基于Slide的某鎢礦尾礦壩穩(wěn)定性及概率分析

江南，陳玉明（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093）

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基于Slide的某鎢礦尾礦壩穩(wěn)定性及概率分析

江南，陳玉明
（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093）

摘要：尾礦壩的穩(wěn)定運(yùn)行是鎢礦山安全生產(chǎn)的重要保障。研究結(jié)合某鎢礦尾礦庫的工程地質(zhì)特征，采用Slide軟件建立壩體的概化模型，通過Bishop法計(jì)算尾礦壩在正常、洪水及特殊三種工況下的穩(wěn)定性，結(jié)合瑞典條分法對(duì)壩體的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)進(jìn)行校核。同時(shí)運(yùn)用概率分析法，對(duì)安全系數(shù)在服從正態(tài)分布及對(duì)數(shù)正態(tài)分布下開展可靠性指數(shù)的計(jì)算，并得出壩體的失效概率。綜合分析壩體的穩(wěn)定性和概率分析的結(jié)果，認(rèn)為該尾礦壩在三種工況下能正常運(yùn)行但存在洪水漫頂和地震液化的隱患，并針對(duì)隱患提出相應(yīng)的整改建議。

關(guān)鍵詞：尾礦壩；邊坡穩(wěn)定性；Slide軟件；概率分析

0引言

尾礦庫是礦山生產(chǎn)中的重要設(shè)施，尾礦壩則是制約礦山安全生產(chǎn)的重大危險(xiǎn)源之一。尾礦庫一旦發(fā)生事故，造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞等后果十分嚴(yán)重[1]。1995年圭亞那阿邁金礦尾礦壩發(fā)生潰壩事故，900人因飲用被氰化物污染的水導(dǎo)致死亡[2]；2008年山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫發(fā)生特別重大潰壩事故，造成277人死亡，34人受傷，先后投入資金1.2億元[3]。因此保障尾礦庫的安全運(yùn)行成為礦山安全工作中的重點(diǎn)。然而，截至2014年底，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)庫容在100萬m3以下的五等庫約占尾礦庫總數(shù)的74.4 %[4]。這些小型尾礦庫由于企業(yè)規(guī)模小、投資小，普遍存在設(shè)計(jì)不正規(guī)、生產(chǎn)管理粗放、安全生產(chǎn)措施落實(shí)不到位等問題。因此，對(duì)小型尾礦庫的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析是十分必要且意義重大。本研究根據(jù)某鎢礦尾礦庫的實(shí)際情況，利用Slide軟件分析計(jì)算正常、洪水及特殊工況狀態(tài)下尾礦庫壩體穩(wěn)定性，并針對(duì)存在的各種隱患提出相應(yīng)的整改措施，為相似尾礦庫的相關(guān)研究提供了科學(xué)依據(jù)。

1工程概況

云南某鎢礦尾礦庫投入使用已經(jīng)6年，目前堆積形成1#、2#兩級(jí)壩。該尾礦庫采用上游式筑壩，堆積方式為壩后堆筑。1#壩為原始初期壩，目前已停用，壩高約3.00m，壩頂寬約3.00m，內(nèi)外坡比均為1∶2.5，在原初期壩堆滿后，向庫后延伸60 m堆積形成2#壩。2#壩為目前使用的壩體，初期壩為均質(zhì)黏土碾壓壩，壩高約8.5 m，頂寬1.5 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.5，后期堆積壩堆積高度為21.5m，庫容為9.53萬m3。按照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）第4.1條劃分[5]，尾礦庫為五等庫，相應(yīng)尾礦壩為五級(jí)壩。

2軟件分析及建模

2.1穩(wěn)定性分析基本理論

目前，尾礦壩穩(wěn)定性分析多依照土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法來進(jìn)行，這些方法包括極限平衡法（如瑞典條分法、Bishop法、Janbu法等）；數(shù)值分析法（如有限元法、邊界元法、離散元法等）；隨機(jī)概率分析法（如蒙特卡羅法等）。在尾礦壩穩(wěn)定性分析中采用最普遍的是極限平衡法[6]。

瑞典條分法將滑體分為i個(gè)條塊，假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧且認(rèn)為條塊間無作用力，滿足整體力矩平衡，把條塊i在滑動(dòng)面上提供抗滑力之和與條塊i本身及外荷載在滑動(dòng)面上產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩之比定義為滑動(dòng)面的安全系數(shù)F[7]，F(xiàn)的表達(dá)式如式（1）：

