在粉砂粘土尾矿基础上的土石坝稳定性评价的个案研究.docx

1、在 粉砂 /粘土尾矿 基础上的 土石坝稳定性评价 的个案 研究 托格尔欧泽仁，莱斯利 G.布罗姆韦尔 摘要 ： 本 案例 描述 了一个 在 新近沉积 的尾矿上建立的土石坝 的 设计 和施工 ，这个坝 由低强度 ， 低 塑性粉土 /粘土、 可变的粉砂 土组成 。 这个尾矿坝遇到了 单元 7的 由 西佛罗里达州县棕榈滩的水库 引起 单元 7 的 施工限制 ， 限制 面积达 4 平方公里 。在 水库 正常 运行 和水位 快速 下降 的条件下 , 分别使用极限平衡的方法 (LEM)和有限元建模 (FESBM)技术 建立 完全耦合的稳态和瞬态渗流模型 进行 边坡稳定分析 。 此外 ,在 水位 下降期间，

2、 使用完全 耦合应力 /孔隙压力分析 的稳定性计算通常被用来进行瞬间渗流的 稳定 性 分析 。 关键词： 地下水位快速下降 瞬态渗流 边坡稳定性 耦合分析 沉淀的 粉砂 /粘土尾矿 1.介绍 Loxahatchee 水库 ,也称为 L-8 蓄 水池 (L8SR),由储水能力大约 为 56 106立方米 的 7 个相邻的 单元 组成。它 位于 佛罗里达州 的 西棕榈海滩县 西边 , ,马歇尔艺术 国家野生动物保护区 的北边 (也称为水保护区 1 或 WCA-1),在 Loxahatchee河的源头 区域内。 水库是 综合 全面 大沼泽地恢复计划（ CERP， 一个联邦项目 旨在改善水质和淡水在南

3、佛罗里达州的分布 ） 的有效组成部分 。 它的主要目的是帮助维持 相邻的 河流区域 所需的流 量 水平 ，以方便 恢复 Loxahatchee 河和提供额外的水供应到西棕榈滩。 该水库 被 南佛罗里达州的 经营管理区（ SFWMD） 拥有 并运行， 和 被 PBA 作为一个商业石灰石采石场 开采。 这个 水库， 如 图 1 中所示，在 2003 到 2008 期间被建造，由七个相互连接的 单元组成，这些单元大概被开采 的高度为 4.5 米的北美垂直基准， NAVD，（所有 在本文中的高程均为 海拔 navd-1988，除非另有说明），所以 水库 被 进一步加深 13 米 来 提供额外的存储容量

4、 56 106立方米 ， 周 边的环绕水库 的 土 堤防高达 7 米。该堤防 由 在开采过程中挖掘 出的 的 土石 构造， 目的是为 了 防浪 ， 以及储存更多的水 。 单元 1&2 单元 5 单元 3 单元 7 单元 6 单元 4 北 图 1.Loxahatchee 水库鸟瞰 图 边的环绕水库 的 土 堤防高达 7 米。该堤防 由 在开采过程中挖掘 出的 的 土石 构造， 目的是 为 了 防浪 ， 以及储存更多的水 。 2 场地地质 在 L8SR 现场 的 地质条件包括表层泥 煤和 被埋在 混有少量的 粘土 的 砂下面的有机砂 ， 上 沉积 覆 盖 较厚的胶结 砂 。 20 英里 弯曲的 地

5、貌 ，构成整个 L8SR 基础 ，形成一个 独特的地质特征。 上层的 富含碳酸盐 的 浅层胶结砂和底层的贝壳砂床有相对较低的 渗透率。这使得 采矿作业 可允许 利用干采矿技术 。 这些特征也特别适合水储存和 与 周围的地下水系统 的 相互作用 最小。 根据当前地质文献 ,浅地层包括 可变 岩 体 的成员 被 称为柏蒙特的形成 。在该 处的 地层 大多数被确认为 汤普森堡的形成。 总体而言， PBA 设施范围地层 的 年龄大约 一万年到两百万年。 3 现场勘查项目 本文涉及的设计的 单元 7 的 南部周边堤防使用极限平衡方法（ LEM）和有限元建模（ FESBM）方法以 在正常运行以及 地下水位

