鑫洲鐵礦尾礦壩穩(wěn)定性分析

李秀春，李富平，王旭東

（1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院， 河北 唐山市 063009；2.河北省唐山市遷西縣委辦公室，河北 遷西縣 064300；3.中國黃金集團遷西鑫峪礦業(yè)有限責任公司， 河北 遷西縣 064300）

0 引 言

尾礦庫是礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中3大必不可少的基礎(chǔ)性工程之一，但是，尾礦庫又是一個具有高勢能的人造泥石流重大危險源，重大事故時有發(fā)生。當前我國大概擁有尾礦庫1萬多座，尾礦堆存量將近90億t。而且，我國許多尾礦庫的地理位置十分重要，有的位于大江、大湖、重要水源地上游，有的位于重要公交設(shè)施上游，有的在密集的居民區(qū)上游，庫壩一旦發(fā)生垮塌，勢必造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失［1－5］。因此，尾礦庫壩體的安全穩(wěn)定性十分重要。

本文從滲流安全與壩體穩(wěn)定性兩個方面分析了鑫洲鐵尾礦庫的安全性能，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供參考。

1 項目概況

尾礦庫位于遷西縣東荒峪鎮(zhèn)鑫洲鐵選廠南0.6 km的自然溝內(nèi)，溝呈東西走向，溝長0.4km，壩址以上流域面積0.068km2，除了庫區(qū)西面外，其余三面環(huán)山，屬于典型的山谷型尾礦庫。尾礦庫初期壩高14.5m、壩頂寬4m、內(nèi)坡比1∶1.6、外坡比1∶1.75，壩底高程173.5m，壩頂高程188.0m，采用山坡廢石土碾壓而成。采用上游法堆積筑壩，子壩外坡平均比1∶1.75，內(nèi)坡比1∶1.75。設(shè)計堆積壩壩頂標高為211.0m，最終堆積坡比1∶2.5，設(shè)計總壩高37.5m，總庫容為67.9×104m3，參照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006－2005）要求，該尾礦庫屬于四級尾礦庫，設(shè)計服務(wù)年限6.5a。

目前，尾礦庫壩頂堆積標高已達到100m，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，當尾礦壩堆積高度達到最終設(shè)計壩高的1／2～2／3時，應(yīng)當對壩體進行一次全面勘察，以校核壩體現(xiàn)狀的穩(wěn)定性。本文針對其中的初期壩進行了滲流和穩(wěn)定性分析。

2 基本原理

2.1 滲流計算原理

滲流計算依據(jù)達西（Darcy）定律［6－7］：

式中：Q——斷面流量；

k——材料的滲透系數(shù)；

i——水利坡度。

對于二維穩(wěn)定滲流，控制方程為：

式中：kx、ky——X、Y方向的滲透系數(shù)，當材料是各向同性時，kx＝ky；當材料為各向異性時，kx≠ky，本文模擬采用各向異性材料參數(shù)；

H——總水頭。

計算方法采用有限元，采用三角形構(gòu)造有限元方程。根據(jù)變分原理和Galerkin方法，構(gòu)造方程的單元有限元方程，表達式如下：

式中：［B］——梯度矩陣；

q——通過單元斷面的流量；

A——尾礦壩橫斷面面積；

L——尾礦壩長度。

邊界條件的處理，按照3種邊界條件處理，各種工況條件如下。

2.2 尾礦壩穩(wěn)定性計算原理

在尾礦壩的靜力分析和地震力穩(wěn)定性計算分析中，瑞典圓弧法和簡化Bishop法使用最為廣泛。其中瑞典圓弧法根據(jù)計算指標不同，又分為有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法。因為有效應(yīng)力法涉及到孔隙水壓力，所以通常較多地采用總應(yīng)力法進行尾礦壩的穩(wěn)定性分析［8－10］。

瑞典圓弧法將滑塊劃分成不同條塊，不考慮各條塊間的作用力來求解安全系數(shù)。取任意條塊，通過解水平、垂直方向力矩平衡方程，得出瑞典圓弧法計算穩(wěn)定性系數(shù)的表達式：

αi——條塊重心點到滑弧圓心的力臂，m；

R——滑弧半徑，m；

Cs——地震系數(shù)，一般取0.03～0.27；

Wi——條塊的土重量，kN；

θi——條塊畫面的傾角，°。

簡化Bishop法，假設(shè)每個條塊側(cè)面上的合力是水平方向的，條塊之間無摩擦，根據(jù)垂直方向的分力為0，通過迭代，求解力平衡方程得出安全系數(shù)。

3 滲流安全分析

3.1 滲流模型建立

根據(jù)壩體構(gòu)造分析，滲流模型由細尾砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土、廢石土、砂礫土以及基巖等組成。根據(jù)《尾礦庫巖土工程勘察報告》的相關(guān)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗參數(shù)，材料滲透系數(shù)見表1。

