某尾礦庫在線監(jiān)測(cè)設(shè)防閥值確定方法

王旭剛

摘 要：尾礦壩作為礦山生產(chǎn)中重要設(shè)施，其穩(wěn)定性至關(guān)緊要。文章從壩體滲流、壩體穩(wěn)定出發(fā)，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，提出了壩體的分級(jí)預(yù)警及設(shè)防閥值指標(biāo)，并以實(shí)例說明了閥值指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。設(shè)防預(yù)警閥值的應(yīng)用，使在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠直接反映出壩體的穩(wěn)定性狀態(tài)，使在線監(jiān)測(cè)更自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：尾礦壩；在線監(jiān)測(cè)；閥值；分級(jí)預(yù)警

目前我國在尾礦庫的建設(shè)及管理方面越來越重視，投入了極大的精力和財(cái)力。近些年，尾礦的在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目得到較大范圍的推廣，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括浸潤線高度及壩體的位移，這2項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果大部分只局限用于對(duì)比尾礦壩的運(yùn)行狀態(tài)變化上，并沒有直接與壩體的穩(wěn)定性直接接軌，體現(xiàn)到尾礦壩體的穩(wěn)定性系數(shù)上來。本文通過某尾礦庫的穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)布置，提出壩體穩(wěn)定性安全預(yù)警級(jí)別以及在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)防預(yù)警閥值，使在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠直接反映出壩體的穩(wěn)定性系數(shù)，使在線監(jiān)測(cè)更自動(dòng)化。

1 尾礦壩體穩(wěn)定性計(jì)算方法

1.1 尾礦壩滲流基本方程

1962年Biot在研究土的固結(jié)時(shí)，對(duì)固結(jié)滲流首先進(jìn)行了研究，其包括描述地下水受外力在土體連通的孔隙通道中運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程和描述流體質(zhì)量守恒的連續(xù)方程；水為牛頓流體因而達(dá)西定律是通用的，因此得到：

上式即為尾礦壩非定量地下水滲流基本方程，也即滲流力學(xué)單相不可壓縮流體的滲流方程。

1.2 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算方法

極限平衡法理論體系中的一種規(guī)范推薦的計(jì)算方法，同時(shí)滿足力與力矩的平衡條件，滑裂面為任意形狀，不局限于圓形滑裂面，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

將作用在微分條塊上的力對(duì)條底中點(diǎn)取力矩平衡，考慮地震作用力時(shí)，壩體的安全系數(shù)為：

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)；li為條塊寬度；wi為計(jì)入滲透壓力后的土條重量，計(jì)算時(shí)浸潤線以上用天然容重，水位以下用浮容重，浸潤線以下至下游水位間當(dāng)計(jì)算剪切強(qiáng)度時(shí)用浮容重，計(jì)算剪切力時(shí)用飽和容重；Qi為作用在土條重心處的水平慣性力；Qi為作用在土條重心處的豎向慣性力；Mi為土條水平慣性力對(duì)滑動(dòng)中心的力矩，Ci和φi為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2 尾礦壩預(yù)警分級(jí)

根據(jù)尾礦庫運(yùn)行情況，結(jié)合《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB50547-2010），做出以下以預(yù)警分級(jí)：

正常運(yùn)行：尾礦庫正常運(yùn)行，各干灘長度、安全超高等各薦指標(biāo)均滿足規(guī)范等相關(guān)規(guī)定的要求。

一級(jí)預(yù)警：一個(gè)效應(yīng)量（即單項(xiàng)指標(biāo)）如干灘長度、浸潤線高度等發(fā)生異常。

二級(jí)預(yù)警：多個(gè)效應(yīng)量（即多項(xiàng)指標(biāo)）發(fā)現(xiàn)異常，壩體穩(wěn)定性系數(shù)小于洪水期規(guī)范要求。

三級(jí)預(yù)警：多個(gè)效應(yīng)量（即多項(xiàng)指標(biāo)）發(fā)現(xiàn)異常，且其變化速率加大時(shí)或遇地震時(shí)。