6、 快速 下降的情况下 提供足够的边坡稳定 性 。 单元 7，如 图 2 所示， 单元 7 的 西部 ,南部和东部 被 三个外部堤坝环绕 。单元 7 包含一个近 0.5 平方公里 的 存储区域。这 与 南边的佛罗里达 230千伏电力光 (FP&L)传播 区域 接壤 ,东边 挨着 L-8 运河 ,西边挨着 工厂 。 开放通道 的 运输结构的形 成 是 疏通 连接 单元 7 单元 6 的 传输区域。单元 7 最初 是 作为一个石灰石采石场操作 的 过程 中的 水 或 尾矿处理池塘 , 并同时是前水库的施工现场 。 现场勘查项目进行 确定 特定 的 场地土壤和岩石地层 通过 评估现有基础条件来 设计水

7、库的堤坝。结合机械钻和标准渗透测试 (SPT)钻孔 来完成 深度 3.5m-20米 以内 的开挖 和 20 米 以下 的 开挖则 使用 现有等级 的 履带式和气动钻机 来完成 。 在单元 7 的南堤 的附近， 7 个土壤地层 的 地下岩土剖面 的 总体结构 从下往上分别为基础砂，贝壳砂，粉砂， 粉砂 或粘土尾矿，非常松散的砂子，砂质填充材料，路堤填土 。 通常 ,地表土壤由一个 夹层 的 可变 粉 质 粘土 层和 砂 层 的扩展 而成的。 这些土壤总厚度根据 在钻取的地理位置的覆盖厚度和 底层的岩层 的高程 不同 ，厚度 范围 可达 2.5 到 7 米 。 为了 方便 采矿作业 , 除了零星的

8、位置 有 有机土壤表土北 L-8 运河 单元 7 的西边 单元 6 过程水或尾矿处理池 运输结构 单元 7 的南面 处理工厂 单元 7 的东边 图 2.单元 7 的鸟瞰图 边的环绕水库 的 土 堤防高达 7 米。该堤防 由 在开采过程中挖掘 出的 的 土石 构造， 目的是 为 了 防浪 ， 以及储存更多的水 。 覆盖 ， 地表的有机土壤 均 被移除。石灰石 或 石灰岩层 的钻孔 中 会 遇到 表层砂 。这些是 开采的单位在现场 遇到的 主要的 问题，这些表层砂的 总厚度 在 0.5 米 和 6米之间变化。 通过对 岩石取心来确定岩石的质量并获得具有代表性的样本。岩石 的 质量指标 (RQD)介

9、于 0 和 48 之间 其 可回收的比率在 17 - 83%之间 不等。 在这些地层范围 内 的 击数 (n 个值 )值 从 24 次 每英尺 到 24 次 每 15 厘米 (n 值 50 次 )。 在 岩石层中的 粉砂和粘土质 的 间歇层 会 遇到 。此外 ,在 单元 7 的 西南路堤 处， 低可塑性粘土、 粉砂 和 可变的 粉沙 尾矿 ,这 是工厂的 洗涤和 上浆 操作 是会遇到的难题 。 在低塑性粘土和 粉砂 处应采用 相对低 的 n 值， 应 每英尺 进行 10 次以下的 击打。 在可变的 粉砂 残渣处应采用 n 值 为 每英尺 1 和 50 次数 之间 的击打。 4 在现场和实验室的

10、测试 为了使用 LEM和 FESBM模型以 需通过 现场和实验室测试 以 确定液压材料的导电性能和强度特性。实验室强度试验进行了路堤填土和粉砂 /粘土尾矿的 试样 选择。三轴剪切试验（ TX）是 选择 覆盖 层的 样品 用于构建 周围的 堤岸。 这些 土壤样本 在实验室中被压缩 到 最大密度 的 95%， 这是建堤防 的 最小 的 压实标准。该 TX测试 的 结果列 于表 1。 此外，三 个 TX 试验 ： 直接剪切（ DS）测试，和 一个被用来从 单元 7 的 西南处 选定 无 扰动 的 粉砂 /粘土 尾矿 样品 的 直接简单剪切（ DSS）测试 。这 三个 测试的结果是 见 表 2 和 3

11、。四 个 增量加载（ IL）固结试验 用于提取单元 7 的西南处 天 的无扰动 粉砂 或 粘土 残渣以 提供土壤 的沉降分析的 性质 。这些测试的结果 见 表 4。 表 1.TX 测试结果 获取样品 临界有效压力 合力 摩擦角 C ； （千帕） （角度） 白砂 0 36 轻质灰色砂 0 38 表 2.单元 7 西南提防的 TX 和 DS 测试结果 土壤 临界有效压力 合力 C（千帕） 摩擦角；（角度） 粉砂 /粘土尾矿 (TX test#1) 15 40.3 可变粘性砂尾矿 (TX) 17 39.3 粉砂 /粘土尾矿 (TX test#2) 9 36.5 粉砂 /粘土尾矿 (DS) 6 32.

