某上游式尾礦壩安全性評價方法分析研究

段偉強，崔世新

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊 050021)

某上游式尾礦壩安全性評價方法分析研究

段偉強，崔世新

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊 050021)

尾礦庫安全性評價在尾礦庫運行中是一項至關(guān)重要的工作。本文借助實際工程實例，使用規(guī)范規(guī)定的計算方法和公式，結(jié)合工程力學和流體力學基礎(chǔ)理論知識，研究了尾礦庫壩坡穩(wěn)定性和尾礦滲流穩(wěn)定性的評價方法和計算過程，對現(xiàn)有的尾礦庫安全性進行了評價。同時，通過實驗室重塑性試驗取得了尾礦體的各項參數(shù)，應(yīng)用二維邊坡穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性計算軟件對尾礦庫的穩(wěn)定性進行了計算，對比解析法和數(shù)值法計算結(jié)果的異同，分析了產(chǎn)生差異的原因，為尾礦庫安全性評價工作提供借鑒。

尾礦庫 穩(wěn)定性 安全性 滲流量

Duan Wei-qiang, Cui Shi-xin. Methodology of the safety evaluation for tailings dams[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(4):0783-0788.

0 前言

尾礦庫是指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行礦石選別后排出尾礦或工業(yè)廢渣的場所(AQ2006-2005，2005)。它的安全性不僅影響到礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且與庫區(qū)下游居民的生命財產(chǎn)及周邊環(huán)境緊密相關(guān)。我國是一個礦業(yè)資源大國，現(xiàn)有尾礦庫2600多座，尾礦庫垮塌事故時有發(fā)生，給國家和人民生命財產(chǎn)造成重大的損失(劉戀等，2013)。鑒于此，河北省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局下發(fā)文件，要求河北省內(nèi)現(xiàn)有的運行礦山每三年要進行一次尾礦庫穩(wěn)定性及安全性評價，已關(guān)閉和將要關(guān)閉的尾礦庫要進行閉庫安全性評價。本文的尾礦庫安全性分析評價研究課題就是在此背景下進行的。

1 評價內(nèi)容、方法及解析法計算

1.1 規(guī)范要求

尾礦壩是尾礦構(gòu)筑物的主體，影響尾礦堆積壩穩(wěn)定的因素很多，如壩體內(nèi)浸潤線的高低、沉積灘長度、尾礦堆積壩坡度、排洪系統(tǒng)等(常士驃等，2006)。

根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)范》)的要求，尾礦初期壩與堆積壩壩坡的抗滑穩(wěn)定性應(yīng)根據(jù)壩體材料及壩基巖土的物理力學性質(zhì)，考慮各種荷載組合，經(jīng)計算確定。計算方法宜采用瑞典圓弧法。當壩基或壩體內(nèi)存在軟弱土層時，可采用改良圓弧法?？紤]地震荷載時，應(yīng)按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進行計算(DL5073-2000，2000)。尾礦壩應(yīng)進行滲流計算，以確定壩體浸潤線、逸出坡降和滲流量。浸潤線出逸的尾礦堆積壩壩坡，應(yīng)設(shè)排滲設(shè)施，1、2級尾礦壩還應(yīng)進行滲流穩(wěn)定研究(ZBJ1-90，1990；AQ2006-2005，2005)。

1.2 解析法滲流計算

某尾礦庫位于生產(chǎn)區(qū)背面山溝內(nèi)，與生產(chǎn)區(qū)相距400 m，利用自然山溝筑壩而成，形成選廠的尾礦堆積場所，為山谷型尾礦庫。初期壩為碾壓堆石壩，筑壩方式采用上游法。設(shè)計初期壩內(nèi)、外邊坡均為1∶1.6，設(shè)計壩高20 m，壩頂寬4.0 m，壩頂高程546.0 m，壩基高程為526.0 m。尾礦壩內(nèi)坡面設(shè)400g/ m2土工布反濾層一道和0.3 m厚干砌石護面，以保護初期壩內(nèi)坡面和防止堆石壩發(fā)生尾砂滲漏。尾礦壩外坡面設(shè)干砌石護面。設(shè)計總庫容131.48×104m3，總有效庫容量105.18×104m3。