3 實(shí)例分析

3.1 工程簡(jiǎn)介

尾礦壩總壩長為480m，總壩高為60.5m，已堆積尾礦量為4000000m3；壩頂寬度為3.5m，初期壩壩頂標(biāo)高538m，初期壩壩高為14m，初期壩壩寬為4m，初期壩內(nèi)外坡比為1：2。依據(jù)規(guī)范，此壩為三級(jí)壩。

3.2 尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

對(duì)尾礦庫分別進(jìn)行滲流與穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果如下：

第一，當(dāng)干灘長度小于規(guī)范要求時(shí)，滿足一級(jí)預(yù)警，此時(shí)進(jìn)行滲流及穩(wěn)定性計(jì)算，得到浸潤線及穩(wěn)定性結(jié)果，如圖2所示。

將上述計(jì)算結(jié)果與規(guī)范要求對(duì)比，雖然壩體穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范要求，但干灘長度小于規(guī)范要求，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)一級(jí)報(bào)警，觀察監(jiān)測(cè)指標(biāo)（干灘長度）的變化趨勢(shì)。

第二，當(dāng)庫水位達(dá)到或接近洪水位時(shí)，干灘長度和安全超高均小于規(guī)范要求，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)二級(jí)預(yù)警，根據(jù)庫洪水位進(jìn)行計(jì)算，得到浸潤線及穩(wěn)定性結(jié)果，如圖3所示。

將上述計(jì)算結(jié)果與規(guī)范要求對(duì)比，雖然壩體穩(wěn)定性系數(shù)略大于規(guī)范要求，但由于壩體此時(shí)處于特殊運(yùn)行狀態(tài)，因此密切關(guān)注壩體位移的變化情況，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行正常；加強(qiáng)對(duì)壩體的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)巡邏，及時(shí)泄洪，且對(duì)壩體薄弱處應(yīng)采取加固措施。

第三，除突出地震等外力因素外，當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)二級(jí)預(yù)警后，應(yīng)該密切關(guān)注各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化情況，當(dāng)多項(xiàng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)異常，且其變化速率加大時(shí)應(yīng)啟動(dòng)三級(jí)預(yù)警，及時(shí)上報(bào)，應(yīng)由政府出面，通知下游人民撤離，控制事故造成的損失。對(duì)于壩體在地震力作用下的穩(wěn)定性，通過計(jì)算，得到浸潤線及穩(wěn)定性結(jié)果，如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果表明，在地震力作用下，壩體的穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)，如果遇到大雨等其它不利因素時(shí)，壩體隨時(shí)都有垮壩的危險(xiǎn)。

3.3 浸潤線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)閾值設(shè)定

根據(jù)尾礦壩各種工況下計(jì)算結(jié)果，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際布置情況，得出以下浸潤線的預(yù)警閥值：

4 結(jié)語

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)影響壩體穩(wěn)定的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，本文結(jié)合在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，從壩體滲流、壩體靜力穩(wěn)定和壩體動(dòng)力穩(wěn)定出發(fā)，提出了壩體的分級(jí)預(yù)警及評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以實(shí)例說明了各項(xiàng)指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，總結(jié)主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)及有待改進(jìn)之處：

第一，壩體穩(wěn)定性計(jì)算方法簡(jiǎn)單明了，可以實(shí)現(xiàn)尾礦壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的唯一性，即每個(gè)尾礦壩都有各自的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

第二，同一壩體可以同時(shí)對(duì)不同剖面設(shè)立不同的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)整個(gè)壩體的穩(wěn)定性。

第三，壩體堆筑新子壩后可以快速有效的調(diào)整各剖面的監(jiān)控指標(biāo)。

第四，尾礦壩壩體穩(wěn)定性計(jì)算采用極限平衡法，此法沒有考慮內(nèi)部的變形和破壞，同時(shí)假定滑面的安全系數(shù)為常數(shù)，忽略了變形和孔隙水壓力的耦合作用，有待改進(jìn)。

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