12、0 基于 所 遇到的土壤类型 ，单元 7 的 西南 处的 典型 截面 可 分为以下几层： 路堤填土，砂质填充材料，非常松散的沙子， 粉砂 /粘土尾矿，粉砂质砂，和具有 一定 数量的贝壳和贝壳碎片的基础砂（ 图 3）。 渗流模型 需做 现场和实验室的渗透性试验。 实验室进行 各种土壤的 渗透性测试用于 构建单元 7 的 南部周边堤防。土壤样品在实验室中被压缩 为 最大密度 的 95%。此外，在 这个区域的 现场泵井测试用来 估计 地下土壤 的 渗透率（砂质填充材料，非常疏松的沙子，粉砂质砂， 和 含贝壳的 基础砂） 。 水平 渗透率和垂直 渗透率是在 现场和实验室测试 的 基础上计算出 的 。土

13、层渗透值 如 表 5 所 示 。这些值被用于在稳定状态和瞬态渗流 情况下 分析。 表 3.单元 7 的西南路堤的 DSS 测试结果 土壤 参数 测试 1 测试 2 粉砂 /粘土尾矿 垂直整合的压力(kPa) 190 380 最大剪切压力时的剪切应变（ %） 9.9 16.6 纠正 最大 值 后的 剪应力 (kPa) 46 97 Su / vc 0.24 0.25 表 4. IL 固结试验结果 土壤 孔隙比 e0 压缩指数 cc 压缩指数区域调整 cc 再压缩指数 Cr 粉砂 /粘土尾矿 0.785 0.159 0.172 0.009 粉砂 /粘土尾矿 0.532 0.116 0.124 0.0

14、053 粉砂 /粘土尾矿 0.492 0.081 0.089 0.0028 粉砂 /粘土尾矿 0.105 0.238 0.270 0.0244 表 5.在土壤的渗透分析中使用的渗透值 土壤 高度（ m） 层级 渗透性（ m/s） 水平（ kh） 垂直（ kv） 路堤填土（压实砂） 坝顶（ EL+7m） to EL+3m 1 7.0*10-5 4.0*10-5 砂质填实物 EL.+3m to EL+1.5m 2 3.0*10-5 1.5*10-5 非常松散砂层 EL.+1.5m to EL-0.5m 3 3.0*10-5 1.5*10-5 粉砂 /粘土尾矿 EL.-0.5m to EL-1.5m

15、 4 1.2*10-8 5.8*10-9 粉土 EL.-1.5m to EL-3m 5 2.4*10-5 6.7*10-6 贝壳砂 EL.-3m to EL-4.5m 6 1.4*10-5 9.1*10-6 有贝壳的基础砂 1 EL.-4.5m to EL-15m 7 1.8*10-5 8.8*10-6 有贝壳的基础砂 2 EL.-15m to EL-26m 8 1.1*10-5 4.8*10-6 表 6. 砂质 土壤的 Fredlund 和 Xing（ 1994）的 拟合参数 土壤 a（ KPa） n m 路堤填土（压实砂） 1.74 4.47 0.62 砂质填充材料 1.77 5.04 0

16、.67 非常松散的砂层 1.65 4.71 0.71 粉砂 2.59 4.39 0.59 贝壳砂 1.67 5.37 0.66 5 渗流 和 稳定分析方法 的使用 根据拉姆和席尔瓦 所言，对 土石 结构 的 确定 的 精确的安全因素必须 涉及 到 情况 (事件 )、几何 (成分 ),孔隙压力和应力路径压力、强度、水平的稳定和失效概率。 在岩土工程设计 中普遍 引入先进的软件产品 来 增加计算能力、强大的技术 ,如有限元计算 的突出 。在这个 单元 7 的 西南路堤的设计研究 中， 把 拉姆和席尔瓦列出的 因素考虑在内 ， 用 LEM和 FESBM方法 进行 耦合 稳态和瞬态渗流和变形分析 ，以