圖1 下游壩坡部分浸潤線計算簡圖Fig.1 Sketch showing calculation of dam downstream saturation line

通過實際勘察，現(xiàn)階段堆積壩由尾礦砂分散堆積放礦而成，分期填筑子壩。堆積壩已完成10級子壩，高20 m，壩頂高程566 m。內(nèi)邊坡1∶2，外邊坡1∶3，干灘長度150 m，干灘平均坡度2%，正常水位標高563 m。

現(xiàn)場的觀測管未見水位，壩體背坡未見滲水，尾礦水均由壩體底部的排水管排除，故認定壩體初期壩上游10 m以上排滲層長期有效。

根據(jù)尾礦庫庫容及壩高，參照《規(guī)范》規(guī)定，確定該尾礦庫為四等庫。根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，3類以下尾礦壩的滲流計算可按規(guī)范附錄A進行。該計算分為兩部分：(1) 將計算條件下的灘長換算為化引灘長，從而得到高于計算庫水位的化引庫水位。按化引庫水位和化引灘長，用二相均質(zhì)滲流計算方法確定浸潤線。取其下游壩坡范圍內(nèi)的線段作為壩下游坡部分的浸潤線。(2) 從下游坡浸潤線上端點至計算庫水位水邊線用對數(shù)曲線連接成光滑曲線，即為沉積灘部分的浸潤線(AQ2006-2005，2005)。

(1) 根據(jù)現(xiàn)場實際情況，放礦水覆蓋絕大部分灘面，下游壩坡部分浸潤線計算簡圖和過程見圖1：

化引庫水位：566-36.56×2%=565.27 m

計算水頭：H=565.37-536=29.37 m

滲透長度：L=20×3-10×1.6+36.56=80.56 m

浸潤線截距：

壩體單寬流量：

表1 下游壩坡浸潤線埋深計算結(jié)果表

圖2 下游壩坡浸潤線Fig. 2 Dam downstream saturation line

從表1可以看出，在壩體下游坡段的浸潤線均位于外壩坡面以下，埋深最大為10.14 m，這與現(xiàn)場的壩體水位檢測孔監(jiān)測的壩體滲透水位基本一致。浸潤線沒有溢出，說明現(xiàn)階段，初期壩上游上部10 m有效排滲能滿足要求，還不需要設(shè)置反濾層。但是，隨著尾礦壩的進一步運行，壩體和水位不斷升高，下游壩坡浸潤線埋深將會變化，必須對尾礦壩的浸潤線進行長期觀測和定期評價，及時做好防滲措施。

(2) 《規(guī)范》要求從下游坡浸潤線上端點(x=44，y=557.99)至計算庫水位水邊線端點(x=194，y=563)，用對數(shù)曲線連接成光滑曲線，見圖3。

圖3 沉積灘浸潤線計算簡圖Fig.3 Calculation of deposition beach saturation line

表2 沉積灘部分浸潤線坐標點

圖4 沉積灘部分浸潤線Fig. 4 Deposition beach saturation line

從圖2和圖4可以看出，尾礦堆積壩浸潤線在下游坡段和沉積灘部分變化規(guī)律是不一致的，下游壩坡浸潤線接近直線，而沉積灘部分浸潤線呈對數(shù)曲線變化。在灘頂斷面位置浸潤線的變化趨勢出現(xiàn)了突變?，F(xiàn)階段，兩部分的浸潤線都是低于壩坡面標高，浸潤線沒有溢出，這說明壩坡面不會出現(xiàn)滲流破壞，而且計算滲流的浸潤線較低，浸潤線最后溢出的部位在初期壩的上游中部位置，滲流的水流將從初期壩的底部位置流出，這和現(xiàn)場觀測的水流從初期壩底部位置流出，背部坡面沒有水流溢出的情況是一致的。

