關(guān)于我國尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準的探討

沈樓燕，王漢強

(1.武漢大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，湖北 武漢 430072; 2.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330002)

《世界有色金屬》期刊2008年第2期發(fā)表了《美國礦山企業(yè)的尾礦管理》一文[1]，該文作者在對比中、美兩國尾礦庫工程設(shè)計標準后提出：“①(美國)尾礦庫的洪水設(shè)計標準高。最低標準為百年一遇洪水，大中型庫均需按最大可能洪水(PMF)或二分之一最大可能洪水進行設(shè)計。②(美國)尾礦壩設(shè)計穩(wěn)定性安全系數(shù)高。規(guī)定標準系數(shù)為1.5，大于我國的標準”。該文還建議“結(jié)合我國國情，修訂尾礦庫安全技術(shù)標準，主要是洪水標準和尾礦壩穩(wěn)定性標準，適當(dāng)提高洪水標準和加大尾礦壩穩(wěn)定性系數(shù)”。 2009年國家有關(guān)部委在發(fā)布的《尾礦庫隱患綜合治理方案》中，論述我國尾礦庫事故頻發(fā)和安全生產(chǎn)形勢嚴峻的主要原因時，認同并引用了該文獻的觀點，故發(fā)布的文件中第一條就是：“安全設(shè)計標準低。尾礦庫防洪抗震及壩體穩(wěn)定等安全設(shè)計標準與發(fā)達國家相比相對偏低”。

上述觀點可以概括為：我國尾礦庫的設(shè)計洪水標準和尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準偏低,應(yīng)予以提高。適逢筆者正在參與我國新的尾礦庫設(shè)計規(guī)范的編制工作，認為很有必要對這個觀點進行商榷。其中，筆者對“我國尾礦庫設(shè)計洪水標準是否偏低” 已在文獻[2]進行了專題論述，本文僅對“我國尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標淮是否偏低”的問題予以探討。

1 科學(xué)認識因中、美尾礦壩穩(wěn)定計算方法不同而導(dǎo)致的安全系數(shù)數(shù)值的差異

美國礦山安全衛(wèi)生局(MSHA)下屬的丹佛技術(shù)中心(DTSC)制定的《礦山廢渣堆及尾礦壩設(shè)計準則》[3]，規(guī)定尾礦壩的靜力穩(wěn)定和動力穩(wěn)定安全系數(shù)標準分別為1.5及1.2。我國現(xiàn)行的行業(yè)標準《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ 1-90)[4]規(guī)定的尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準見表1,其最大值為1.3,比美國標準值1.5小。如果僅從數(shù)字來對比，似乎美國標準更高，其實這是一個誤解。

表1 尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

國內(nèi)外的研究成果和工程實踐經(jīng)驗都表明：對于同一土石壩邊坡，用瑞典圓弧法和考慮條塊間作用力的簡化畢肖普法方法，分別計算得到各自的最小安全系數(shù)，后者要比前者大很多，平均約大9%[5]。尾礦壩的工程實踐也反映了同樣的情況。我國《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ 1-90)是參照我國《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SDJ 218-84)[6]的標準來規(guī)定其穩(wěn)定安全標準的，采用的是瑞典圓弧法,最大安全系數(shù)為1.3。而美國標準則是采用簡化畢肖普法等方法，其規(guī)定的最大安全系數(shù)為1.5。其后我國的1984年版《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SDJ 218-84)己于2001年修訂為《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)[7]，采用的基本方法是畢肖普法等方法，其最大安全系數(shù)也規(guī)定為1.5(表2)。但是，由于《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ 1-90)沒有及時相應(yīng)跟進予以修訂,其安全系數(shù)最大值仍為1.3。

表2 土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)(SL 274-2001)

根據(jù)尾礦壩的實踐經(jīng)驗，我們建議新的尾礦庫設(shè)計規(guī)范規(guī)定：采用畢肖普法和瑞典法同時進行尾礦壩穩(wěn)定計算，并比較其計算結(jié)果。尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準分別采用表1和、2的數(shù)值(可個別調(diào)整)。實際上，將表1的數(shù)值按瑞典圓弧法和畢肖普法相差的百分數(shù)平均值放大后，并將尾數(shù)取0或5,就成了表2中的數(shù)值。這樣就有兩個最大值，瑞典法為1.3、畢肖普法為1.5，二者是相對應(yīng)的。在新的尾礦庫設(shè)計規(guī)范施行前的過渡期，可執(zhí)行《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》[8](AQ 2006-2005)的規(guī)定：在采用簡化畢肖普法計算時，可按SL 274-2001規(guī)范的規(guī)定選定安全系數(shù)標準值，最高值也達1.5。可見，現(xiàn)行的《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ 1-90)中，尾礦壩穩(wěn)定安全系數(shù)1.3和美國標準的1.5二者的安全度是相當(dāng)?shù)?。因此，僅從1.3小于1.5而不考慮計算方法不同，就來判斷安全標準孰高孰低是一種誤解。

