第31卷第2期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2012年4月V ol.31No.2Journal of Liaoning T echnical University（Natural Science）Apr.2012文章编号：1008-0562(2012)02-0210-04ANSYS软件在尾矿坝浸润线中的应用宁民霞1，赵宇2，陈秀兰3，郝云新4（1.西安科技大学理学院,陕西西安710054；2.东煤地质局沈阳测试研究中心,辽宁沈阳110013；3.阜矿集团计划处，辽宁阜新123000；4.内蒙古煤炭科学研究院，内蒙古呼和浩特010020）摘要：针对尾矿坝的安全现状，特别是由于水的原因引起坝体产生渗流而导致的失稳溃坝.为了得到尾矿坝的浸润线位置以及安全控制范围，运用大型软件Ansys分析了尾矿坝不同标高时的浸润线位置及变化情况，采用水上和水下不同的物理力学参数来分别计算.结果表明：该尾矿坝溢出点均在初期坝坝顶，此处容易发生管涌导致垮塌事故，须采取相应排渗措施，来降低坝体浸润线，从而保证坝体的稳定性；分析结果为尾矿坝以后的设计和安全检测提供了一定的理论依据，具有重要的借鉴意义.关键词：ANSYS；尾矿坝；浸润线；有限元；稳定性；水；数值计算；渗流中图分类号：TV211文献标志码：AApplication of ANSYS software on saturation line of tailings damNING Minxia1,ZH AO Yu2,CHEN Xiulan3,H AO Yunxin4（1.College of Science,Xi'a n Univer sity of Science and Technology,Xi'an710054,China;2.Shenya ng Test Resear ch Center,Northea st Coalfield G eologica l Bur eau,Shenyang110013,China;3.Planning Depar tment,Fuxin Mining Industr y G roup Co.,Ltd.,Fuxin123000,China;4.Inner Mongolia Coa l Science Resear ch Institute,Hohhot010020,China）Abstra ct:There are some safety concerns on tailings dam due to water seepage may cause its instability.In order to determine the level of saturation line and its controlling range,this study uses ANSYS software to analyze the location of saturation line and its variation at different elevations.The results show that the tailings dam spill points are at the crest of initial dam,where piping may lead to collapse accident prone.The seepage drainage measures shall be taken to reduce the dam saturation line,and thus warrant the dam stability.The analysis results provide a theoretical basis and an important reference for tailings dam design and safety test.Key wor ds:ANSYS;tailing dam;saturation line;finite element;stability;water;numerical analysis;seepage0引言尾矿坝的失稳破坏造成严重灾害的事例在矿山失稳灾害中时有发生.特别是近年来，尾矿库溃坝事故频频发生，2007辽宁鞍山海城市甘泉镇石桥子村尾矿库溃坝致使邻近村庄的房屋瞬间被毁，并造成多人伤亡；2007年山西忻州市繁峙县宝山尾矿库事故，冲毁了太钢峨口铁矿专用铁路桥一孔，桥梁冲出约30m开外，导致铁路钢轨悬空，交通中断，冲坏峨口铁矿一座变电站，致使铁矿部分停产，还有峨口铁矿金煤车间和部分输送管道以及铁矿材料库也被不同程度冲毁，另外有多处通信线路被冲毁，多座桥梁淤堵，冲毁民房20多间和部分耕地，造成下游河道淤积河床抬高；后果极为严重的是2008年山西襄汾新塔矿业特大尾矿库溃坝，尾矿坝的下游已全部被泥石流淹没，办公楼被泥石流向下游推行超过10m，已经全部冲毁，造成了大量的人员伤亡和巨大财产损失[1].