2 數(shù)值模擬法評價

2.1 壩體穩(wěn)定性分析

對于穩(wěn)定性評價數(shù)值模擬中采用的參數(shù)，我們通過現(xiàn)場勘察取樣，在試驗內(nèi)進行尾砂的重塑試驗，再結(jié)合《規(guī)范》中給定的參考值，確定如表3。

表3 各計算參數(shù)取值

穩(wěn)定性計算采用二維極限平衡理論，在geo-slope中建立模型，分別對正常和洪水位工況和特殊工況下進行計算分析，按照瑞典圓弧法進行方法計算其最不利滑動面的抗滑安全穩(wěn)定性系數(shù)，并按照《規(guī)范》規(guī)定的不同工況下壩體抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)的要求，評價壩體的抗滑穩(wěn)定性。本庫區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度取值為0.10 g(GB50011-2010，2010)。

圖5 尾礦壩穩(wěn)定性計算模型Fig.5 Calculation model of tailings dam stability

本次計算分為三種工況，(1) 正常運行，即天然狀態(tài)下，尾礦壩干灘長度150 m，正常水位標高563 m。尾礦壩的有效應(yīng)力組合為筑壩期正常高水位的滲透壓力、壩體自重、壩體及壩基中孔隙壓力。(2) 洪水運行，即在洪水情況下，尾礦壩水位抬升，干灘長度減小，此時尾礦壩干灘長度50 m，水位標高565 m。尾礦壩的有效應(yīng)力組合為壩體自重、壩體及壩基中孔隙壓力、最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力。(3)特殊運行，即在洪水加地震情況下，此時干灘長度50 m，水位標高565 m，地震力影響系數(shù)0.1。尾礦壩的有效應(yīng)力組合為壩體自重、壩體及壩基中孔隙壓力、最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力、地震慣性力。

三種工況尾礦壩穩(wěn)定性計算結(jié)果如表4。

圖6 特殊運行下邊坡穩(wěn)定性計算圖Fig. 6 Slope stability calculation chart under special situation

安全系數(shù)ordinaryBishopJanbuGLE正常運行2292229222872298洪水運行2085208920812094特殊運行1359136213551371

從表4可以看出，正常運行，洪水運行和特殊運行時，壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于《規(guī)范》規(guī)定的1.15、1.05、1.00，說明現(xiàn)階段尾礦壩處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

從圖6中可以看出，特殊運行狀況下，壩坡的滑移面位于下游坡面表層的浸潤線附近，滑移面貫穿尾礦砂和初期壩，但是滑移面的平滑程度不一樣，這是由于尾礦壩和初期壩的堆積材料不同造成的。在尾礦砂中的滑移面基本和水位浸潤線一致，這是由于尾礦砂的強度極易受水的影響，水位浸潤線上下尾礦砂的強度存在極大的差異，水位浸潤線相當于一個軟硬巖土體的分界面，壩坡的滑移會沿著軟硬分界面進行，這和我們的理論研究認識是一致的。而在初期壩中的滑移面就較淺，這是由于初期壩是由碾壓塊石堆積的透水壩，水對初期壩的穩(wěn)定性無影響，同時壩體的材料強度大于尾礦砂的強度。

從表4計算結(jié)果可以看出，特殊運行狀況下，壩坡穩(wěn)定性系數(shù)降低的幅度特別大。這是由于堆積的尾礦砂和原有初期壩形成了新的邊坡，尾礦砂成為影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。尾礦砂主要是粉細砂，由于尾礦砂的堆積，洪水導致的地下水位升高，尾礦砂大部分都處于地下水位面以下，處于飽和狀態(tài)。在受到地震震動時有變緊密的趨勢，這種趨于緊密的作用導致孔隙水壓力驟然上升，在地震過程的短暫時間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力減小，當有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，產(chǎn)生沙土液化現(xiàn)象。液化后使得原本物理力學參數(shù)就很小的尾礦砂物理力學參數(shù)進一步急劇降低和喪失，c、φ趨于0，造成尾礦砂和原有初期壩產(chǎn)生較大規(guī)模的滑移。

