基于SLIDE的尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性分析

普興林，陳玉明

（昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

基于SLIDE的尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性分析

普興林，陳玉明

（昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

尾礦庫(kù)是礦山工程的重大危險(xiǎn)源和環(huán)境污染源，壩體的穩(wěn)定性關(guān)乎下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文應(yīng)用SLIDE軟件對(duì)云南某礦尾礦壩在正常、洪水、特殊運(yùn)行情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出此尾礦壩的壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)，并對(duì)壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

尾礦壩；極限平衡；穩(wěn)定性；SLIDE

尾礦庫(kù)是一種特殊的邊坡工程，具有特殊的應(yīng)力狀態(tài)，不僅受到地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用，還受到洪水、排水滲壓、地震等荷載影響。某尾礦庫(kù)由于排滲管道堵塞，出現(xiàn)沼澤化和干灘難以固結(jié)的問(wèn)題，現(xiàn)在需要對(duì)尾礦庫(kù)在正常、洪水、特殊運(yùn)行情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行論證，以解決是否可以繼續(xù)堆存尾礦的問(wèn)題。

1 尾礦庫(kù)概況

云南某礦尾礦庫(kù)于2012年2月投入使用，經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)營(yíng)，初期壩已經(jīng)堆滿，壩高21.05m，壩體為基礎(chǔ)設(shè)置排滲棱體的均質(zhì)碾壓土壩，壩內(nèi)坡設(shè)置土工布反濾層。沉積于庫(kù)前的粗顆粒尾砂采用人工堆筑子壩，目前已堆至第二層子壩，標(biāo)高為1 213.73m，相對(duì)于初期壩壩底高差為22.81m。

2 尾礦壩穩(wěn)定性分析

2.1 壩體材料分區(qū)及物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)該礦尾礦庫(kù)巖土工程勘察報(bào)告書(shū)和相關(guān)資料，將計(jì)算體分為4個(gè)區(qū)：一區(qū)：尾礦堆積體(尾細(xì)沙)；二區(qū)：排滲棱體(灰?guī)r)；三區(qū)：初期壩(粉質(zhì)粘土)；四區(qū)： 尾礦壩壩基(粉砂巖層)。在進(jìn)行初期壩壩基開(kāi)挖時(shí)清除表層覆蓋層并進(jìn)入粉砂巖層以下100cm。

各層材料的物理力學(xué)指標(biāo)取值見(jiàn)表1。

表1 各層材料的物理力學(xué)指標(biāo)取值

2.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件SLIDE

SLIDE軟件是一個(gè)計(jì)算土、石質(zhì)二維邊坡穩(wěn)定的程序，由加拿大RocScience公司研發(fā)?？捎?jì)算邊坡的安全系數(shù)，還可分析圓弧與非圓弧的潛在破壞滑動(dòng)面。SLIDE軟件非常便于操作應(yīng)用，即使復(fù)雜的模型也可以迅速簡(jiǎn)便的建立和計(jì)算分析。外界荷載、地下水、支撐物都可以用不同的方式模擬。該軟件應(yīng)用建立在極限平衡上的豎向條分法(如Bishop、Janbu、Fellenius等)來(lái)計(jì)算邊坡的穩(wěn)定。各滑動(dòng)面可以計(jì)算分析，由搜索算法自動(dòng)搜索確定所計(jì)算邊坡的最危險(xiǎn)潛在破壞滑動(dòng)面位置，也可指定滑面分析安全系數(shù)。

2.3 壩體穩(wěn)定性分析

由于該尾礦庫(kù)現(xiàn)設(shè)計(jì)壩軸線長(zhǎng)為49.31m，因此布置3條地質(zhì)勘探線。尾礦庫(kù)成V字形，中間的2#勘探線最長(zhǎng)，因此參考另兩條勘探線，設(shè)定2#勘探線作為穩(wěn)定性分析剖面，分析步驟如圖1所示。

圖1 壩體穩(wěn)定性分析步驟

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBJ1-1990《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，四等尾礦庫(kù)穩(wěn)定性計(jì)算的荷載在正常運(yùn)行情況下是壩體自重和筑壩期正常高水位的滲透壓力，實(shí)測(cè)正常運(yùn)行時(shí)尾礦庫(kù)水面線長(zhǎng)度89.97m；在洪水運(yùn)行情況下是壩體自重和最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力，根據(jù)地區(qū)水文地質(zhì)資料洪水運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的水面線長(zhǎng)度為106.57m；在特殊情況下是在洪水運(yùn)行情況基礎(chǔ)上加上地震荷載，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50011-2010《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，水平和豎直地震加速度都為0.1g。