式中：c為滑動(dòng)面上的黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；bi為土條i寬度，m；Wi為土條自重，kN；θi為條塊滑面傾角，°。

圖1瑞典條分法Fig.1 Fellenius Method

簡(jiǎn)化Bishop法是對(duì)瑞典條分法的改進(jìn)，它同樣假定圓弧滑動(dòng)面，只考慮條塊間的水平作用力，則F的表達(dá)式如式（2）：

式中各參數(shù)意義同式（1）。

2.2計(jì)算軟件

Slide軟件是由加拿大RocScience公司基于極限平衡理論開發(fā)的一套用于分析巖土體邊坡穩(wěn)定性的軟件[8]。該軟件不僅能快速創(chuàng)建和分析復(fù)雜模型，而且能進(jìn)行外部荷載、地下水及支護(hù)等情況下的邊坡穩(wěn)定性分析。

Slide軟件中包含邊坡穩(wěn)定性分析、地下水分析和概率統(tǒng)計(jì)分析等模塊。邊坡穩(wěn)定性分析基于垂直條分的極限平衡法展開，可對(duì)圓弧或非圓弧的滑動(dòng)面進(jìn)行搜索，嵌套了Bishop法、Janbu法、M-P法、Spencer法等分析方法，能對(duì)特定的滑動(dòng)面進(jìn)行分析，也可以求出臨界滑動(dòng)面和安全系數(shù)[9]。在進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，可通過指定不同參數(shù)的分布類型，詮釋其參數(shù)的不確定指數(shù)并得出邊坡滑坡的可靠性指數(shù)。Slide軟件能夠直觀、準(zhǔn)確的反應(yīng)尾礦壩邊坡的穩(wěn)定性情況，目前在國內(nèi)已得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[10]。

2.3 Slide軟件分析

該尾礦庫壩體穩(wěn)定性計(jì)算運(yùn)用Slide軟件，從靜載荷和動(dòng)載荷兩方面進(jìn)行研究，考慮正常工況、洪水工況、特殊工況三種狀態(tài)下的穩(wěn)定性。應(yīng)用Bishop法計(jì)算壩體的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，用瑞典條分法進(jìn)行校核，同時(shí)結(jié)合概率分析法對(duì)結(jié)果的可靠性進(jìn)行分析。

根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)范》[5]，五等庫采用Bishop法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)（kmin）時(shí)要達(dá)到：正常運(yùn)行kmin=1.25；洪水運(yùn)行kmin=1.15；特殊運(yùn)行kmin=1.10；而采用瑞典條分法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)時(shí)要達(dá)到：正常運(yùn)行kmin= 1.15；洪水運(yùn)行kmin=1.05；特殊運(yùn)行kmin=1.00。

在進(jìn)行概率分析時(shí)，假設(shè)材料的黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）均服從正態(tài)分布，黏聚力的標(biāo)準(zhǔn)偏差取值為1.0，內(nèi)摩擦角的標(biāo)準(zhǔn)偏差取值為3.0。為定義一個(gè)完整的正態(tài)分布，最大和最小值取3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差，保證99.7 %的樣本數(shù)落在該范圍內(nèi)。

2.4計(jì)算模型

該尾礦庫現(xiàn)已堆積形成1#、2#兩級(jí)壩，考慮計(jì)算剖面應(yīng)最具代表性，并能合理的反映出最不穩(wěn)定情況，因此根據(jù)庫區(qū)所處地形和尾礦庫堆積現(xiàn)狀（圖2），選取2#壩中心剖面（II-II'剖面）進(jìn)行分析。

圖2 II-II'剖面位置圖Fig.2 II-II'sectional position

根據(jù)該尾礦庫巖土工勘報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)IIII'剖面尾礦的分區(qū)進(jìn)行概化，可以將材料分為4個(gè)區(qū)域，該尾礦庫壩體Slide模型如圖3所示。

圖3尾礦庫壩體Slide模型Fig.3 Slide model of tailings dam

2.5材料參數(shù)