总结这些尾矿库事故，归根结底都与尾矿库中的水有关，而水又时刻影响着尾矿坝的浸润线[2].1水对尾矿坝浸润线的影响由于尾矿坝的坝体是由透水性强弱不同的尾矿砂堆筑而成.并且一般其堆积方式多采用上游式，由于上游式尾矿坝的形成过程是首先建立初期坝，尾矿填满后再利用尾矿土按设计的子坝高度及坝坡比筑子坝，一般尾矿坝堆积速度约3~5m/年，在逐渐升高的过程中，库内水位和坝体内的浸润线也逐渐抬高，渗透水就可能从溢出点溢出，在坝面形收稿日期：2011-09-05基金项目：陕西省教育厅基金资助项目（11jk0531）；陕西省培育基金资助项目（2009030）作者简介：宁民霞（1977-），女，山西稷山人，硕士，主要从事环境工程力学面的研究.本文编校：曾繁慧211第2期宁民霞：ANSYS 软件在尾矿坝浸润线中的应用成沼泽地，甚至引起管涌.尾矿坝的这种工作状况不利于坝体稳定，是坚决不允许出现的.因此,应确定尾矿坝浸润线的安全范围，确保不会发生渗透破坏，保证尾矿坝的安全运行.历史上由于尾矿坝的渗透破坏而引起的坝体失稳破坏现象已是屡见不鲜.浸润线不仅能反映出坝体渗流场，而且浸润线的位置则是坝体排水性能的综合反应.只要能确定坝体浸润线的位置就可以采取相应的排渗措施加固坝体来保证坝体的稳定性[3].由于尾矿坝体的特殊性，对其稳定性的计算目前尚处在探索阶段，本研究就是尝试利用ANSYS 软件来进行坝体的稳定性计算，充分发挥软件ANSYS 有限元分析的优势，将其应用于尾矿坝的稳定性建模、分析、计算方面，减少大量繁杂的人为工作，提高工作效率[4].利用ANSYS 软件自身所携带的实体建模技术和单元网格划分功能以及自适应分网技术对问题进行有限元分析求解，最终得出结论，做出判断，为类似计算作一些铺垫.揭示了水在尾矿库工程中的岩土力学作用，重点研究了因为水位变化而引起的浸润线变化，反映在工程意义上就是坝体的稳定性问题，能够得到坝体浸润线的安全控制范围，进一步更好地保证坝体的稳定性[5].根据ANSYS 对尾矿坝进行有限元分析所得出的指标，利用可靠性理论对该坝体的安全程度做出可靠性分析，用现有的科学原理和安全科学知识对系统的危险性进行评价，从而对坝体的稳定性做出评价，然后根据危险程度的不同采取相应的措施[6].2应用A N SY S 分析尾矿坝的浸润线2.1尾矿坝的概况、环境及地质条件尾矿坝位于张家营子镇3km 处，周长13.6km ，呈椭圆状，其中南部约5km ，占地11km 2，其东南临近铁路，距坝最近距离大约150m ，西边紧靠110国道.场地处于阴山山脉中段，地形属于北高南低型，平均坡度大约4‰，地貌类型属于山前冲、湖积平原[7].尾矿库于1965年8月开始投入使用，堆放尾矿1.35亿t ，主坝段的子坝用尾矿堆积体筑坝，东西两侧的付坝段用土体筑坝；尾矿堆积坝为上游法,其结构示意如图1.图1尾矿堆积坝的结构示意图Fig.1structural representation of the tailing dam213图1中，①为初期坝，由当地的土或碎石组成；②为尾矿冲积坝，每一台阶为一尾矿子坝；③为地下水浸润线.实地勘测资料显示，尾矿堆积物在放矿过程中，逐步形成沉积滩和积水区两部分；而尾矿粉在沉积过程中则遵循如下规律，沿着垂直坝轴线方向，由近到远沉积物颗粒逐渐由粗变细，依次为尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土，层与层之间呈渐变过渡关系[8].在放矿过程中，由于放矿形式的改变、矿浆流量、流速及放矿的位置不断变化，导致尾矿沉积物出现粗细颗粒变化，从而形成了一个复杂的地质条件.以下是三种土层的岩性特征：(1)尾粉砂稍密实，水上部分属于中等压缩性土，水下部分则属低压缩性土(2)尾粉土呈灰黑色，主要成分为磁铁矿、石英；属中压缩性土；(3)尾粉质粘土属中等压缩性土，呈流塑—软塑状态.库区内的水主要来自降雨和尾矿排放水，库外场地的地下水属潜水类型[9]，其补给来源主要是大气降水和尾矿库渗水.计算参数见表1.212辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷表1尾矿堆积体的物理力学性质Tab.1physical and mechanical properties of tailing指标土名天然密度/(kg m -3)粘聚力/kPa 摩擦角/°水上232013.526尾粉质粘土水下239011.825.5水上23901330尾粉土水下251115.530水上20921030尾粉砂水下241011.5312.2建立A N SY S 计算模型根据地质条件建立有限元模型，由于从试验得到，不同堆积体的物理力学性质不一样，在建立模型时严格按照原始勘测的图纸分层，不同的堆积体，输入不同的物理力学参数，并用不同的颜色表示如图2.