2 國內(nèi)外土石壩穩(wěn)定安全設(shè)計標準對比分析

尾礦壩屬于土石壩中的水力沖填壩類型，因此，國內(nèi)外制訂尾礦壩的穩(wěn)定安全設(shè)計標準時，都是以土石壩的穩(wěn)定安全設(shè)計標準為主要參照標準的。所以，對比國內(nèi)外土石壩的穩(wěn)定安全設(shè)計標準，對評價尾礦壩的穩(wěn)定設(shè)計標準很有意義。

土石壩邊坡穩(wěn)定安全設(shè)計標準是如何制定的呢? 首先按邊坡級別、工作條件規(guī)定出基本的最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準。最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準，應(yīng)在大量工程實踐的統(tǒng)計基礎(chǔ)上，盡量與國內(nèi)其他行業(yè)標準、國外本行業(yè)技術(shù)標準相協(xié)調(diào)，同時考慮士石壩邊坡工程特點，以及國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展水平等來確定。在確定了基本的最小安全系數(shù)標準的基礎(chǔ)上，再根據(jù)邊坡類型、穩(wěn)定計算方法等不同因素分別做出補充規(guī)定。比如當(dāng)采用不考慮條塊間作用力的方法時，其最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準應(yīng)與考慮條塊間作用力方法的標準有所區(qū)別。在確定最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準時，根據(jù)相關(guān)的專題研究成果，考慮與國外同類技術(shù)標準接軌，適當(dāng)引入風(fēng)險分析的內(nèi)容，結(jié)合工程失事所造成的危害，提出對安全標準的修正條款(例如升、降級條款等)。綜上所述，穩(wěn)定安全系數(shù)標準值的合理規(guī)定，涉及了所采用的計算理論(例如剛體極限平衡)、計算方法(例如瑞典法)、計算工況(運用條件)，主要是參照相關(guān)標準，并將已建邊坡的實際取值統(tǒng)計，作為制定土石壩穩(wěn)定安全系數(shù)標準的主要依據(jù)。

文獻[5] 及文獻[7]統(tǒng)計了美國墾務(wù)局、加州水務(wù)局及陸軍工程兵團以及前蘇聯(lián)、印度、日本、加拿大、澳大利亞的土石壩最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準，并將之與中國土石壩的最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準進行對比，得出了國外的最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準與我國采用簡化畢肖普法等考慮條塊間作用力的方法為基本方法的規(guī)范的最小穩(wěn)定安全系數(shù)標準比較接近的結(jié)論[7]。因此，可以認為中、外尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準的基礎(chǔ)水平是相接近的。

3 中、美尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準綜合對比分析

3.1 美國對本國的尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準也是有爭議的

美國MSHA制定的尾礦壩安全系數(shù)標準僅二個數(shù)值：1.5(靜力) 和1.2(動力)。不論尾礦庫庫容大小、尾礦壩的高低和失事后的災(zāi)害程度，都是這兩個值。對此，美國國內(nèi)也有不同意見。美國內(nèi)政部礦山局頒布的《金屬與非金屬礦尾礦處理設(shè)計指南》[9]指出：“每座尾礦壩應(yīng)按下列幾方面的特點來選定安全系數(shù)標準：①相對于居民中心的位置；②總庫容和使用年限；③區(qū)域降水和匯入庫內(nèi)的水量；④尾礦的特性；⑤地形特征。換句話說，一座位于城市范圍內(nèi)或在主要公路或鐵路旁的尾礦庫，應(yīng)該取靜力穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5。當(dāng)一座尾礦庫位于偏僻地區(qū)，離都市很遠，其安全系數(shù)取為1.3就非常安全?！?/p>

可見，美國也有相關(guān)管理部門認為，尾礦庫的安全設(shè)計標準，應(yīng)依據(jù)尾礦庫的具體情況分級執(zhí)行，而不是統(tǒng)一采用固定的數(shù)值。因此，筆者認為，不必按照美國的作法將所有尾礦壩的安全系數(shù)標準都定為一個數(shù)值，還是分級規(guī)定安全系數(shù)為好，這樣更符合我國實際國情，更符合工程的技朮經(jīng)濟綜合分析原則。

