多條件下二道溝金礦尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究

劉海洋，郝 哲，，杜研巖

（1.沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110041；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013）

我國是一個(gè)礦業(yè)生產(chǎn)大國，但富礦少，貧礦多，礦石品位較低，因此在開采出大量精礦的同時(shí)，礦山行業(yè)每年產(chǎn)生尾礦約6億噸，保有尾礦庫12 000～15 000座［1］，居世界之最.尾礦庫是一種具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生滑坡、潰壩等事故，后果不堪設(shè)想.因此，積極開展尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究，提高工程實(shí)踐活動(dòng)的科學(xué)性，對(duì)于保障庫區(qū)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)礦山行業(yè)平穩(wěn)、健康、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

中國黃金集團(tuán)二道溝金礦地處遼寧省北票市，其所屬尾礦庫由沈陽有色冶金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，1997年建成并投入運(yùn)行至今，現(xiàn)總壩高約為45.0m，庫容約為237.7萬 m3，為Ⅳ等庫；設(shè)計(jì)尾礦堆積壩終期標(biāo)高▽631m，現(xiàn)已堆積到壩頂標(biāo)高▽625m.由于該地區(qū)地理?xiàng)l件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，為滿足安全生產(chǎn)、科學(xué)開發(fā)的要求，本文對(duì)該尾礦庫壩體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以消除安全隱患，提高事故防范和災(zāi)害預(yù)警能力.

1 尾礦庫壩體穩(wěn)定性的影響因素

尾礦是一種具有非均質(zhì)各向異性且具有流變特性的復(fù)雜介質(zhì)，其性狀十分復(fù)雜，加之尾礦庫的運(yùn)行是和礦山生產(chǎn)同步的，因此尾礦壩受到各種內(nèi)外力作用的共同擾動(dòng)和持續(xù)影響.通常，影響尾礦庫壩體穩(wěn)定性的因素有以下幾方面：

（1）壩基地質(zhì)條件.當(dāng)壩基存在軟弱夾層和褶皺、斷層等不良地質(zhì)條件時(shí)，在加高過程中，堆積載荷不斷增大，尾礦壩極易產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn).

（2）壩體結(jié)構(gòu).包括尾礦壩的規(guī)模、幾何尺寸；筑壩尾礦粒度成分、堆筑質(zhì)量；干灘長度、內(nèi)外坡比等.統(tǒng)計(jì)資料表明，壩體越高、坡度越大、干灘長度越短、尾礦粒度越細(xì)，則壩體的穩(wěn)定性越低.

（3）水的影響.由于尾礦通常是以尾礦漿的形式進(jìn)行排放，所以尾礦庫內(nèi)不僅堆積了大量的尾礦，同時(shí)積存了大量水體，包括尾礦澄清水和大氣降水.水會(huì)降低尾礦的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)軟化尾礦，影響其滲透固結(jié)，尤其在地震時(shí)，受到地震波的沖擊，大量尾礦極易發(fā)生液化，導(dǎo)致管涌、流沙和壩面沼澤化甚至潰壩；而外部的水流沖刷特別是暴雨沖擊也極易形成沖溝、水土流失等，破壞尾礦壩表面的結(jié)構(gòu)整體性，影響壩體穩(wěn)定.

（4）排洪設(shè)施.排洪系統(tǒng)是尾礦庫的生命線，但尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)過低、泄洪能力不足或發(fā)生堵塞、損毀時(shí)，極易造成大量洪水積壓庫內(nèi)，造成洪水漫頂，甚至潰壩［2］.

（5）其他因素.一些庫區(qū)不良地質(zhì)災(zāi)害的影響，如滑坡、地震的沖擊；不合理的人為活動(dòng)，如壩下取土、違規(guī)放礦、盲目加高等均會(huì)造成尾礦壩的失穩(wěn).

2 尾礦壩穩(wěn)定性分析基本原理

尾礦技術(shù)起步較晚，相關(guān)理論研究也甚不完善，到目前為止，依然沿用土力學(xué)的基本理論和方法對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析.同時(shí)，也有學(xué)者探索了利用巖土工程其他領(lǐng)域的方法進(jìn)行穩(wěn)定性研究，如時(shí)序分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［3］等.但應(yīng)用最為成熟的還是基于極限平衡理論的抗滑穩(wěn)定性分析，其基本思想極限平衡法把待分析滑體視為剛體，將之劃分為彼此無變形的條塊，然后建立條塊的受力平衡方程來求解壩體的穩(wěn)定系數(shù).安全系數(shù)Fs定義為滑動(dòng)土體總抗滑力與總滑動(dòng)力的比值，顯然，當(dāng)比值為l時(shí)，壩體是處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，但是考慮到抗震和防洪要求，安全系數(shù)必須有一定的安全儲(chǔ)備，即安全系數(shù)必須大于1［4］.目前，對(duì)于尾礦壩抗滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法中，以瑞典圓弧法和Bishop法最為常用.