载荷取正常水位+坝体自重，ANSYS 采用自适应网格划分对模型进行单元划分，为了得到更精确的计算结果，不同的堆积体根据图形的形状采用适应的单元类型[10]，结果如图3.图2计算模型Fig.2computationalmodel2.3不同标高浸润线变化随着尾矿坝的逐渐升高，尾矿土的力学特性也随着不断变化.库内水位和坝体内的浸润线也随之变化，分别取坝顶堆积标高1039m 和1043m 时的坝体剖面进行分析.通过ANSYS 计算，得到坝体在标高1039m 时的渗流场如图4，标高为1043m图3单元划分网格Fig.3arrowdiagram时的渗流场如图5，溢出点分别在图上标出.其中浸润线就是压力水头为0的线，浸润线以上的水头全部为0，在软件后处理中，需要加入一条判断语句，即如果压力水头为负，则设为0.如果在浸润线的上面，堆置体采用表1中的水上参数，浸润线下面的堆置体采用表1中的水下参数.图4标高为1039m 时的浸润线Fig.4saturation line in 1039m溢出点MN-7.359-4.688-2.374.1182.6115.1037.59610.08812.58115.073213第2期宁民霞：ANSYS软件在尾矿坝浸润线中的应用溢出点MN-6.415-3.4952.3455.2668.18611.10614.02616.94619.867图5标高为1043m 时的浸润线Fig.5saturation line in 1043m从图4和图5中，可以看出坝体的浸润线随着堆积坝的加高而抬高，浸润线有逐渐上升的趋势.而且，溢出点都在初期坝坝顶.在这个地方，容易发生管涌导致垮塌事故.所以要根据实际情况采取相应的排渗、加固措施，保证坝体的安全.3结论采用ANSYS 软件进行渗流场模拟，能解决坝体内部复杂的渗流问题，得到不同标高时浸润线的位置，确定容易发生管涌导致垮塌地方，即可在适当位置处增设降、排水设施，来降低坝体浸润线，或者进行加固等措施来保证坝体稳定.为以后进一步分析坝体的动力液化稳定性打好基础.参考文献：[1]刘才华.大尖山尾矿坝稳定性分析[J ].四川建材，2007(2):172-173.[2]宁民霞,王振伟,殷新宇.水对尾矿坝的稳定性影响研究[J ].矿业快报,2006(5):43-44.[3]李兆炜,胡再强.基于渗流理论的尾矿坝坝体稳定性分析研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(1):56-59.[4]李明,胡乃联,于芳,等.Ansys 软件在尾矿坝稳定性分析中的应用研究[J].金属矿山,2005,57(5):45-48.[5]陈殿强,王来贵,李根.尾矿坝稳定性[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2008,27(3):359-361.[6]宁民霞,水对尾矿坝的稳定性影响研究[D].辽宁阜新：辽宁工程技术大学研究生学院,2003.[7]尹光志,李愿,魏作安,等.洪水工况下尾矿坝浸润线变化规律及稳定性分析[J].重庆大学学报,2010,33(3):72-75.[8]王强,鲁炳强,王水平,等.尾矿坝渗流场的ANSYS 有限元分析[J].现代矿业,2009,(12):27-29.[9]吕庭刚,庙延钢.尾矿库坝体渗透稳定性分析[J].云南冶金,2005,34(2):12-15.[10]赵杰,李淑英.尾矿坝浸润线控制[J].西部探矿工程,2005(2):69-70.≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈*************待发表文章**摘要预报*************炉容受限的加热炉调度问题及启发式修复算法赵艳艳1,2，李铁克1,2(1.北京科技大学东凌经济管理学院,北京100083；2.钢铁生产制造执行系统技术教育部工程研究中心,北京100083)摘要：针对钢铁生产中炉容受限的加热炉调度问题，建立并行加热炉调度的多目标优化模型，并针对问题的NP-难特性提出一种启发式修复算法.在松弛炉容约束得到初始调度的基础上，通过不断检测冲突并消解冲突实现问题的有效求解.根据最小冲突板坯优先的变量选择策略选择冲突板坯，并根据最小在炉板坯数的值选择策略为冲突板坯重新指派新的加工机器；为避免搜索陷入死端，算法增加回溯机制以保证得到可行的调度方案.数据实验表明：该算法能够有效求解炉容受限的加热炉调度问题，且具有较高的计算效率.关键词：调度；加热炉；炉容约束；修复法；启发式；变量选择；值选择;多能力机。
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