施工方法对尾矿砂坝地震响应的影响

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：The impact of construction method on the seismic response of tailings sand dams

　　

本文探讨了施工方法对尾矿砂坝抗震性能的影响。研究以智利El Torito尾矿坝下游施工法的地震响应这一成熟案例为基准，旨在考察中心线施工法对地震响应的影响。研究人员采用水力-机械（HM）耦合公式，进行了高级时域有限元（FE）分析，以模拟两种尾矿储存设施（TSFs）在施工、运营和地震响应方面的相关特征。尾矿材料采用基于状态参数的边界面塑性模型（BSPM）进行建模，并根据实验室和现场数据进行了校准。研究详细模拟了施工和运营顺序，旨在捕捉TSF在经历2015年Illapel地震和1985年智利地震之前的应力状态条件。根据所研究运动的特征，两种施工方法揭示了不同的变形机制，这些机制首先影响坝体与稀浆（slimes）的界面，随后对整体抗震稳定性产生影响。

在全球金属需求不断增长的背景下，尾矿产量稳步上升，大型尾矿储存设施（Tailings Storage Facilities, TSFs）的建设日益频繁，导致溃坝事故发生的可能性增加。在近年来发生了多起严重的TSF溃坝事件后，全球尾矿管理行业标准于2020年发布，旨在实现对社区和环境的零危害，并要求采矿运营商在建设、运营和闭库的所有生命周期阶段对TSF的安全承担更好的责任。因此，迫切需要深入理解现有TSF的性能，并通过探索几何形状和施工技术的替代方案来制定更完善的安全设计标准。尾矿的管理和处置通常基于固体含量进行分类。虽然现今高密度浓缩、膏体尾矿和过滤尾矿等脱水技术逐渐被采用，但大多数TSF仍采用传统的浆体沉积法施工。在这种方法中，尾矿的粗粒部分被称为尾矿砂，用于筑坝；剩余的细粒部分被称为稀浆，储存在尾矿砂坝围成的区域内。这种方法主要有上游法、下游法和中心线法三种施工技术。上游法在智利和巴西因抗震性能差已被禁用。中心线法作为上游法和下游法的中间方案，虽然在降低成本和保障稳定性方面具有吸引力，但由于采用该法建造的尾矿坝数量有限，关于其抗震性能的数据十分匮乏。在工程实践中，TSF的设计通常基于极限平衡（Limit Equilibrium, LE）分析来计算安全系数，而数值模拟能够提供位移的补充估计。随着本构模型和现场勘察技术的进步，引入基于边界面塑性理论和临界状态土力学框架的复杂模型成为可能。本研究正是基于这一背景，通过先进的数值模拟和对El Torito TSF的案例研究，探讨下游法和中心线法TSF的抗震响应特征，旨在为高地震活动区的TSF建设提供科学依据，该研究成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》。

在关键技术方法方面，研究人员基于智利中部的El Torito尾矿坝构建了下游法和假设中心线法两种几何模型的二维平面应变时域有限元模型。研究采用了帝国理工学院有限元程序，利用水力-机械（HM）耦合的“u?p”方法模拟静态施工和动态地震条件。本构模型方面，尾矿砂和稀浆采用了基于状态参数的边界面塑性模型，并根据实验室和现场数据进行了校准；基础土壤、初级坝和排水设施则采用了循环非线性模型。模型边界条件精细考虑了静态与动态差异，动态阶段采用了广义-α时间积分格式和一致边界条件。研究输入了记录较为完整的2015年Illapel地震（基岩峰值加速度PGA=0.04g）和较短震中距的1985年智利强震（PGA=0.19g）两条地震波，以评估不同强度地震作用下的非线性响应。

研究结果部分总结如下：

El Torito尾矿坝模型建立与静态响应
通过对比下游模型和中心线模型在施工结束时的状态参数和塑性偏差应变分布，研究发现两种几何模型在施工结束时具有相似的应力状态条件。然而，由于中心线法的墙壁型几何特征，在库区内部和垂直堆叠坝体的底部产生了高应变集中。下游法则在坚硬坝体与软稀浆之间提供了更有利于应变平滑过渡的条件。

基准案例：2015年Illapel地震响应
在相对较低强度的2015年Illapel地震作用下，两种施工方法的尾矿坝均表现出低量级且主要集中在坝体下游坡面及稀浆特定区域的变形。数值分析得出的下游法坝体位移和加速度响应谱与地震后现场目测的“无损伤、无永久沉降”的记录吻合良好。尽管中心线模型在坝顶的频谱峰值表现出轻微增加的非线性响应，但两者的整体抗震性能表现出较高的相似性。

强震作用：1985年智利地震响应
在强震作用下，两种施工方法揭示了截然不同的变形机制。下游法在坝顶和坝浆界面产生最大约0.5m的位移，且变形均匀分布在较广区域；而中心线法则在坝浆接触面（稀浆内部）产生高达1.0m的集中位移。由于中心线法坝浆接触面垂直且呈“跷跷板”形状，诱发了较弱稀浆的悬吊机制和局部刺入破坏模式。应变演化表明，中心线法的坝体与稀浆相互作用更为复杂，影响范围更广。坝顶监测点的位移时程显示，中心线模型的水平位移几乎是下游模型的两倍，并通过非闭合的滞回环揭示了其在坝体深部由于累积永久剪切变形而产生的棘轮效应。

讨论与结论部分指出，该研究强调了在评估高地震活动区TSF的安全性能时，深入了解不同施工方法的动力响应特征至关重要。根据全球尾矿管理行业标准的要求，对于极端情况下的设计强震（如最大考虑地震或万年一遇概率事件），中心线几何结构更容易产生不可容忍的变形水平，从而危及TSF的固废滞留能力。因此，在研究考察的几何条件下，强烈建议在高地震环境中设计TSF时采用下游法。研究也证明了信息完备的高级数值建模在理解坝浆动态相互作用等复杂岩土工程问题中具有重要的不可替代的价值。