根據(jù)尾礦庫(kù)的地質(zhì)勘察資料繪制正常運(yùn)行情況下的2#剖面的計(jì)算簡(jiǎn)化圖，如圖2所示。

圖2 正常運(yùn)行情況下的2#剖面的計(jì)算簡(jiǎn)圖

在圖2的基礎(chǔ)上，考慮材料的物理力學(xué)參數(shù)和運(yùn)行情況后，在SLIDE中建立如圖3所示的模型，為了方便觀察壩高和壩體長(zhǎng)度，把模型建立在(0，0)的基準(zhǔn)點(diǎn)上。添加自動(dòng)搜索網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為20×20。

然后再模型中添加水面線以及浸潤(rùn)線的水頭位置，選擇常用的Bishop、Janbu、Fellenius這三種穩(wěn)定性計(jì)算方法，在網(wǎng)格搜索范圍內(nèi)找出圓弧滑動(dòng)面圓心的可能范圍以及分析出壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)，如圖4所示。

圖3 正常運(yùn)行情況下的2#剖面的計(jì)算模型

圖4 最小安全系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖

類(lèi)似正常運(yùn)行情況下的建模，在洪水運(yùn)行情況下改變水位線的位置，在特殊情況下再添加地震的水平加速度和豎直加速度。然后用Bishop、Janbu、Fellenius等方法計(jì)算出不同運(yùn)行情況下的最小安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同運(yùn)行情況下的最小安全系數(shù)

通過(guò)分析比較發(fā)現(xiàn)同一種運(yùn)行情況使用Bishop法計(jì)算最小安全系數(shù)最大，Janbu法計(jì)算的最小。

3 尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

該礦尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)為四等庫(kù)，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)(Kmin)要求，正常運(yùn)行期間：Kmin=1.15；洪水運(yùn)行期間：Kmin=1.05；特殊運(yùn)行期間：Kmin=1.00。通過(guò)SLIDE軟件計(jì)算得出不同運(yùn)行情況下的最小安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，但是在繼續(xù)加高過(guò)程中要嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)施工，密切關(guān)注壩體位移以及水位變化情況。出現(xiàn)險(xiǎn)情立刻停止生產(chǎn)并且整改。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)通過(guò)SLIDE軟件計(jì)算的結(jié)果與尾礦庫(kù)出現(xiàn)沼澤化和干灘難以固結(jié)等現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)得出的安全系數(shù)與實(shí)際壩體穩(wěn)定性不相符合，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)階段尾礦庫(kù)堆積壩高度比較小，在后期繼續(xù)加高過(guò)程中，如果不及時(shí)整改尾礦庫(kù)的排滲設(shè)施，尾礦庫(kù)的壩體穩(wěn)定性系數(shù)將會(huì)降低，最終出現(xiàn)不可估量的損失。

(2) 極限平衡理論在尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性分析的應(yīng)用中已經(jīng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)成熟的階段。在大量的運(yùn)用實(shí)例中，證明極限平衡理論的方法Bishop、Janbu、Fellenius等在穩(wěn)定性分析方面是可行的。

(3) SLIDE軟件在穩(wěn)定性分析、滲流場(chǎng)分析、概率分析等方面都有優(yōu)越的特性，在巖土、礦山開(kāi)采、交通、水利等領(lǐng)域不斷開(kāi)發(fā)利用，在全世界的使用范圍較廣，分析結(jié)果可靠性較高，在本文中SLIDE軟件也發(fā)揮了很重要支撐作用，在今后的使用過(guò)程中可以不斷優(yōu)化擴(kuò)寬應(yīng)用范圍。

[1]王文星，曹平，劉業(yè)科，等.地震條件下尾礦壩穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006(6)：58-61.

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[4]王少華.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法綜合應(yīng)用[D].宜昌：三峽大學(xué)，2011.

[5]李宏儒，胡再?gòu)?qiáng)，陳存禮，等.金堆城尾礦壩加高方案數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2008，29(4)：1138-1142.

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[7]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011-2010建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

【修回日期】2014-10-17

Stability Analysis of A Gold Mine Tailing Dam Based on the SLIDE

PU Xing-lin , CHEN Yu-ming
(Kunming University of Science & Technology, Kunming 650093, China)

Tailings is major hazards and environmental pollution of mining engineering, the stability of the dam body is about the life and property safety of the people live in downstream .This passage is about using SLIDE software to make the stability analysis for a certain gold mine tailings dam under the condition of normal, flood, special running. It is concluded that the safety coefficient of dam slope stability against sliding, and to evaluate the stability of the dam body.

tailings dam; limit equilibrium theory; stability; SLIDE

TD926.4

A

1007-9386(2015)02-0054-02

2014-09-11