2.2 壩體滲流穩(wěn)定分析

堆積壩已完成10級子壩，高20 m，壩頂高程566 m。內(nèi)邊坡1∶2，外邊坡1∶3，干灘長度150 m，干灘平均坡度2%，正常水位標高563 m。按照規(guī)范計算所得，化引灘長36.56 m，化引庫水位565.27 m。按照上述參數(shù)建立的壩體的滲流模型如圖7。

圖7 尾礦壩滲流模型Fig. 7 Calculation model of tailings dam seepage

由于壩體材料存在飽和區(qū)域和非飽和區(qū)域，在一定的正負壓力值范圍內(nèi)定義合適的滲透系數(shù)方程來反映不同飽和度的變化是一種非常好的處理方法。尾礦砂的滲透性與孔隙壓力呈曲線關(guān)系，隨著孔隙水壓力的消散增加，滲透系數(shù)范圍位于1×10-5～1×10-6m/s之間。

計算得到該尾礦庫正常運行期間和洪水運行期間的浸潤線、總水頭、單寬流量、流線等分布，計算結(jié)果見圖8、9。

從圖8和圖9可以看出，正常運行時浸潤線的變化曲線和埋深與解析法計算的結(jié)果是一致的，浸潤線分為兩部分，下游壩坡曲線和沉積灘曲線，初期壩初始滲流點在初期壩上游10 m處，這和解析法根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定的滲流位置是一致的。正常運行和洪水期運行尾礦壩浸潤線均沒有溢出下游壩坡，滿足《規(guī)范》要求。浸潤線在初期壩和尾礦堆積壩交界面處有明顯的變化，這是由于尾礦砂和初期壩材料不同的滲透系數(shù)造成的。洪水期浸潤線埋深小于正常運行浸潤線，這是由于洪水期運行時由于降雨導致尾礦壩蓄水量增加，水位抬升，干灘長度減小，滲流的水頭高度增加導致的。

圖8 正常運行尾礦壩滲流圖Fig. 8 Calculation results of tailings dam seepage under normal situation

圖9 洪水期運行尾礦壩滲流圖Fig. 9 Calculation results of under flood situation tailings dam seepage

正常運行和洪水期運行的總水頭都是由壩體上游向下游依次減小，在初期壩和尾礦堆積壩交界面處有明顯的突然變小的趨勢，這是由于兩種材料的不同滲透系數(shù)造成的。

正常運行時的單寬流量為4.33×10-5m3/s，這和解析法的計算結(jié)果接近。洪水期單寬流量為5.32×10-5m3/s，正常運行比洪水期單寬流量小，說明在洪水期尾礦壩更易發(fā)生管涌、流沙等破壞性極大的潰壩風險，應(yīng)加強洪水期尾礦壩的檢查監(jiān)測工作。正常運行時從標高565 m左右，到530 m左右，總水頭高約35 m，滲流路徑長約242 m，洪水期運行時從標高575 m開始，到530 m左右，總水頭高約45 m，滲流路徑長約242 m，洪水期的水利梯度比正常運行時大，流速快，在面積相同的條件下，洪水期的流量比正常運行期的流量大。

正常運行和洪水期運行的滲流流線變化趨勢是一致的，在尾礦砂中從高水位到低水位平穩(wěn)降低，在初期壩上游10 m的位置突然變化，流線都位于初期壩的底部，這是由于在初期壩上游10 m的位置存在排滲管道，建模時進行了處理，水沿著排滲管道從初期壩的底部直接排除了壩體，這和現(xiàn)場實際情況是一致的。

3 小結(jié)

