尾礦庫(kù)的滲流與穩(wěn)定性分析

段志剛

【摘 要】尾礦庫(kù)是筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的、用以貯存金屬非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所，是礦山開(kāi)采的三大控制性建設(shè)工程之一，一旦失事，將影響礦山正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)還破壞下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。本文即結(jié)合實(shí)例詳細(xì)闡述了基于滲流理論的尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析。

【關(guān)鍵詞】尾礦庫(kù)；滲流；穩(wěn)定性；浸潤(rùn)線；參數(shù)

一、尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析的現(xiàn)狀

尾礦壩作為礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)施，能否安全運(yùn)行直接關(guān)系到尾礦庫(kù)的穩(wěn)定，并對(duì)下游村莊及整個(gè)礦山的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)尾礦壩的穩(wěn)定與否是防止尾礦庫(kù)失穩(wěn)潰壩、威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全的前提，并為尾礦庫(kù)災(zāi)害防治提供依據(jù)。關(guān)于尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法很多，邊坡工程中廣泛應(yīng)用的穩(wěn)定性計(jì)算方法是極限平衡法。它是一種比較成熟的邊坡穩(wěn)定性分析方法；該方法的特點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于理解。

首先，較為經(jīng)典的方法是 Bishop提出的 Bishop 法；該方法提出了安全系數(shù) F 的定義。同時(shí)，通過(guò)假定土條間的作用力為水平方向求出土條底面的法向力。后來(lái)學(xué)者們又提出各種方法，如 Spencer 法、Mogrenstme-Price 法和 Janbu 法等。

其次，數(shù)值分析法（以有限單元法為代表，安全系數(shù)是采用強(qiáng)度折減方法來(lái)確定，其意義是指強(qiáng)度折減至尾礦壩體達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的折減強(qiáng)度）是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，然后選擇壩體的材料本構(gòu)模型來(lái)模擬、求解壩體的應(yīng)力圖，再按照準(zhǔn)則判斷壩體的穩(wěn)定性；概率分析方法則是在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出壩體失穩(wěn)的概率。

二、礦山尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析流程

（一）安全系數(shù)的確定

尾礦壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，在《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（ZBJ1—90）和國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)第20號(hào)令《尾礦庫(kù)安全管理規(guī)定》（2001年11月頒布）等相關(guān)法律法規(guī)以及規(guī)程規(guī)范中都作出了明確規(guī)定。在尾礦庫(kù)（壩）穩(wěn)定性分析中，一般先按照尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)壩高和庫(kù)容大小確定尾礦庫(kù)的安全等級(jí)，再根據(jù)尾礦庫(kù)的安全等級(jí)查表確定尾礦壩抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)。

（二）荷載工況的確定

根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（ZBJ1—90）中要求，尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算（靜力分析與擬靜力分析）的荷載分為5大類，即：①筑壩期正常高水位的滲透壓力；②壩體自重；③壩體及壩基中的孔隙水壓力；④最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力；⑤地震荷載。根據(jù)尾礦庫(kù)不同運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，可按表1進(jìn)行組合。

表1 尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析的荷載組合

（三）確定計(jì)算剖面

確定計(jì)算剖面很重要，在穩(wěn)定性分析之前，應(yīng)將工程地質(zhì)勘察作為整個(gè)壩體穩(wěn)定分析的一部分。尾礦壩的工程地質(zhì)勘察是為穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資料。所以，在布置勘探工作時(shí)應(yīng)綜合考慮，使獲取的勘察資料不僅全面真實(shí)可靠，而且要實(shí)用。例如，勘探剖面應(yīng)盡量與尾礦壩軸線垂直，一般布置3個(gè)勘探剖面，其中1個(gè)為主剖面。

三、基于滲流理論的尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析

（一）尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線

1、影響浸潤(rùn)線的因素

浸潤(rùn)線是反映壩體滲流的特征線，浸潤(rùn)線的位置是壩體排水性能的綜合反映。在影響尾礦壩穩(wěn)定的諸因素中，浸潤(rùn)面位置的高低是極為重要的因素之一。由于浸潤(rùn)線位置的高低取決于礦渣的物理力學(xué)特性、滲透性能、排水設(shè)施的布置等要素，在實(shí)際工程中，為了降低浸潤(rùn)線位置，降低壩體滲透壓力，提高上游式尾礦壩的動(dòng)力穩(wěn)定性，對(duì)于浸潤(rùn)面高低的控制主要從滲透系數(shù)、干灘長(zhǎng)度、壩體分塊材料的各向異性以及排滲設(shè)施等要素進(jìn)行控制。

不同壩體位置處，筑壩材料對(duì)浸潤(rùn)線的影響也各有差異。一般來(lái)說(shuō)，尾礦壩筑壩材料的滲透系數(shù)在100-4cm/s左右。對(duì)初期壩而言，滲透系數(shù)越小，受壩體的不透水性影響，浸潤(rùn)線會(huì)抬高，易造成滲流沿壩頂逸出，對(duì)壩體造成嚴(yán)重破壞。對(duì)于壩體人滲區(qū)，滲透系數(shù)越大，浸潤(rùn)線越高。對(duì)于由不同滲透系數(shù)的礦渣填筑的尾礦壩，對(duì)浸潤(rùn)線的影響也有所差異。上下層滲透系數(shù)之比越大，下層阻水能力加強(qiáng)，浸潤(rùn)線就會(huì)有抬高趨勢(shì)，且由上向下延伸，使得下層的阻水作用在上游發(fā)展。在尾礦壩出口區(qū)，浸潤(rùn)線會(huì)隨滲透系數(shù)的降低而明顯抬高，且隨著滲透系數(shù)的逐步減小，浸潤(rùn)線將從下游向上游延伸。

