尾礦庫潰壩滑坡體滑移距離的研究

郭天勇 武偉偉 段蔚平 楊強勝

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司,湖南 長沙 410011；2.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

尾礦庫潰壩滑坡體滑移距離的研究

郭天勇1武偉偉2段蔚平3楊強勝3

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司,湖南 長沙 410011；2.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，尾礦庫一旦發(fā)生潰壩事故，將產(chǎn)生巨大沖擊力和破壞力。為了在有限的應急處置時間內(nèi)制定及時有效的應急避險預案，減少潰壩后的人員傷亡、經(jīng)濟損失和生態(tài)環(huán)境破壞，需要正確估算潰壩后尾礦掩埋區(qū)滑移范圍，即主要確定潰壩滑坡體滑移距離。針對尾礦庫潰壩滑坡體滑移距離估算，提出了剛體沿折面滑動和剛體沿圓弧曲面滑動的2種滑動模型，分別建立了潰壩滑坡體滑移距離的計算公式。重點分析了擴散角、摻氣深度、空氣阻力、滑移體高度、殘余強度、撞擊動壓力和攔擋壩等尾礦庫潰壩發(fā)生滑移所涉及到的幾個主要問題。通過實例計算，2種滑動模型的計算結(jié)果都與實際情況較為接近，可為今后尾礦庫的安全管理以及選址提供參考。

尾礦庫 潰壩 滑動模型 滑移距離

我國是世界礦業(yè)大國，各類礦山尾礦庫總數(shù)以萬計。尾礦庫一旦發(fā)生潰壩，往往造成特別重大的安全、環(huán)保事故。近年來發(fā)生的中、小尾礦庫的潰壩事故，如陜西鎮(zhèn)安金礦尾礦庫、山西襄汾鐵礦尾礦庫等，均給下游人民生命財產(chǎn)造成特別重大的損失。尾礦庫潰壩時突發(fā)性強，瞬時流量極大、流速高，雖歷時僅數(shù)10秒，在壩下游一定范圍內(nèi)其破壞力具有毀滅性。因此，在有限的應急處置時間內(nèi)，在可能被尾礦掩埋的范圍里，使居民迅速撤離，是尾礦庫應急避險預案的重要內(nèi)容，我國四川會東老虎巖尾礦庫、河南欒川甘澗溝尾礦庫，雖因超標準洪水潰壩，都因撤離及時，未造成下游居民的人員傷亡。

尾礦庫潰壩時壩體滑移的距離有很大的差異，如鎮(zhèn)安金礦僅400 m左右，襄汾鐵礦約1 000 m，而四川會東老虎巖尾礦庫達數(shù)千米之遠。因此探索尾礦庫潰壩壩體大滑動時影響掩埋區(qū)滑移范圍的主要因素和計算方法，為尾礦庫應急預案提供理論依據(jù)，是當前急待解決的問題。

分析滑坡體的滑移距離，除分析滑移動力外，必然涉及滑移阻力，即滑移過程中的動摩擦角、動凝聚力和其他阻力，本研究采用2種潰壩滑動模型對廣泛應用的上游式濕法堆積尾礦庫進行分析，并進行了實例計算，以供干法堆存尾礦庫和土、石初期壩設(shè)計人員參考。

1 滑動模型

鎮(zhèn)安金礦和襄汾鐵礦尾砂庫都未經(jīng)正規(guī)設(shè)計，邊坡均小于1∶2，均處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，可假定滑動面平行于堆積壩坡面。對絕大多數(shù)較緩堆積壩坡的尾砂庫，其滑弧形態(tài)應有所不同，宜按圓弧滑動面分析。故而建立2種滑動模型，對應每種滑動模型均進行了實例計算。

1.1 剛體沿折面上的滑動

假設(shè)滑移面為折面ABC(如圖1所示)，滑坡體為剛性，失穩(wěn)后沿AB面做直線加速運動，再沿BC面做直線減速運動。

圖1 滑體沿折面滑動示意

如圖1所示，剛體在自重下沿AB面下滑可得出其下滑速度為

(1)

式中，φ為坡體內(nèi)摩擦角。

由式(1)可知：在AB滑面上作加速運動的必要條件是tanα>tanφ。

設(shè)BC滑面tanφ

(2)

考慮到壩下游地形tanβ<0.3，則1/(cosβ)≈1.0，上式還可以簡化為

(3)

