綦江鐵礦尾礦庫加高擴(kuò)容的穩(wěn)定性研究

呂志濤 靳曉光 李亞勇 王洪科

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400031)

綦江鐵礦尾礦庫加高擴(kuò)容的穩(wěn)定性研究

呂志濤1,2靳曉光1,2李亞勇1,2王洪科1,2

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400031)

為研究尾礦庫加高擴(kuò)容以及浸潤線升高對其穩(wěn)定性的影響，以重慶綦江鐵礦尾礦庫為研究對象，利用瑞典條分法分別計(jì)算現(xiàn)有尾礦庫及其加高擴(kuò)容后在正常水位及洪水位狀態(tài)下的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)有尾礦庫在正常水位及洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)分別為1.90、1.63，均大于規(guī)范所規(guī)定的最小安全系數(shù)1.1，洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)較正常水位降低14.21%；尾礦庫加高擴(kuò)容后在2種水位下安全系數(shù)分別為1.27、1.17，尾礦庫加高擴(kuò)容引起安全系數(shù)降低。尾礦庫加高擴(kuò)容及浸潤線高度升高，導(dǎo)致尾礦庫安全系數(shù)有較大降低，幾乎沒有安全儲備，滑動(dòng)面深度及滑體半徑有顯著增大。因此，建議尾礦庫加高擴(kuò)容后應(yīng)控制尾礦庫浸潤線位置，同時(shí)增強(qiáng)保護(hù)措施，加強(qiáng)監(jiān)測管理，規(guī)范運(yùn)行，防止尾礦庫發(fā)生垮塌事故。

尾礦庫 浸潤線 瑞典條分法 安全系數(shù)

尾礦庫是用以貯存金屬非金屬礦山礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是礦山三大控制性工程之一[1]。我國尾礦庫數(shù)量多、規(guī)模小、安全度水平低，許多中小尾礦庫未經(jīng)過正規(guī)設(shè)計(jì)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，我國在已經(jīng)確定安全度的1 035座尾礦庫中，正常庫共643座，占總數(shù)的62.1%；非正常庫共392座，占總數(shù)的37.9%，其中危庫61座，占總數(shù)的5.9%；險(xiǎn)庫共69座，占總數(shù)的6.7%；病庫共262座，占總數(shù)的25.3%[3]。大量資料表明，自建國以來，我國發(fā)生較嚴(yán)重的尾礦庫災(zāi)害事故有11例，累計(jì)造成654人死亡(含失蹤)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[4]。我國安監(jiān)局對2001年以來尾礦庫事故發(fā)生的原因情況統(tǒng)計(jì)得出：洪水漫頂引起的事故占事故總數(shù)的23%，為尾礦庫發(fā)生破壞的主要誘因。隨著礦山的快速發(fā)展，許多已有尾礦庫都面臨加高擴(kuò)容的情況。因此，研究尾礦庫加高擴(kuò)容及庫區(qū)浸潤線升高對其穩(wěn)定性的影響具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

極限平衡法和數(shù)值分析法是尾礦庫穩(wěn)定性分析的主要方法。極限平衡法[5]是目前最經(jīng)典的確定性分析方法，1916年由彼德森提出。極限平衡分析方法具有分析模型簡單、計(jì)算公式簡單、可以解決各種復(fù)雜剖面形狀和考慮各種加載形式等優(yōu)點(diǎn)，在工程中獲得廣泛應(yīng)用[6-7]。尾礦庫的浸潤線有尾礦庫的生命線之稱[8]，我國尾礦庫設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：在作壩體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，浸潤線須按正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行2種工況分別給出。許多學(xué)者研究了浸潤線位置對尾礦庫穩(wěn)定性的影響[9-11]。

為研究綦江尾礦庫加高擴(kuò)容的可行性，利用瑞典條分法分別計(jì)算現(xiàn)有尾礦庫在正常水位和洪水位下的安全系數(shù)，以及加高擴(kuò)容之后尾礦庫在正常水位和洪水位下的安全系數(shù)，為尾礦庫安全運(yùn)行管理提供參考依據(jù)，具有重要的工程意義。

1 工程概況

綦江鐵礦原尾礦庫工程始建于20世紀(jì)70年代初，尾礦庫周圍有重要的交通設(shè)施和居民聚集居住區(qū)，一旦發(fā)生事故影響重大。為滿足現(xiàn)階段尾礦庫存放尾礦的條件和根據(jù)業(yè)主的要求，需要對尾礦庫進(jìn)行加固、加高擴(kuò)容。擴(kuò)容后延長尾礦庫的服務(wù)年限15～20 a，最終堆積標(biāo)高達(dá)555 m，屆時(shí)總壩高達(dá)118 m。根據(jù)《ZBJ1—90 選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，綦江尾礦庫為三等庫。