3.2 實踐是判別尾礦壩穩(wěn)定與否的唯一標準

從理論上說，計算的穩(wěn)定安全系數(shù)大于1時，應(yīng)滿足穩(wěn)定要求。但在實際工程中，有些土坡的計算安全系數(shù)雖大于1，卻發(fā)生了滑坡；而另一些土坡計算安全系數(shù)只有0.8，但卻一直保持穩(wěn)定的[10]。那么，如何規(guī)定能確保尾礦壩壩坡穩(wěn)定的允許最小安全系數(shù)呢？這只能如前所述，將已建尾礦壩邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的實際取值統(tǒng)計，作為制定尾礦規(guī)范穩(wěn)定安全系數(shù)標準的主要依據(jù)，再參照國內(nèi)有關(guān)邊坡規(guī)范并與國外尾礦規(guī)范協(xié)調(diào)來規(guī)定。這里強調(diào)的就是工程實踐經(jīng)驗。尾礦壩的邊坡穩(wěn)定標準是否合適，同樣也應(yīng)根據(jù)其實踐經(jīng)驗來判別。實際邊坡工程采用的安全系數(shù)標準和實際計算值，可反映目前邊坡安全系數(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。作者統(tǒng)計了我國數(shù)十座尾礦壩的現(xiàn)狀計算安全系數(shù)，都是采用現(xiàn)行尾礦壩安全系數(shù)標準的。這數(shù)十座尾礦壩從2級壩到5級壩都有。應(yīng)該說明的是，按老規(guī)范我國沒有評定1級尾礦壩，實際有些2級壩甚至3級壩的安全設(shè)計標準己達到1級壩的要求。由于美國尾礦壩靜力穩(wěn)定不分級別和計算方法只有一個標準Fs=1.50，因此，為便于對比，將這些尾礦壩正常運行(靜力穩(wěn)定)的計算Fs值，不論方法，一起統(tǒng)計求其平均值來與之比較。求得的平均Fs=1.48，與1.50相差無幾。由此可見，根據(jù)我國現(xiàn)行尾礦規(guī)范設(shè)計建設(shè)的已建尾礦壩，其平均安全系數(shù)的總體水準是與美國尾礦壩標準相當(dāng)?shù)摹?/p>

4 結(jié)語

(1) 中、外尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準制訂時，都是以土石壩的標準作為主要參照標準的，而中、外土石壩的穩(wěn)定安全設(shè)計標準是接近的。因此，可以認為，中、外兩國尾礦壩穩(wěn)定設(shè)計標準的基礎(chǔ)水平是接近的。

(2) 從國內(nèi)尾礦壩實踐經(jīng)驗統(tǒng)計來看，中國尾礦壩安全系數(shù)的總體水準與美國的標準是相當(dāng)?shù)摹?/p>

(3) 未經(jīng)充分論證，不應(yīng)任意提高或降低規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值，其總體水平宜基本維持在現(xiàn)行規(guī)范的歷史經(jīng)驗水平上，僅需對個別不合理情況作適當(dāng)調(diào)整。

(4) 建議新的尾礦庫設(shè)計規(guī)范規(guī)定，用畢肖普法和瑞典法同時進行尾礦壩穩(wěn)定計算,并比較其計算結(jié)果。尾礦壩安全設(shè)計標準，可分別采用表2和表1的數(shù)值(可個別調(diào)整) 。

[1] 汪貽水. 美國礦山企業(yè)的尾礦管理[J]. 世界有色金屬，2008(2)：55-58.

[2] 沈樓燕 ,王漢強. 關(guān)于我國尾礦庫設(shè)計洪水標準的探討[J]. 中國礦業(yè),2010,19(6):14-16.

[3] 美國礦山安全衛(wèi)生局(MSHA). 礦山廢渣堆及尾礦壩設(shè)計準則[S]. 冶金工業(yè)部南昌有色冶金設(shè)計院總圖衛(wèi)技科(譯)，1979,4.

[4] 中國有色金屬工業(yè)總公司.ZBJ1-90，選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S] .北京：中國計劃出版社，1991：14-15.

[5] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5395-2007 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國電力出版社，2008：51，219.

[6] 中華人民共和國水利部.SDJ 218-84，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國水利水電出版社，1984：51.

[7] 中華人民共和國水利部.SL 274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 中國水利水電出版社，2002:135-136.

[8] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 2006-2005 ，尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006：7.

[9] Design guide for metal and nonmetal tailings diposal ，by Roy L. Soderberg and Richard A. Busch,[Washington]:United States Department of the Interior,Bureau of Mines,1977：35.

[10] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算(第二版)[M].北京：中國水利水電出版社,1996:302-312.