為何壩體滑動從臨界安全狀態(tài)起始，迅速轉(zhuǎn)化為高速滑動，有以下幾種觀點：

(1)觸變性。土力學中觸變性指抗剪強度受擾動后大幅降低，靜置后又恢復增長的性質(zhì)(見圖2)。一般塑性較大的黏土，其觸變性也大，但在觸變性小的砂中，摻入少量的黏粒，就可以使砂粒具有非常明顯的觸變性。因高塑性黏土的抗剪強度可以僅用凝聚力C值來表示，故觸變性常用Kcn表示，

Kcn=C1C2,

(4)

大多數(shù)黏土的Kcn值介于2～4之間。

圖2 觸變示意

由于尾礦壩滑坡體滑移速度極快，時間在數(shù)10秒內(nèi)，滑移過程中，滑動體處于失重狀態(tài)，不應考慮結(jié)構(gòu)恢復后強度，宜采用結(jié)構(gòu)破壞后強度C3，其觸變性宜采用

Kcn=C1C3,

(5)

同時，對尾礦砂性土而言，其強度宜用φ值表示。

(2)液化。砂性土有效粒徑d10<0.1 mm，不均勻系數(shù)Cv<5的比較圓滑的砂粒，含有少量黏性土時，在一定條件下，飽和砂土受到突然動荷的作用，孔隙水壓力突然增加，使砂粒之間不再接觸，互不依靠地懸浮在水中，整個砂體呈懸液狀態(tài)，完全失去抗剪強度，這是典型的液化。實際可能還存在部分的非液化，還有部分殘余抗剪內(nèi)摩擦角。

(3)汽化。飽和巖土滑動面(帶)的摩擦生熱，使孔隙水汽化，氣體壓力足以支承巖土并起到潤滑作用，使摩擦力幾乎降為0。

(4)氣墊?；麦w離開滑弧面后，由于地形的局部起伏，可使下部空氣以氣墊方式起支承作用，從而減小滑過該段的摩擦力。綜上所述，滑坡體起滑后，影響殘余內(nèi)摩擦角的因素非常復雜，φ值將大幅度下降，殘余內(nèi)摩擦角的取值應根據(jù)尾礦堆積壩的類型分別采用不同的數(shù)值。尾礦壩壩前區(qū)尾砂較粗，其固結(jié)快剪強度φ值一般在32°左右，按殘余強度為1/4考慮，由于tanφ對滑移距離非常敏感，取φ=8°，尚待實驗進一步驗證。

1.2 算 例

以陜西鎮(zhèn)安金礦和山西襄汾鐵礦尾礦庫潰壩事故為例，分析滑移距離計算情況。

(1)鎮(zhèn)安金礦?？倝胃邽?0 m，尾礦上游法排放，山皮土筑子壩，滑移時正在壩頂進行六期子壩施工作業(yè)的4人被滑移到壩外350 m處，均存活。根據(jù)上述公式計算可得：滑坡體平均坡比為1∶1.5，tanα=0.667，壩下游平均坡比1∶20，tanβ=0.05；滑移時殘余內(nèi)摩擦角取φ=8°，tan8°=0.141，則按式(3)計算為

(2)襄汾鐵礦。總壩高52.4 m，上游尾礦排放，旋流后筑子壩滑移距離1 000 m左右，滑坡體平均坡比為1∶1.38，tanα=0.714，壩下游平均坡比1∶10，tanβ=0.1；滑移時殘余內(nèi)摩擦角取φ=8°，tan8°=0.141，則計算可得

1.3 剛性滑動體沿圓弧曲面上滑動

正常設(shè)計和運行管理的尾礦壩，壩體是穩(wěn)定安全的，壩坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)應滿足設(shè)計規(guī)范的要求。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，其最不利圓弧位置具有相對穩(wěn)定性。當發(fā)生意外情況，下游坡腳發(fā)生局部破壞，沿該滑弧面滑動的可能性最大，故可以此弧面為準，進行滑移動力分析。

如圖3，設(shè)滑坡體滑弧面為弧ABC，CD為下游緩曲面滑移區(qū)。將滑坡體水平長度n等分(n≥8)，豎直條帶寬度ΔL，編號由下往上，條帶i上除自重Wi(地下水位以上為濕容重，以下為飽和容重)外，其他各力見圖4。

圖3 滑弧面示意

圖4 滑塊受力分析示意

(6)

式中，g為自由落體加速度；

(7)

在高速滑移過程中，不計孔隙水壓力和凝聚力影響，則可進一步簡化為

(8)