在網(wǎng)格劃分方面，考慮三角形網(wǎng)絡(luò)精度相對較高，計算均為三角形網(wǎng)絡(luò)剖分，計算模型見圖1。

從尾礦庫初期壩的堆筑至堆積壩堆積至最終設(shè)計標高211.0m，計算工況選取如下：

（1）初期壩頂標高188.0m；

圖1 尾礦庫滲流計算模型

（2）終期壩體標高211.0m。

3.2 計算結(jié)果及分析

采用AutoBANK6.0進行二維有限元模擬，分別對兩種計算工況下的壩體在正常（考慮放礦水的影響）、最高洪水兩種情況下運行的浸潤線進行計算模擬，計算結(jié)果見圖2～圖5。

由圖2～圖5可知，不論是在正常，還是在最高洪水工況下運行，計算的壩體浸潤線比較低，且最小埋深都大于規(guī)程要求的深度，浸潤線均沒有從下游坡面溢出。

圖2 正常工況下初期壩頂浸潤線模擬

圖3 洪水工況下初期壩頂浸潤線模擬

圖4 正常工況下終期壩頂浸潤線模擬

圖5 洪水工況下終期壩頂浸潤線模擬

從尾礦壩情況看，一是初期壩是透水堆石壩，滲水性能特別好；二是正常情況下，庫內(nèi)尾礦水量不大，尾礦澄清水通過排水斜槽排至回水池供循環(huán)使用，庫內(nèi)存水不會太多，后期水位穩(wěn)定在標高208.5 m左右。

綜上所述，通過滲流分析，尾礦庫的浸潤線滿足規(guī)程規(guī)定。

4 壩體穩(wěn)定性分析

4.1 計算參數(shù)

根據(jù)《尾礦庫巖土工程勘察報告》及附近同類型選礦廠尾礦庫巖土層力學參數(shù)及經(jīng)驗參數(shù)，穩(wěn)定計算分析采用的巖土力學參數(shù)見表2。

考慮最危險斷面的情形，分別選取初期壩體（標高188.0m）、終期壩體（標高211.0m）和副壩（標高211.0m）的剖面為計算剖面。按照相關(guān)規(guī)范要求，對各種情形下的壩體分別在正常水位、最高洪水（最小安全灘長）及地震3種工況條件下進行計算。參考安全標準見表3。

表2 穩(wěn)定分析選用材料參數(shù)

表3 安全標準

4.2 計算結(jié)果及分析

初期、終期堆積壩、副壩壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表4可見，初期壩體、終期壩體及副壩在各種工況條件下均能滿足《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006－2005）對安全系數(shù)的要求，計算得出的抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于允許最小安全系數(shù)，能保證尾礦壩的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 論

（1）尾礦庫作為重大危險源，壩體的穩(wěn)定情況至關(guān)重要。尾礦壩浸潤線情況是壩體穩(wěn)定性的主要影響因素之一，只有準確分析預(yù)測尾礦壩浸潤線位置才能夠科學合理地評價壩體穩(wěn)定性。采用河海大學工程力學所編制的AutoBANK6.0能夠很好地進行尾礦壩浸潤線位置分析，分析結(jié)果表明：即使在最高洪水工況下運行，壩體浸潤線依舊比較低，且最小埋深都大于規(guī)程要求的深度，尾礦庫的浸潤線滿足規(guī)程規(guī)定。

（2）影響尾礦壩浸潤線的因素十分復(fù)雜，為了盡可能準確計算，分析之前應(yīng)先準確檢測尾礦的分層情況和滲透性。

（3）參照尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程，綜合瑞典圓弧法和簡化Bishop法進行計算，結(jié)果表明：尾礦壩在正常、最高洪水以及地震工況下，壩體安全系數(shù)均符合規(guī)程要求，壩體具有良好的穩(wěn)定性。

［1］ 祝玉學，戚國慶.尾礦庫工程分析與管理［M］.北京：冶金工業(yè)出版，1999.

［2］ 文 興，陳 星.某尾礦壩壩體穩(wěn)定性分析［J］.采礦技術(shù)，2011，11（1）：30－31，42.

［3］ 陳其付.瑯琊山銅礦尾礦壩穩(wěn)定性分析［J］.采礦技術(shù)，2010，10（2）：43－44，71.

［4］ KWAK M，JAME D F，KLEIN KA.Flow behavior of tailings paste for surface disposal［J］.International Journal of Mineral Processing，2005，77（3）：139－153.

［5］ MIAN M H，YANFUL E K.Tailings erosion and resuspension in two mine tailings ponds due to wind waves［J］.Advances in Environmental Research，2003，7（4）：745－765.

［6］ 丁述基.達西及達西定律［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1993（3）：33－35.

［7］ 苑蓮菊，李振栓.工程滲流力學及應(yīng)用［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2001.

［8］ 李 亮，褚雪松.邊坡臨界滑動面與臨界可靠度滑動面對比分析［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2012，40（9）：81－85.

［9］ 張洪全.考慮降水滲流對邊坡穩(wěn)定性影響分析［J］.工程與建設(shè)，2009，23（6）：855－857.

［10］羅鳳姿.尾礦壩固結(jié)滲流模型關(guān)鍵參數(shù)研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（3）：92－94.