河南省某尾礦壩穩(wěn)定性分析與計(jì)算

方栩?yàn)T 宋祖光

（河南省巖石礦物測(cè)試中心，河南 鄭州 450012）

我國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，冶金、有色、化工、核工業(yè)、建材和輕工業(yè)等行業(yè)在礦山都有尾礦設(shè)施[1]。每年排放尾礦近3 億t，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分要堆存于尾礦庫，現(xiàn)有尾礦庫1500 余座[2]。隨著選礦技術(shù)的不斷進(jìn)步，尾礦庫可作為重要的二次礦產(chǎn)資源加以開發(fā)利用。但是，尾礦庫的服務(wù)年限和庫容量達(dá)到一定時(shí)，將會(huì)是重大危險(xiǎn)源和環(huán)境污染源。尾礦庫的重大事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，也將給企業(yè)帶來不可估量的損失，在社會(huì)上造成極壞的影響。對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為確保尾礦壩的穩(wěn)定提供了有效的預(yù)測(cè)方法[1-3]。

本文以河南某尾礦庫作為工程背景，對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，采用穩(wěn)定性計(jì)算方法對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并給出相應(yīng)的結(jié)果和建議。

1 影響壩體穩(wěn)定性的因素

尾礦壩是尾礦庫構(gòu)筑的主體，影響尾礦壩穩(wěn)定性的因素有很多，例如：礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、尾礦庫庫內(nèi)水位、尾礦的滲透性和密實(shí)度、干灘面的長(zhǎng)度、壩體的坡度、地下水滲流的狀態(tài)等。

1.1 尾礦庫水位對(duì)壩體穩(wěn)定性影響

尾礦庫庫內(nèi)水位關(guān)系到尾礦庫安全、生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)非常重要的控制指標(biāo)。尾礦庫水位越低，則干灘長(zhǎng)度越長(zhǎng)，浸潤(rùn)線越低，壩體穩(wěn)定性越高；如果干灘面控制過長(zhǎng)，灘面的上升速度緩慢，影響庫容蓄水和澄清水距離不足導(dǎo)致回水質(zhì)量變劣，影響選礦正常生產(chǎn)。庫內(nèi)水位越高，則庫內(nèi)存水越多，更有利于滿足生產(chǎn)回收量和回水水質(zhì)的要求，但水面與壩頂水平距離縮短，導(dǎo)致壩體安全穩(wěn)定性降低。所以控制、檢測(cè)尾礦庫水位極為重要，尤其是在汛期，庫內(nèi)水位必須控制在防洪要求的汛前水位以下，使尾礦庫留有足夠的防洪庫容。

1.2 浸潤(rùn)線對(duì)壩體穩(wěn)定性影響

浸潤(rùn)線位置的高低，是影響壩體穩(wěn)定的主要因素之一。尾礦進(jìn)入尾礦庫，通過自然沉降固結(jié)密實(shí)。因此尾礦砂的各種力學(xué)指標(biāo)都較低，透水性相對(duì)較大。地下水對(duì)壩體不僅會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，降低壩體的穩(wěn)定性，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生管涌、流砂和壩面沼澤化等危害，給尾礦壩的安全帶來嚴(yán)重威脅[4]。浸潤(rùn)線的升高或降低，對(duì)壩體穩(wěn)定性影響結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，浸潤(rùn)線的高低對(duì)壩體穩(wěn)定性影響很大，基本上相差1m 水位，穩(wěn)定系數(shù)Fs就相差0.03～0.05，也即穩(wěn)定系數(shù)相差1.2%～2.5%。因此，如何控制壩體滲流，防止浸潤(rùn)線偏高，是保證尾礦壩穩(wěn)定的重要工作之一。