從式(7)可以看出：當tanαi>tanφi，ax為正值，表明滑坡體滑動力大于阻滑力，產(chǎn)生滑動加速度；當tanαi

在公式推導中取ax/ay=tanαi，是考慮到ax/g<1.0，松散滑坡體在重力作用下具有形狀調(diào)節(jié)功能保持在滑弧支承面上的運動?；麦w是連續(xù)整體，各條塊的ax是相同的，而ay受滑面限制，故與滑面斜率有關(guān)。

當滑坡體越過圖3C點進入CD緩曲面滑移區(qū)，僅將αi改為βi即可。若tanβi≥tanφi滑坡體仍呈加速度運動，若tanβi

滑移距離計算步驟如下：

(1)根據(jù)壩坡穩(wěn)定靜力計算，得出最小邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的滑弧斷面，假定由于某種突發(fā)原因，引發(fā)滑坡體在該滑弧面上高速滑動。

(2)將滑坡體分為N個垂直分條，各分條寬均為ΔL，對各分條由下而上進行編號，計算各分條質(zhì)量Wi，滑面中心坡角αi、tanαi和Wi/W值，分析滑面殘余摩擦角φi，計算tanφi,Di等值。

(3)取滑坡體高速滑動起始時刻t0；當滑坡體依次水平滑移ΔL時，分別計算為t1、t2、t3等。

(4)計算t0=0時，滑坡體水平滑移加速度ax0，則t=t0時滑移速度為

相應所需時間為

t1=t0+ΔT1.

(5)當t=t1時，計算t=t2時的滑移速度為

t2=t1+ΔT2.

(6)依此類推，連續(xù)計算，直到滑移停止。最后得出最終滑移距離和滑移時間，并可得出各時間的滑移速度，加速度的變化規(guī)律。

若考慮滑坡體全部滑出C點后，滑移區(qū)坡面平直，坡面角均為β，則公式(6)還可以進一步簡化：

(9)

式中，

(10)

由于已求得滑坡體全部滑出C點的滑出速度Unx，則全部滑移距離為

(11)

(12)

考慮到殘余內(nèi)摩擦角的誤差，建議尾礦庫潰壩滑坡體滑移距離計算安全系數(shù)取1.5～2.0。

1.4 算 例

現(xiàn)以簡單算例說明上節(jié)公式使用?；麦w斷面如圖5，將滑坡體分為8條，條寬20 m，下游坡面tanβ=0.10，滑面上殘余內(nèi)摩擦角取φ=8°，C=0，滑體內(nèi)均不存在孔隙水壓力。

圖5 算例滑弧分段示意

計算結(jié)果如表1和圖6所示。計算結(jié)果表明，起滑后總計歷時62.44 s，滑坡體滑弧區(qū)最大滑移速度21.99 m/s，滑坡體全部離開滑弧區(qū)時滑移速度為21.00 m/s，下游最大滑移距離698 m。尾礦庫下游潰壩危險區(qū)范圍可根據(jù)其等別定為1 050 m或1 400 m。

表1 U-t關(guān)系表

圖6 U～T關(guān)系圖

2 滑坡體滑移中的幾個問題的探究

(1)擴散角。當尾礦庫下游為寬闊的的坡地，滑坡體在滑移范圍內(nèi)仍處于高速運動時，因無側(cè)向限制，而產(chǎn)生一定程度的擴散，在高速水流中，擴散角tanθ一般在0.1左右，在計算撤離安全范圍時，宜取tanθ=0.15。

(2)摻氣深度。當高速水流U>6～7 m/s時，要考慮水流的摻氣，所謂摻氣，就是高速水流挾帶空氣并進行混合的過程。潰壩尾礦滑坡體，因黏度較大，故摻氣量應大幅減小。

(3)空氣阻力。尾礦庫潰壩時，峰值流量大，流速高，前沿立面高，應考慮單寬迎風面空氣阻力。

(4)滑移體高度：滑移體在未滑動時，條帶單寬體積為ΔL·Hi；當滑移后由于滑坡體內(nèi)存在前后速度差和沿程沉積，故滑坡體高度存在下降的趨勢?；麦w不是同時沉積，而是沿程不斷沉積?；麦w沉積范圍遠大于未滑動前的平均面積，沉積后的滑坡體體積不變，但厚度相差不大，最大厚度不超過平均厚度的1倍。最大厚度在扇形中心附近。