2 尾礦庫浸潤線位置

綦江鐵礦尾礦庫位于陡峭狹長的溝谷內(nèi)，地形蜿蜒曲折，對堆積壩坡穩(wěn)定有利。穩(wěn)定計(jì)算剖面經(jīng)過分析比較，最終選定相對最不利于穩(wěn)定的Ⅰ-Ⅰ剖面進(jìn)行分析(如圖1)。

圖1 穩(wěn)定分析斷面平面

根據(jù)《ZBJ1—90 選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體上游最高水位位置可依據(jù)上游式尾礦壩最小安全超高與最小灘長的規(guī)定確定，下游自由溢出點(diǎn)位置根據(jù)現(xiàn)場觀測確定，經(jīng)觀測尾礦庫下游自由溢出點(diǎn)位于初期堆石壩壩腳部位。由于尾礦場內(nèi)部地形起伏、溝谷曲折，在確定現(xiàn)狀剖面的浸潤線時(shí)，考慮到滲流水流的主流還是沿主河溝方向流動(dòng)，所以滲流計(jì)算斷面選取通過初期壩而沿主河溝的斷面，根據(jù)地質(zhì)剖面圖繪出現(xiàn)狀條件相應(yīng)確定坡面的浸潤線?，F(xiàn)有尾礦庫和其加高擴(kuò)容后在正常水位和洪水位狀態(tài)下的浸潤線位置分別如圖2、圖3所示。

圖2 現(xiàn)有尾礦庫浸潤線示意

圖3 尾礦庫加高擴(kuò)容后浸潤線示意

3 極限平衡分析

3.1 計(jì)算荷載及安全系數(shù)取值

根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》確定不同運(yùn)行狀態(tài)下尾礦庫極限平衡所采用的荷載。本文選用最不利狀態(tài)荷載組合進(jìn)行尾礦庫極限平衡計(jì)算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，三級尾礦庫正常水位和洪水位狀態(tài)下最小安全系數(shù)分別為1.20和1.10。

3.2 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及綦江尾礦庫地勘資料，綦江尾礦庫壩體穩(wěn)定分析時(shí)所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 現(xiàn)有尾礦庫安全系數(shù)

現(xiàn)有尾礦庫在正常水位及洪水位狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果圖4所示?？梢钥闯?，滑動(dòng)面呈圓弧形，正常水位狀態(tài)下現(xiàn)有尾礦庫滑動(dòng)面分布較淺，位于浸潤線上方，滑動(dòng)體體積較?。缓樗粻顟B(tài)下，滑動(dòng)面位置顯著加深，位于浸潤線位置下方，且滑體體積及半徑較洪水位狀態(tài)有顯著增大。同時(shí)可以看出，2種水位狀態(tài)下現(xiàn)有尾礦庫的滑動(dòng)面位于初期壩和一期子壩的交接位置，從堆石體壩體剪出破壞。這主要是由于現(xiàn)有堆積體對尾礦庫的初期壩有較大的水平推力，且初期壩為堆石壩，堆填料處于松散狀態(tài)，受堆積體水平推力初期壩發(fā)生剪切破壞。正常水位狀態(tài)下現(xiàn)有尾礦庫安全系數(shù)為1.90，滑體半徑為32 m；洪水位狀態(tài)下現(xiàn)有尾礦庫安全系數(shù)為1.63，滑體半徑為57 m。洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)較正常水位狀態(tài)降低14.21%，滑體半徑增大78.13%。由此可見浸潤線升高使得尾礦庫安全系數(shù)顯著降低，且滑體半徑顯著增大?，F(xiàn)有尾礦庫正常水位及洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，現(xiàn)有尾礦庫處于穩(wěn)定狀態(tài)，且具有加高擴(kuò)容的空間，但應(yīng)注意浸潤線位置對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，同時(shí)加強(qiáng)堆石壩的加固措施，避免堆石壩處發(fā)生剪切破壞。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖4 現(xiàn)有尾礦庫的計(jì)算結(jié)果

3.3.2 尾礦庫加高擴(kuò)容后安全系數(shù)