在充分考慮野外原位測(cè)試、室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等各種試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，參考有關(guān)規(guī)范綜合確定計(jì)算剖面上各層巖土的天然容重、飽和容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角。重度選取庫內(nèi)各巖土層室內(nèi)土工物理試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選取室內(nèi)試驗(yàn)成果的標(biāo)準(zhǔn)值。壩體各材料物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)列于表1。

表1壩體各材料物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Tab.1 Material physical and mechanical parameter of dam

3穩(wěn)定性分析

3.1正常工況

考慮勘察期間揭露水位影響情況，尾礦壩總體處于水位以上，故計(jì)算時(shí)大部分采用天然狀態(tài)下指標(biāo)，僅局部處于浸潤水位線以下的采用飽和狀態(tài)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

根據(jù)圖4和圖5的計(jì)算結(jié)果顯示，采用Bishop法計(jì)算得出的抗滑最小安全系數(shù)為1.671，大于規(guī)范中要求的1.25；采用瑞典條分法校核時(shí)，計(jì)算得出的抗滑最小安全系數(shù)為1.452，大于規(guī)范中要求的1.15。根據(jù)概率穩(wěn)定性計(jì)算：當(dāng)安全系數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)，可靠性指數(shù)為8.671；當(dāng)安全系數(shù)服從對(duì)數(shù)狀態(tài)分布時(shí)，可靠性指數(shù)為11.075，兩者均大于3.000。安全系數(shù)小于1.25時(shí)，失效概率為0 %。由此可認(rèn)為壩體在正常工況下是能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4正常工況下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.4 Stability analysis result of normal water level

圖5正常工況下安全系數(shù)可靠性計(jì)算結(jié)果Fig.5 Probabilistic analysis result of normal water level

3.2洪水工況

按《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，洪水重現(xiàn)期按50年一遇（即P=2 %）考慮，最終計(jì)算確定尾礦庫洪水期2#壩庫后洪水位距離壩頂0.3 m。壩體浸潤線水位按庫后最高洪水位和壩面最高逸出點(diǎn)綜合考慮。尾礦庫地層趨于飽和，故計(jì)算時(shí)采用飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

根據(jù)圖6和圖7計(jì)算結(jié)果顯示，采用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算得出的抗滑最小安全系數(shù)為1.506，大于規(guī)范中要求的1.15；采用瑞典條分法校核時(shí)，抗滑最小安全系數(shù)為1.382，大于規(guī)范中要求的1.05。根據(jù)概率穩(wěn)定性計(jì)算分析，安全系數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)，可靠性指數(shù)為2.477；安全系數(shù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，可靠性指數(shù)為2.967，兩者均小于3.000。安全系數(shù)小于1.15時(shí)，壩體的失效概率為4.1 %。由此可以得出，在現(xiàn)有高程的條件下，壩體的安全系數(shù)能夠滿足規(guī)程要求，壩體能夠穩(wěn)定運(yùn)行。但存在一定的失效概率，一旦浸潤線超過洪水位線，就可能發(fā)生洪水漫頂從而導(dǎo)致潰壩，若繼續(xù)使用必須加強(qiáng)排滲措施。

圖6洪水工況下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.6 Stability analysis result of flooding

圖7洪水工況下安全系數(shù)可靠性計(jì)算結(jié)果Fig.7 Probabilistic analysis result of flooding

3.3特殊工況

根據(jù)礦區(qū)所在地，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)各省的規(guī)定進(jìn)行劃分，尾礦庫庫區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度二組，模擬時(shí)取水平向地震力為0.24 g[11]，在洪水水位下分析壩體特殊工況時(shí)的穩(wěn)定性。

根據(jù)圖8和圖9的計(jì)算結(jié)果顯示，用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算時(shí)，壩體抗滑的最小安全系數(shù)為1.379，大于規(guī)范中要求的1.10；采用瑞典條分法校核時(shí)，抗滑安全最小系數(shù)為1.235，大于規(guī)范中要求的1.00。概率穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)安全系數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)，可靠性指標(biāo)為2.014；安全系數(shù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，可靠性指標(biāo)為2.300，兩者均小于3.000。設(shè)定安全系數(shù)小于1.10時(shí)，壩體的失效概率為6.9 %。因此，壩體在地震作用下能穩(wěn)定運(yùn)行，但庫區(qū)內(nèi)尾礦砂屬液化土層，應(yīng)提高壩體壓實(shí)度，采取有效的防液化措施。