2.1 瑞典圓弧法

該法假設(shè)條塊之間的作用力對(duì)圓弧形滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力分布沒有影響，則作用于各垂直條塊上的力如圖1所示，其抗滑力與下滑力之比即為安全系數(shù)Fs如式（1）所示：

式中，i為第i個(gè)條塊；r為圓弧半徑；αi為條塊地面中點(diǎn)切線與水平線夾角；Ui是條塊地面中點(diǎn)處孔隙水壓力；Wi為條塊重量；Q為作用在條塊重心處的水平向地震慣性力，Q′為作用在條塊重心處的垂向地震慣性力（向下為正），Mc為Q對(duì)圓心的力矩之和；Li為條塊底部長度；ci和φi是條塊地面中點(diǎn)處的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角.在不考慮地震影響時(shí)，公式中的Q、Q′和Mc均取為零.

圖1 瑞典圓弧法中垂直條塊受力情況示意圖Fig.1 Force condition of vertical strip in Sweden arc method

2.2 Bishop法

Bishop法其實(shí)是一種改進(jìn)的條分法，該法假定條塊間有水平力的存在，但條塊間不存在剪應(yīng)力（見圖2），此時(shí)壩體邊坡的安全系數(shù)見式（2）：

式中各項(xiàng)參數(shù)含義均同式（1）.

圖2 Bishop中垂直條塊受力情況示意圖Fig.2 Force condition of vertical strip in Bishop method

3 多條件下二道溝尾礦庫壩體定性計(jì)算

依據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，定性評(píng)價(jià)主要采用瑞典圓弧法進(jìn)行，同時(shí)采用Bishop法進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，對(duì)于四等尾礦庫，壩體在各種運(yùn)行情況下的載荷組合及最小安全系數(shù)見表1［5］：

表1 各種工況下的最小安全系數(shù)Table 1 Minimum safety factors under different conditions

3.1 計(jì)算參數(shù)的選取

尾礦壩抗滑穩(wěn)定性分析成果的可靠性在很大程度上決定于土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇.本次穩(wěn)定性分析所用巖土物理力學(xué)參數(shù)是按照室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)綜合選取，其計(jì)算參數(shù)見表2.

表2 尾礦壩各類土體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Parameters of soil layers in tailings dam

3.2 滲流計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件預(yù)設(shè)

在本次穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，對(duì)于正常運(yùn)行情況下的穩(wěn)定性計(jì)算將以勘察期間的實(shí)測(cè)浸潤線為準(zhǔn)；對(duì)于洪水工況和特殊工況下的穩(wěn)定性計(jì)算，最高洪水位取為最小干灘長度（50m）所對(duì)應(yīng)水位，據(jù)此得出計(jì)算浸潤線作為進(jìn)一步分析的依據(jù).

3.2.2 滲流計(jì)算結(jié)果

（1）首先進(jìn)行壩體浸潤線的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與勘察描繪浸潤線進(jìn)行比對(duì)，以校核，如圖3所示.

圖3 實(shí)測(cè)與計(jì)算浸潤線對(duì)比示意圖Fig.3 Comparison of actual saturation line and fitted saturation line

可見，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，說明參數(shù)選擇合理，可為后續(xù)洪水位運(yùn)行和特殊運(yùn)行浸潤線的推算分析所采用.浸潤線在初期壩腳逸出，屬于透水壩體正常排水現(xiàn)象，不會(huì)造成滲流破壞.

圖4 洪水位下計(jì)算浸潤線Fig.4 Fitted saturation line under flood condition

（2）洪水位及特殊運(yùn)行條件下浸潤線，計(jì)算結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看到，在洪水位情況下壩體浸潤線比正常運(yùn)行工況下進(jìn)一步提高，必須引起足夠的重視，在此情況下進(jìn)行壩體穩(wěn)定性計(jì)算極為必要.

3.3 多條件下壩體穩(wěn)定性計(jì)算

3.3.1 正常運(yùn)行條件下（現(xiàn)狀干灘長度約150.0 m）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

正常運(yùn)行時(shí)壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別見圖5、圖6及表3.

在正常運(yùn)行（現(xiàn)狀干灘長度約150.0m）的情況下，壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示，計(jì)算最小穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù).因此，該尾礦壩在現(xiàn)狀情況下運(yùn)行是安全穩(wěn)定的.

3.3.2 洪水位運(yùn)行條件下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

洪水條件下（最高洪水位＋壩體自重）壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別見圖7、圖8及表4.