（二）浸潤(rùn)線的計(jì)算

根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合實(shí)際的勘察資料，在合理分析各項(xiàng)因子對(duì)浸潤(rùn)線影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)不同運(yùn)行條件下的壩體浸潤(rùn)線進(jìn)行計(jì)算。

首先根據(jù)尾礦壩的相關(guān)參數(shù)確定壩體的等級(jí)，在確定化引灘長(zhǎng)和化引庫(kù)水位之后，就可以得到浸潤(rùn)線方程。以壩基不透水、無(wú)排滲措施的均質(zhì)尾礦壩為例，其浸潤(rùn)線方程為：

式中：hi為化引庫(kù)水位，且，其中H為實(shí)際庫(kù)水位；Lc為實(shí)際灘長(zhǎng)，即干灘長(zhǎng)；m為下游坡度系數(shù)；m0為沉積灘坡度系數(shù)；L為化引灘長(zhǎng)；a為出逸點(diǎn)高度，且。

選取不同工況下的水位，如正常運(yùn)行水位、校核洪水位等，根據(jù)上式即可推求尾礦壩的浸潤(rùn)線，將求得的浸潤(rùn)線與勘察觀測(cè)的實(shí)際浸潤(rùn)線進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證所求浸潤(rùn)線的合理性，如果二者之間能有較好的吻合，說(shuō)明影響浸潤(rùn)線的各參數(shù)選擇合理，否則，應(yīng)該結(jié)合各項(xiàng)因子對(duì)浸潤(rùn)線的影響關(guān)系，調(diào)整參數(shù)或者設(shè)置排水措施，使得二者能夠較好的吻合。

（三）穩(wěn)定性分析

1、計(jì)算模型及參數(shù)選取

（1）計(jì)算模型的選取

某尾礦庫(kù)為山谷型，壩軸線只有150m，隨著尾礦庫(kù)壩體的逐漸堆高，軸線也會(huì)增加，但由于山谷兩邊山坡坡度大，橫剖面為“V”字型，總體而言，壩軸線不能增加太長(zhǎng)。計(jì)算選擇的主剖面壩址處標(biāo)高1135.5m，壩頂標(biāo)高1300m，庫(kù)內(nèi)水位標(biāo)高1290m，尾礦庫(kù)沉積灘分別按700m和150m進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用 STAB2005二維分析軟件。

（2）計(jì)算參數(shù)的選取

在上游式尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定計(jì)算分析時(shí)，壩體各種材料的物理力學(xué)參數(shù)是基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，因此選取合理的計(jì)算參數(shù)至關(guān)重要。根據(jù)中國(guó)地震區(qū)劃分，該尾礦庫(kù)屬于地震活動(dòng)強(qiáng)烈的華北地震區(qū)汾渭地震帶，地震基本烈度為 7 度。尾礦物理力學(xué)指標(biāo)按照工程地質(zhì)資料提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

由于該尾礦庫(kù)初期壩壩體是透水堆石壩，因此按照類似壩體選取參數(shù)。各物理力學(xué)指標(biāo)取值： 容重為21.0g/cm3，內(nèi)摩擦角為38°，內(nèi)聚力為0。

2、壩體穩(wěn)定性計(jì)算

（四）結(jié)果分析

1、通過(guò)計(jì)算可得，各種方法的安全系數(shù)均大于1.25，滿足《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程（ AQ 2006—2005） 》中的最小安全系數(shù)要求。計(jì)算剖面圖顯示最危險(xiǎn)滑面從初期壩體壩頂穿過(guò)，主要是由于堆積尾礦形成的壩體坡度較緩，穩(wěn)定性較好。

2、通過(guò)穩(wěn)定性分析，當(dāng)浸潤(rùn)線超過(guò) 6.0 m時(shí)，壩體在動(dòng)力狀態(tài)下不能滿足規(guī)范要求，壩體穩(wěn)定狀態(tài)較差，因此為了增大安全儲(chǔ)備，提高尾礦堆積壩穩(wěn)定性，必須加強(qiáng)排滲，降低壩體浸潤(rùn)線高度（應(yīng)將壩體浸潤(rùn)線控制在6.0m以下）。

3、要保證壩體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，必須保證壩體排滲設(shè)施安全有效運(yùn)行，及時(shí)降低壩體浸潤(rùn)線高度。如果排水設(shè)施失效，將導(dǎo)致初期壩附近孔壓增大，壩體安全系數(shù)降低。因此，控制壩體浸潤(rùn)線高度，保證排洪系統(tǒng)和排滲設(shè)施運(yùn)行正常，對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性非常重要。

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