17、 在粉砂 和 粉砂 上建立 土坝 。 5.1 渗流分析 稳态渗流分析与瞬态渗流分析 都是 为了预测浸润 线 位置和 在稳态和地下水位快速下降的条件下 分别 提取孔隙水压力。 对单元 7 的 西南堤 防的 典型断面 的分析，是 利用有限元程序的 SEEP/W 的方法，在提防的 几何边界 、 水压力、土壤剖面和垂直和水平土壤渗透率 的基础上来 确定流过 提防的渗流量。 基于粒度分布的关系，被用于这项研究的 Fredlund 和兴 (1994)曲线拟合参数 来 定义剖面内沙质土壤 的 水分特征曲线。沙质土壤 的 水分特征曲线归纳在 表 6中 ,土壤 的 保水曲线 如 图 4 所示 。 因为 基础砂

18、层总是保持饱和的 ， 基础砂的保 水曲线参数层是不相关的提取模型。 由于 粉砂 和 粘土 残渣 的渗透性很低 ， (如 表 5)不饱和现象 在渗流中 扮演了一个重要的角色 。通过粒度大小确定渗流的 方法 被用来确定为粉砂 /粉砂 尾矿水特征曲线 , 因为它可以适用于各种材料 ,包括 残渣 。由此产生的 特性 曲线图 4 所 示。 5.2 稳定性分析 以确定最小安全因子（ FOS） ，需要对结构 的临界载荷条件 进行分析 。这些临界载荷条件 和相应的分析通常指定 在“ 稳态渗透 ” 和 “ 地下水位 快速下降 ”的情况 下进行 。 根据 几种不同的分析 方法 可确定堤防的 最小安全因子 ， 分析

19、方法体积含水量 路堤填土 砂填土 非常松散的沙子 粉砂 /粘土尾矿 粉砂 贝壳砂 吸力（ KPa） 图 4. 湿 土壤 的 特征曲线 包括 LEM、 边界元方法 、 与有限元计算应力 法 。 在这 单元 7 的西南 路堤 的设计 里 ，稳定状态和 地下水位骤升骤降的情况下， LEM 和 FESBM 分析方法都有用到。 6 渗流和稳定性分析结果 6.1 稳态渗流和长期稳定性分析结果 表 7.极限平衡法和有限单元法分析 下的 材料特性 在正常运行情况下，土石 坝 长期蓄水后 可 达到 稳态渗流 平衡。 土 石 坝 可能需要许多年才能建立一个稳态渗流。稳定状态 的 稳定分析没有考虑达到平衡所需的时间

20、。 表 7 对稳态 分析 的输入参数 进 行了总结。 路堤填土和粉砂 或 泥 屑的 抗剪强度值和弹性模量 的计算是 基于三轴测试 实验 (如 表 1 和 2)。 粉砂 或 泥 屑的 IL 固结试验 修正剑桥模型的输入参数 总结 如 表 8 所示 。 表 2 中所示的 是 粉砂 或 泥 屑的 非线性模型 参数结果 。上游边坡 稳态渗流 情况下的 稳定性使用从 表 5 到 表 9所示 的 水库的水位 的 流 动 属性 ： 4.5 米 (正常 操作池 ),5 米 (最 大操作池 )， 和 5.5米 (最大附加 操作池 )。 图 5 显示 在正常操作的情况下 严重故障 用 LEM 的方法来计算 得出的

21、结果。 经研究发现，可通过 LEM 和 FESBM 的方法获得 临界故障面 和稳态分析之间的密切关系， 结果 如 表 9 所示 。 表 8. 粉砂 /泥尾矿 的 修正剑桥参数 土壤 eo 粉砂 /粘土尾矿 1.050 0.270 0.0244 材料 单位重量 (kN/m3) 内部摩擦角， （度） 粘聚力 c (kPa) 泊松比 强性模数 E (MPa) 提防（压实填土） 18 36 0 0.35 56 砂质填充材料 17 28 0 0.30 20 非常松散的砂子 15 25 0 0.30 15 粉砂 /粘土尾矿 14 36 0 0.40 15 粉砂 17 29 0 0.35 20 贝壳砂 18