1.3 尾礦性質(zhì)對(duì)壩體穩(wěn)定性影響

尾礦性質(zhì)變化很大，即便是同一種類型的尾礦，也可能有不同的礦物組成。一般的尾礦堆積壩，通過自然分級(jí)，依靠自身的重力作用固結(jié)密實(shí)，宏觀上具有上粗下細(xì)和壩前粗、壩尾細(xì)的一般特征；在微觀上，尾礦沉積層中普遍存在粗細(xì)相間的夾層、互層、交錯(cuò)層、千層餅等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為不均一性和各向性[5]。由于選礦工藝的不同，出現(xiàn)了階段磨礦階段選別，使部分尾礦顆粒很細(xì)。另外，在礦石浮選流程中，往往添加各種藥劑，這些藥劑對(duì)于尾礦沉降影響較大。使尾礦顆粒不易沉積，透水性差、不易固結(jié)，造成壩體穩(wěn)定性差。

1.4 排洪系統(tǒng)對(duì)壩體穩(wěn)定性影響

排洪系統(tǒng)好壞直接影響尾礦壩安全性。尾礦庫設(shè)置排洪系統(tǒng)的作用主要有兩個(gè)：一是為了及時(shí)排除庫內(nèi)洪水；在汛期排洪系統(tǒng)尤其重要，排水系統(tǒng)不暢，會(huì)導(dǎo)致尾礦庫內(nèi)水位上漲、洪水漫頂，嚴(yán)重的還有潰壩的危險(xiǎn)。二是兼作回收庫內(nèi)尾礦澄清水用；回水如果能有效的利用，可以大大降低選礦生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)有誤引起洪水漫頂。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有色金屬礦山因排洪系統(tǒng)失事引起的災(zāi)難幾乎占尾礦壩事故的50%[6]。對(duì)排洪系統(tǒng)的定期維護(hù)、檢查，成為保障尾礦壩穩(wěn)定重要手段之一。

2 工程實(shí)例

初期壩采用碾壓均質(zhì)土壩，壩高12m，標(biāo)高+679～+691m，壩頂寬4m，壩體下游坡腳處設(shè)置排水棱體，棱體高3.0m，頂寬1.5m，臨水坡坡比1：1.0，下游坡坡比1：1.5，并在棱體排水外坡處水平向下游延伸2.0m。堆滿后用沉積尾礦堆筑子壩，從庫尾719m 標(biāo)高開始向初期壩逐級(jí)堆筑平臺(tái)，共堆積4 級(jí)子壩，1～4 級(jí)子壩高5m，平臺(tái)寬度50m，坡降2%，最終子壩平臺(tái)寬度300m，坡降約1.5%?？偼馄卤葹?：19，堆積壩高28m，總壩高40m。

對(duì)堆積壩現(xiàn)狀標(biāo)高進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，鑒于壩體對(duì)于尾礦庫的重要性，主要對(duì)692m 和719m 標(biāo)高的穩(wěn)定性進(jìn)行分別論證。設(shè)計(jì)的尾礦庫初期壩高12m，堆積壩高28m，總壩高40m；全庫容30.17×104m3，設(shè)計(jì)確定的尾礦庫等別為四等庫。

2.1 浸潤(rùn)線的計(jì)算

確定化引灘長(zhǎng)L 及相應(yīng)的化引庫水位，并放礦水覆蓋絕大部分灘面，此時(shí)，化引灘長(zhǎng)計(jì)算公式為：

式中Li——化引灘長(zhǎng)；

Lc——計(jì)算條件下的實(shí)際灘長(zhǎng)。

化引庫水位計(jì)算公式為：

Hi=H+Lc-Li/m0

式中：Hi—化引庫水位；

H—計(jì)算條件下實(shí)際庫水位；

m0—沉積灘坡度系數(shù)(即沉積灘坡度為1:m0)。

浸潤(rùn)線方程及浸潤(rùn)線在y 軸上的截距a1可表示為:

式中出逸點(diǎn)高度按下式計(jì)算:

式中m 為下游坡坡度系數(shù)。

根據(jù)尾礦壩運(yùn)行情況計(jì)算所得的浸潤(rùn)線逸出高程見表2。這里計(jì)算工況取正常運(yùn)行水位和洪水位兩種。

表2 浸潤(rùn)線計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

該尾礦壩初期壩壩型為碾壓式土壩，堆滿后用沉積尾礦堆筑子壩,邊堆邊存，因而穩(wěn)定性計(jì)算材料包括石渣、尾礦砂兩種材料。依據(jù)野外勘察和《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄一，該尾礦砂為尾細(xì)砂，其參數(shù)選取參考表2。