尾礦庫擴(kuò)容后正常水位及洪水位狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從中可以看出，滑動(dòng)面呈圓弧形，尾礦庫加高擴(kuò)容后滑動(dòng)面位于上部堆積體內(nèi)，這主要是由于隨著堆積體高度升高，堆積體浸潤線也提高，浸潤線逸出導(dǎo)致初期壩坡滲流、管涌，致使坡面飽和松散，直到堆積體塌滑。

圖5 尾礦庫加高擴(kuò)容后的計(jì)算結(jié)果

此外，正常水位狀態(tài)下尾礦庫安全系數(shù)為1.27，滑體半徑92 m；洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)1.17，滑體半徑92 m。洪水位狀態(tài)下，尾礦庫安全系數(shù)較正常水位降低7.87%，浸潤線升高時(shí)尾礦庫安全系數(shù)有所降低。尾礦庫加高擴(kuò)容后，較現(xiàn)有尾礦庫在2種水位下安全系數(shù)分別降低33.16%與28.22%，滑體半徑分別增大187.5%與61.4%。通過以上分析可知，尾礦庫加高擴(kuò)容后，尾礦庫的滑動(dòng)面位置加深，滑體半徑增大；浸潤線位置的提高使得尾礦庫安全系數(shù)降低，但浸潤線位置的改變并不對滑動(dòng)面產(chǎn)生影響。尾礦庫擴(kuò)容后安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.1，尾礦庫在最終堆積狀態(tài)下也是安全的，這雖然說明尾礦庫進(jìn)行加高擴(kuò)容延長服務(wù)時(shí)間是可行的，但是其安全系數(shù)較低，幾乎沒有安全儲備，這種情況下應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測管理，規(guī)范運(yùn)行，防止事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)有尾礦庫在正常水位和洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)分別為1.90與1.63，浸潤線提高使得安全系數(shù)顯著降低?，F(xiàn)有尾礦庫安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)，尾礦庫處于安全狀態(tài)，具備加高擴(kuò)容的空間。

(2)尾礦庫加高擴(kuò)容后在正常水位和洪水位狀態(tài)下安全系數(shù)分別為1.27與1.17，尾礦庫加高擴(kuò)容使得安全系數(shù)顯著降低。滑裂面位于上部堆積體，且滑體深度及滑體半徑較現(xiàn)有尾礦庫顯著增大。

(3)尾礦庫加高擴(kuò)容和浸潤線位置提高均會對尾礦庫安全系數(shù)造成不利影響，現(xiàn)有尾礦庫安全系數(shù)大于規(guī)范允許值，具有加高擴(kuò)容的空間。尾礦庫加高擴(kuò)容后安全系數(shù)仍大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)，但安全系數(shù)較低，幾乎沒有安全儲備。尾礦庫加高擴(kuò)容后，應(yīng)控制尾礦庫浸潤線位置高度，同時(shí)加強(qiáng)安全監(jiān)測管理，規(guī)范運(yùn)行，防止尾礦庫發(fā)生垮塌事故。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Research on Stability of Tailing Pond in Qijiang Iron Mine After Storage capacity Enlarging

Lu Zhitao1,2Jin Xiaoguang1,2Li Yayong1,2Wang Hongke1,2

(1.CollegeofCivilEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing，400045，China;2.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaoftheMinistryofEducation，ChongqingUniversity,Chongqing400030，China)

Qijiang Iron Mine's tailing pond is selected as an object to study the effect of capacity dilatation and saturation line increase on the stability of tailing pond.Safety factors of the orginal tailing pond and the tailing pond after enlarging capcacity under normal water level and flood level are calculated by using Sweden slicing method.As a result，the safety factor of the present tailing pond under normal water level and flood level are 1.90 and 1.63 respectively，which are all greater than 1.1 that is the minimum safety factor stipulated by the corresponding specifications.The safety factor under flood level decreases by 14.21%，compared to that under normal water level.Safety factor of tailing pond after enlarging capacity under two water levels are 1.27 and 1.17，so the enlarging results in the lower safety factor.It can be seen that the safety factor of tailing pond decreases with the increase of storage capacity and saturation line；however，the volume and radius of the sliding body increase largely.Although the safety factor of the tailing pond after enlarging capacity is still greater than the minimum safety factor，it has little emergency capacity.Thus，it is suggested that the saturation line of the tailing should be controlled after enlarging capacity，and the protective measures and monitoring management should be enhanced to avoid the happen of accidents after enlarging the capacity of tailing pond.

Tailing pond，Saturation line，Sweden slice method，Safety factor

2014-11-26

重慶市應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目(編號:CSTC2013YYKFA30003)。

呂志濤(1990—)，男，碩士研究生。

TD21

A

1001-1250(2015)-03-183-04