图所示的尾矿坝模型由8种材料组成，其中"Earth Fill"为非饱和土模型，其它构筑材料为排干的Mohr-Coulomb模型，尾矿按流体处理。非饱和土模型需要输入水-土特征曲线SWCC(soil-water characteristic curve)和饱和体积含水量VWC(Saturated Volumetric Water Content)等参数，这是尾矿坝稳定性分析最麻烦的任务。  

另外一个比较麻烦的任务是设定孔隙水压力，通常孔隙水压力是由渗流计算得到的。下图所示的情形没有考虑孔隙水压力，计算的安全系数FOS=1.833；如果考虑孔隙水压力，计算的安全系数FOS=1.777。

尾矿坝应该进行概率稳定性分析，由于"Earth Fill"是主要可能滑动的材料，因此取其粘结力，内摩擦角和密度作为自由变量，标准方差取平均值的10%，相对最小和最大值取3倍的标准方差值，即按99.74%的正态分布考虑，计算结果显示安全系数仍然FOS=1.833，破坏概率为0，说明该尾矿坝是稳定的。

3 三维分析

使用Extrusion功能即可把一个二维模型转化为三维模型，其它参数不变，计算的安全系数FOS=1.946, 比二维计算的安全系数高。这表明二维计算有可能低估了坝体的稳定性。