22、 33 0 0.35 50 基础砂 20 35 0 0.35 80 表 9.上游边坡稳态渗流的稳定性分析 6.2 地下水位快速下降的稳定分析的结果 图 6 显示 的是单元 7 在 正常运行水平 运行 10 天后 的水位浸润线 。 用 FESBM的方法来进行瞬间稳定分析的结果如 图 7 所 示。 地下水位在 粉砂 或黏土层内的骤升骤降 的超孔隙水压力利用瞬态渗流分析和完全耦合的 模型作比较结果如图 6 所示。 如 图 8 所示渗流和应力 或 孔隙压力模型产生几乎相同结果。 此外，碾压混凝土的护坡系统的稳定措施 导致了 安全因子随着地下水位的骤降而 戏剧性的增加 ： 从大约 1 增 到 2.8（

23、图 9） 。 方法 计算安全系数 正常操作池 最大操作池 最大附加操作池 LEM 2.91 3.05 3.26 FESBM（对 粉砂 /粘土尾矿 的线弹性模型 ） 2.81 2.94 3.16 FESBM(对 粉砂 /粘土尾矿 的非线性模型 ) 2.80 2.93 3.15 FESBM(对 粉砂 /粘土尾矿 的修正剑桥模型 ) 2.89 3.04 3.28 图 5.正常操作池的用 LEM确定的稳态临界破坏面（ FOS=2.9） 图 6.正常操作池运行 10 天后 的浸润线下降趋势 1.提防填料 2.砂纸填充材料 3. 非常松散的砂子 4. 粉砂 /粘土尾矿 5.粉砂 6.贝壳砂 （从上到下 1

24、-6） 基础贝壳砂 1 基础贝壳砂 2 基础贝壳砂 1 基础贝壳砂 2 过去的时间（天） 过去的时间（天） 图 7.水位快速下降分析的结果 图 8.孔隙水压力的反应 安全系数（基于FESBM)总水头（米） 从 4.5 米开始下降 从 5.0 米开始下降 从 5.5 米开始下降 瞬间渗流模型 应力 /孔隙压力耦合模型 水库 图 9.(a)当实施脚趾支撑和超挖时水位快速下降的分析结果 （ b）设计截面和临界破坏面 7 施工细节及施工后的性能 开采 并被 回填 的 级配良好的石灰岩碎石， 为 路堤填土填筑与压实的平台提供稳定的工作 环境 （图 10A）。所有不适合的尾矿 均 被 移 除 ， 为了提高

25、边坡的安全系数，降低 施 工后沉降 并用干净的压实填土坑（ 图 10B）。 在 最坏的情况下，模拟在允许的 水位下降 率 情况下 ，计算出的安全 系数有细微的 减少 ： 从 2.8（ 图 9）到 2.5（ 图 11），它仍然满足 FOS 对 水位 骤降 的 最低要求 （ 1.3）。 单元 7 路基施工完成于 2007 年 8 月。如图 12 所示，自 水库建成以来， 已经 度过 4 个 水位下降 周期 ， 平均 下降 率约为 12 厘米 /天，这小于设计 下降率 30 厘米 /天的。总而言之，通过对其结构分析，和观测结果表明，通过采取的措施 增加 对 快速 下降的荷载 的稳定性是成功的。 基础

26、贝壳砂 1 基础贝壳砂 2 1.提防填料 2.砂纸填充材料 3. 非常松散的砂子 4. 粉砂 /粘土尾矿 5.粉砂 6.贝壳砂 （从上到下 1-6） 9 米宽的开采和替换区域 6 米宽的脚趾支撑 安全系数 水库 FOS 水库水位下降高度（米） 这条线是抽水蓄能水库在地下水位快速下降时所要求的最小安全系数（ 1.3） 过去的时间（天） （ b） 图 10.（ a）路堤填筑 （ b）尾矿去除 （ c）南部提防 8 结论 本文介绍了佛罗里达州的棕榈海滩县 L8SR 的 西方的单元 7 的 设计， 部分建造在由 低塑性粉粘土、粉砂和可变 砂， 强度较低的 残渣 基础上 。 在正常运行和水位 快速下降的条件下采用 LEM 和 FESB 技术和 全耦合稳 、瞬间 边坡稳定性分析的渗流模型 进行分析。 分析的结果表明， LEM 的分析 方法 满足力和力矩平衡的方法（即， Spencer 法）与更复杂的 FESBM 基础 模型 相似 。 去除尾矿 在相对高程 -4,.5 米的地方放置填石 提防建设 （ a） （ b） （ c） 去除尾矿