圖5 正常運(yùn)行時(shí)壩體瑞典圓弧法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.5 Stability calculation result of tailings dam with Sweden arc method under usual condition

圖6 正常運(yùn)行時(shí)壩體Bishop法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.6 Stability calculation result of tailings dam with Bishop method under usual condition

表3 正常運(yùn)行時(shí)尾礦壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 3 Stability calculation result of tailings dam under usual condition

圖7 洪水條件下壩體瑞典圓弧法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.7 Stability calculation result of tailings dam with Sweden arc method under flood condition

圖8 洪水條件下壩體Bishop法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.8 Stability calculation result of tailings dam with Bishop method under flood condition

表4 洪水位條件下尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 4 Stability calculation result of tailings dam under flood condition

在洪水位條件下（最高洪水位＋壩體自重），瑞典圓弧法和Bishop法的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求，計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，因此，理論上該尾礦壩在洪水位運(yùn)行情況下是安全穩(wěn)定的，但仍需動(dòng)態(tài)觀測(cè)，不斷采集最新數(shù)據(jù)更新模型，以獲取最新穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步評(píng)價(jià).

3.3.3 特殊運(yùn)行條件下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

地震會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力，但其對(duì)壩體的破壞主要是由水平地震力引起的，因此，本次地震條件下的尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算中僅考慮水平方向地震力的影響.采用《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］所建議的擬靜力法來考慮地震力，計(jì)算結(jié)果分別見圖9、圖10及表5.

圖9 特殊條件下壩體瑞典圓弧法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.9 Stability calculation result of tailings dam with Sweden arc method under special condition

圖10 特殊條件下壩體Bishop法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.10 Stability calculation result of tailings dam with Bishop method under special condition

表5 特殊條件下尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 5 Stability calculation result of tailings dam under special condition

雖然地震和洪水的發(fā)生都是小概率事件，其耦合出現(xiàn)更是百年不遇，但是鑒于其巨大的破壞力和帶來的災(zāi)難性后果，依然需要廣大學(xué)者和尾礦工程人員提高防范意識(shí)，時(shí)刻警鐘長鳴，關(guān)注特殊工況下的尾礦壩運(yùn)行狀態(tài).根據(jù)本次計(jì)算結(jié)果，特殊工況下的計(jì)算最小穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，而且兩種方法預(yù)測(cè)的滑動(dòng)面基本一致，也進(jìn)一步反應(yīng)了數(shù)值模擬和參數(shù)選取的合理性與科學(xué)性.據(jù)此，可基本推知該尾礦壩在特殊工況下可以穩(wěn)定運(yùn)行，但是計(jì)算安全系數(shù)僅略大于規(guī)范值，安全儲(chǔ)備明顯不足，因此下一步現(xiàn)場(chǎng)工作的重點(diǎn)仍是采取措施切實(shí)提高壩體防洪抗震能力，確保尾礦庫安全運(yùn)行.

4 結(jié) 論

壩體穩(wěn)定性是尾礦庫安全的生命線，必須引起相關(guān)工程人員和廣大學(xué)者的足夠重視.本文依托二道溝尾礦庫工程，對(duì)多種運(yùn)行條件下的壩體進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，結(jié)果顯示各種工況下的計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)均超過規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，表明該庫處于良性運(yùn)行狀態(tài)，滿足安全生產(chǎn)要求，但是安全系數(shù)儲(chǔ)備略顯不足，需要現(xiàn)場(chǎng)工程人員提高安全意識(shí)，加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)，并積極采取各項(xiàng)工程措施提高壩體穩(wěn)定性.

［1］ 陳殿強(qiáng).尾礦壩加高過程穩(wěn)定性研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2008：1-2.（Chen Dianqiang.Study on the Stability of Tailing Dam During Heightening Process［D］.Fuxing：Dissertation of Liaoning Technical University，2008：1-2.）

［2］ 劉登高.尾礦壩穩(wěn)定性分析與研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2007.（Liu Denggao.Analysis and Study of the Stability for the Tailing Dams ［D］. Beijing： China University of Geosciences，2007.）

［3］ 李宇楠，郝哲.基于已有礦區(qū)工程實(shí)例對(duì)同一礦區(qū)不同工作幫邊坡穩(wěn)定性的分析［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（2）：75-80.（Li Yunan，Hao Zhe.Based on The BP Neural Network to Analysis The Stability of The Side Slope［J］.Journal of Shenyang University：Natural Science，2012（2）：75-80.）

［4］ 呂庭剛.尾礦庫安全現(xiàn)狀綜合評(píng)價(jià)［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2005.（Lü Tinggang.Safety actuality of tailing pond［D］.Kunming：Kunming University of Science and Technology，2005.）

［5］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程（AQ2006-2005）［S］.2006：5-6.（State Administration of Work Safety.Safety Technical Regulations for the Tailing Pond（AQ2006-2005）［S］.2006：5-6.）

［6］ 中華人民共和國水利部.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（SL203-97）［S］.1997：19-20.（Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.Specifications for Seismic Design of Hydraulic Structures（SL203-97）［S］.1997：19-20.）