本文借助具體的工程實例，依據(jù)《規(guī)范》對尾礦壩的安全性進行了評價分析，主要分析了尾礦壩壩坡穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性，尤其是利用解析法和數(shù)值模擬法對滲流穩(wěn)定性進行的計算分析，互相驗證了解析法和數(shù)值模擬法計算結(jié)果的正確性，得出了以下結(jié)論：

(1) 尾礦壩在運行過程中，隨著堆積高度的不斷增加，壩體穩(wěn)定性會越來越低，必須在運行的過程中對壩體采取相應(yīng)的支護加固措施。

(2) 特殊運行情況下，尾礦壩受水和地震力雙重作用，尾礦壩穩(wěn)定性急劇減小，極易失穩(wěn)。因此，在尾礦壩設(shè)計中，應(yīng)該充分考慮特殊運行情況，同時，在尾礦壩運行時，應(yīng)該及時排出尾礦庫中的水，降低庫內(nèi)水位，必要時采取尾礦壩加固措施。

(3) 水對尾礦壩的穩(wěn)定性具有極大的影響作用，水的滲流容易對尾礦壩造成破壞，尤其是在洪水期，尾礦壩的浸潤線、滲流量、水利梯度都會增大，對尾礦壩的危害性增大，所以洪水期要對尾礦壩進行重點的檢查監(jiān)測，做好尾礦壩的防護工作。

AQ2006-2005. 2005. Safety technical regulations for the tailings pond[S]. Beijing: China Coal Industry Publishing House: 3-18(in Chinese)

ZBJ1-90. 1990. Specifications for concentrator tailings facility design[S]. Beijing: Standards Press of China: 4-6(in Chinese)

Liu Lian, Hao Qing-qing, Hao Zi-guo, Zhang Jin-qing, Fei Hong-cai. 2013. Current status of the comprehensive utilization of metallic mine tailings in China[J]. Geology and Exploration, 49(3):437-443(in Chinese With Chinese Abstract)

Chang Shi-biao, Zhang Su-ming. 2006. Engineering Geology Manual[M]. Beijing: China Architecture & Building Press:173-174(in chinese).

DL5073-2000. 2000. Specifications for seismic design of hydraulic structures[S]. Beijing: China Electric Power Press: 18-21(in chinese).

GB50011-2010. 2010. Code for seismic design of building[S]. Beijing: China Architecture & Building Press: 173-174(in Chinese)

[附中文參考文獻]

AQ2006-2005.2005.尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社:3-18

ZBJ1-90.1990.選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國標準出版社:4-6

劉 戀，郝情情，郝梓國，張金青，費紅彩.2013.中國金屬尾礦資源綜合利用現(xiàn)狀研究[J].地質(zhì)與勘探,49(3):437-443

常士驃，張?zhí)K民主編.2006.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社:536-554

DL5073-2000.2000.水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社:18-21

GB50011-2010.2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社:173-174

Methodology of Safety Evaluation for Tailings Dams

DUAN Wei-qiang, CUI Shi-xin

(1.NorthChinaNonferrousEngineeringInvestigationInstitute，Shijiazhuang,Hebei050021)

The safety evaluation of tailing dams is a piece of important work in tailings dam operation. Using the data from real project cases and standard calculation methods and formulas, as well as engineering mechanics and fluid mechanics basic, this work analyzes calculation and evaluation methods of the tailings dam slope stability and seepage safety. Meanwhile, ore body parameters are measured by laboratory reshape tests, and the tailings dam slope stability and seepage safety are calculated by the analytical method and numerical simulation, separately. Then this paper compares the differences of the two methods, analyzes their causes. These results provide some references for safety evaluation of tailing dams.

Tailings dam, stability, safety, seepage

2014-01-15；

2014-04-20；[責任編輯]郝情情。

段偉強(1983年-)，男，2008年畢業(yè)于北京科技大學，獲碩士學位，工程師，長期從事地質(zhì)災(zāi)害、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的施工和研究工作。E-mail: dwqcl198247@163.com。

TD76

A

0495-5331(2014)04-0783-6