圖8特殊工況下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.8 Stability analysis result of earthquake

圖9特殊工況下安全系數(shù)可靠性計(jì)算結(jié)果Fig.9 Probabilistic analysis result of earthquake

4結(jié)論

（1）運(yùn)用Slide軟件可快速建立尾礦壩壩體模型，并準(zhǔn)確計(jì)算出不同工況下的抗滑最小安全系數(shù)，結(jié)合概率分析得出：尾礦壩在正常工況下運(yùn)行時(shí)，計(jì)算所得的抗滑最小安全系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)值，壩體的穩(wěn)定性能夠滿足要求；尾礦壩在洪水工況下運(yùn)行時(shí)，庫內(nèi)水位線上升，滲流路徑縮短，浸潤線升高使得經(jīng)過處孔隙水壓力增大，材料強(qiáng)度減弱，抗滑最小安全系數(shù)也隨之減小，雖大于規(guī)定值，但失效概率增大，認(rèn)為在現(xiàn)有高程的下壩體是穩(wěn)定的，若浸潤線超過洪水位線，則存在洪水漫頂導(dǎo)致潰壩的可能；尾礦壩在特殊工況下運(yùn)行時(shí)，由于地震動(dòng)荷載的作用，抗滑最小安全系數(shù)大幅減小，失效概率增大。為防止壩體因地震液化而造成潰壩，應(yīng)采取切實(shí)可行的防液化措施。

（2）浸潤線的抬升很大程度上會(huì)影響壩體的安全系數(shù)，因此尾礦庫在繼續(xù)使用時(shí)必須完善壩體的排滲系統(tǒng)。設(shè)立水平排滲溝或豎直排滲井，適當(dāng)降低庫內(nèi)水位，增大沉積灘長，以保障尾礦庫的安全運(yùn)行。

（3）為加強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性，尾礦庫應(yīng)采取壩前排放尾礦的方式，合理布置排放口使粗顆粒集中堆積至壩體前部。同時(shí)建議加強(qiáng)尾礦壩內(nèi)浸潤線及壩體變形的觀測(cè)，加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)和巡視，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)匯報(bào)并采取措施。

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《中國鎢業(yè)》系中國鎢業(yè)協(xié)會(huì)主辦的綜合性科技期刊（雙月刊），《中國鎢業(yè)》為中文核心期刊，中國科技核心期刊。期刊于1986年創(chuàng)刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。主要報(bào)道鎢行業(yè)貿(mào)易、地質(zhì)、采礦、選礦、冶煉、材料加工與應(yīng)用、分析檢測(cè)、節(jié)能、環(huán)保等方面的最新動(dòng)態(tài)及研究成果。設(shè)有綜述性、研究性論文和簡(jiǎn)訊。

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Stability and Probabilistic Analysis of a Tungsten Mine's Tailings Dam Based on Slide Software

JIANG Nan, CHEN Yu-ming
(Kunming University of Science and Technology Faculty of Land ResourceEngineering, Kunming 650093,Yunnan, China)

Abstract:Stable operation of tailings dam is an important guarantee for mine safety production. Based on the engineering geological features of the tailings dam, this paper analyzes the stability of a tungsten mine's tailings dam with Bishop method in three kinds of operation situations, including conventional water level, flooding and earthquake by establishing a generalized model for the tailings dam. The stability against sliding minimum safety factor of the dam is checked by Fellenius method. The failure probability for the tailings dam is obtained by calculating the reliability indexes of safety factor under normal distribution and lognormal distribution. The slope stability and probabilistic analysis results show that the dam can operate under the three conditions. However, there are hidden risks of overtopping and earthquake liquefaction. Corresponding rectification suggestions are then put forward.

Key words:tailings dam；slope stability; Slide software; probabilistic analysis

通訊作者：陳玉明（1963-），男，四川眉山人，教授，主要從事礦山安全技術(shù)工程、礦山開采理論與技術(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介：江南（1992-），女，云南紅河人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈V山安全工程技術(shù)。 4.第一姓名（出生年－），性別，籍貫（省、市、縣），學(xué)位，職稱，研究方向及其聯(lián)系電話，E-mail地址等。

收稿日期：2015-11-04

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2016.01.008

中圖分類號(hào)：TD862

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A