2.3 荷載組合及安全系數(shù)

在尾礦壩的穩(wěn)定性分析中，一般先按尾礦庫的設(shè)計(jì)壩高和庫容大小確定尾礦庫的安全等級(jí)，再根據(jù)尾礦庫的安全等級(jí)查表確定尾礦壩抗滑穩(wěn)定性的安全系數(shù)。

地震烈度區(qū)域劃分為6 級(jí)烈度及6 級(jí)烈度以下地區(qū)的5 級(jí)尾礦壩，當(dāng)壩外坡比小于1∶4 時(shí)，除原尾礦屬尾粘土和尾粉質(zhì)粘土以及軟弱壩基外，可不作穩(wěn)定計(jì)算。該尾礦庫工程抗震設(shè)防類別屬乙類水工建筑，基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度。本地的基本烈度為6 度，因此設(shè)計(jì)烈度為6 度，所以穩(wěn)定計(jì)算不考慮地震荷載。

表3 荷載的組合

安全系數(shù)是指在設(shè)計(jì)、施工或使用過程中的工程項(xiàng)目必須達(dá)到安全性保證的定量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程重要性程度而設(shè)定。尾礦庫的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2006—2005)有明確的規(guī)定。根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體穩(wěn)定計(jì)算有以下兩種荷載組合,見表4。

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

2.4 現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性計(jì)算及結(jié)果

根據(jù)選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范，采用瑞典法對(duì)該尾礦壩各種運(yùn)行情況進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。同時(shí)采用Bishop 法與之進(jìn)行對(duì)比，穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)采用表2 中數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見表5。

圖1 標(biāo)高719m 正常運(yùn)行情況下壩坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

表5 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:正常運(yùn)行下該尾礦壩是穩(wěn)定的，兩種方法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)均超過《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的安全系數(shù)，目前該尾礦壩是穩(wěn)定的。該尾礦庫壩高691m 時(shí)不同荷載組合下，某尾礦壩的穩(wěn)定性計(jì)算與分析穩(wěn)定性良好；按目標(biāo)的堆壩方式、速率，堆積至719m 高程時(shí)，壩體穩(wěn)定性也滿足《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的安全系數(shù)。

3 結(jié)語

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，該尾礦壩穩(wěn)定可靠，但在實(shí)際尾礦壩運(yùn)行管理中，尾礦壩的筑壩、日常檢查以及排洪設(shè)施的管理等因素對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性影響至關(guān)重要。因此，應(yīng)在尾礦庫運(yùn)行期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)尾礦壩體、庫區(qū)安全檢查，建立尾礦庫管理檔案。密切注意庫區(qū)水位、干灘長(zhǎng)度及最低安全超高的控制；汛期做好必要的搶險(xiǎn)準(zhǔn)備工作，確保安全渡汛；加強(qiáng)對(duì)尾礦庫排水設(shè)施和周邊山體穩(wěn)定性的檢查，杜絕違章取礦、取水和開墾放牧等情況，對(duì)損壞部位及時(shí)進(jìn)行修整，采取有效措施消除隱患。確保尾礦庫安全運(yùn)行。

［1］呂庭剛,廟延鋼.尾礦庫壩體滲透穩(wěn)定性分析[J].云南冶金,2005(2):12-15.

［2］騰志國(guó).關(guān)于尾礦壩地震穩(wěn)定性的分析及評(píng)價(jià)[J].河北冶金,2003(1):16-17.

［3］吳啟明.某尾礦壩的穩(wěn)定性計(jì)算與分析[J].有色金屬,2010(2):63-66.

［4］曹宏輝.尾礦庫穩(wěn)定性分析[D].北京:北京科技大學(xué),2006.

［5］范恩讓,史劍鵬.尾礦堆積壩安全穩(wěn)定性因素分析及對(duì)策[J].金屬材料與冶金工程,2007(1):33-36.

［6］劉登高.尾礦壩穩(wěn)定性分析與研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2007.