(5)殘余內(nèi)摩擦角。尾礦滑坡體滑移計算中最大的問題是尾砂殘余內(nèi)摩擦角如何確定，由于缺乏試驗研究，取值不當將產(chǎn)生較大誤差，從鎮(zhèn)安金礦和襄汾鐵礦2個尾礦庫滑移距離的實際情況通過試算，采用殘余內(nèi)摩擦角φ=8°計算結(jié)果比較吻合實際。由于該2個算例堆積壩坡比較接近，雖全尾礦顆分相差較大，但在潰壩大滑動時，滑弧伸入壩體范圍均在飽和粗尾砂區(qū)，其固結(jié)快剪強度指標卻相差不大。飽和狀態(tài)殘余內(nèi)摩擦角也相近，刪除其他影響因素，取殘余內(nèi)摩擦角是否帶有某種必然性，還要通過試驗論證后確認。對于非飽和的干式尾礦，根據(jù)某些黃金礦山堆浸場邊坡滑動，其殘余內(nèi)摩擦角應在16°以上。

(6)撞擊動壓力。尾礦高速滑移時作用在建筑物上的動壓力一般會很大，一般建筑物將無法抵擋。

(7)攔擋壩。為減小滑移區(qū)距離，減小下游污染范圍，宜采取必要的工程措施進行攔擋。攔擋壩宜布置在計算滑移長度的1/2～3/4處，以減小攔擋壩的結(jié)構(gòu)斷面，和滿足突發(fā)滑坡體的庫容，并留有1.0 m安全超高。尾礦沉積灘頂坡度較緩，一般僅為1%～3%，由于尾礦庫匯水面積很小，即使排洪系統(tǒng)全部失效，超標準下泄流量也僅以10 m3/s為單位，單寬流量在灘頂?shù)臎_刷較小，主要反映在對下游坡腳的溯源沖刷上，而滑移體峰值流量一般以103m3/s為單位，相差數(shù)百倍，故突發(fā)滑坡體的體積可根據(jù)靜力穩(wěn)定分析進行計算。攔擋壩上游面宜直立，以防尾砂大量翻越。攔擋壩結(jié)構(gòu)斷面應能抵抗動壓力的穩(wěn)定安全，穩(wěn)定性安全系數(shù)應大于1.5。攔擋壩中間最大壩高處宜設(shè)泥石流通道，其斷面能排除大滑坡后的潰壩流量，可按設(shè)計洪峰流量考慮。

3 結(jié) 語

由于尾礦庫潰壩涉及到的因素較多，潰壩機理較為復雜，目前還沒有一種成熟、通行的方法能夠較為準確地計算出尾礦庫潰壩滑移距離。而本研究所采用的2種滑動模型計算結(jié)果與實際情況較為接近，這為尾礦庫潰壩分析提供了一種新的思路，同時還討論了具體計算參數(shù)的取得和潰壩后造成的傷害程度(如對建筑物的撞擊動壓力)以及攔擋壩設(shè)計考慮因素。但鑒于缺乏相關(guān)實測和試驗資料，故今后還需通過試驗，進一步對2種計算方法進行完善。

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(責任編輯 石海林)

SlipDistanceEstimationofTailingDam-breakLandslide

Guo Tianyong1Wu Weiwei2Duan Weiping3Yang Qiangsheng3

(1.ChangshaEngineering&ResearchInstituteLtd.ofNonferrousMetallurgy，Changsha410011，China；2.BeijingGuoxin'ankeTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100160，China；3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)

Tailing pond is a great dangerous source of man-made mud-rock flow with high potential energy.Tailings dam-break accident will result in huge impact and destruction when it happens.In order to make emergency hedge plan timely and effectively at the limited time of emergency disposal to reduce the casualties，economic losses，and destruction of ecological environment caused by dam collapse，the slip range the buried tailing area after dam-break need to be correctly estimated，that is，mainly determining the slip distance of dam landslide.In view of the sliding distance estimation of dam-break landslide of tailings，two kinds of sliding model，the rigid sliding along the fold surface model and the rigid sliding along the circular arc surface model，are introduced，and their calculation formulas for dam landslide slip distance are set up.Several main problems related to the landslide of tailings dam-break including diffusion angle，aeration depth，air resistance，slip body height，residual strength，impact several main problems of dynamic pressure and dam are discussed.Through calculation，the results of the both sliding models approach to the actual situation.The two models can provide the reference for the safety management as well as the location of the tailings.

Tailings dam，Dam-break，Sliding model，Slip distance

2014-09-29

郭天勇(1961—)，男，教授級高級工程師。

TD926

A

1001-1250(2014)-12-193-05