礦山尾砂壩體的變形監(jiān)測與穩(wěn)定性研究

孫業(yè)偉

摘要：從尾礦壩安全穩(wěn)定出發(fā)，并針對其給下游人民的生活帶來的威脅，通過對尾礦壩的浸潤線、位移、干灘面長度、等物理量的監(jiān)測并采取有效的預(yù)警措施，達到安全監(jiān)測、安全預(yù)警的目的。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測；穩(wěn)定性；尾砂壩體

一、前言

尾礦壩是一種高潛力的人工泥石流源，用于金屬或非金屬礦山尾礦的存放。倘若發(fā)生變動便會引起滑坡泥石流等特大災(zāi)難，并且將對庫區(qū)下游百姓的性命及資產(chǎn)安全產(chǎn)生極大損失，并對庫區(qū)周圍的環(huán)境形成大面積的污染。同時尾礦壩事故造成的危害又是世界各種事故災(zāi)害中最嚴重的危害之一，它在世界93種事故、公害中排名14位，非常靠前。根據(jù)初步估算，中國現(xiàn)存的尾礦庫有1萬多座，其中險庫、危庫、病庫占總數(shù)的39%，在其所占的比例及其高。因此，尾礦壩致使很多的人員傷亡及嚴重財產(chǎn)損失的狀況不足為奇。所以要加強尾礦壩的安全監(jiān)測、安全預(yù)警至關(guān)重要，尤其是極易產(chǎn)生災(zāi)害的部位應(yīng)當加大監(jiān)測及管理強度。

二、尾礦壩的災(zāi)害及監(jiān)測

尾礦壩的初始位置通常選擇上游、河谷壩，通常來說，施工簡易，穩(wěn)定安全。但是一旦發(fā)生事故對下游居民威脅較大，往往尾礦壩又會伴隨泥石流、滑坡等，逃生時間較短，產(chǎn)生災(zāi)害巨大。但尾礦壩發(fā)生最后破壞前有一些明顯的前期表現(xiàn)，也就是所謂的病災(zāi)。及時對壩體病害進行監(jiān)測，為壩體施工、穩(wěn)定性分析、加固措施等提供依據(jù)及數(shù)據(jù)資料。

壩體的主要災(zāi)害有：（1） 壩體的失穩(wěn)施工不當或安全性較低，但主要是在外界不穩(wěn)定因素刺激下使得整個壩體滑動，庫內(nèi)泥石沖向下游。（2）早期施工的堤壩滲漏或排水不好，應(yīng)立刻采取措施。（3） 雨水或礦漿回流造成壩面潰決主要是壩體內(nèi)浸潤線升高，使得壩體穩(wěn)定性降低。 （4）庫內(nèi)滑坡喀斯特等壩址問題地基不能抵抗尾礦庫對壩體的作用力，使地基剪切破壞，壩體整體開始向外移動。（5）壩坡、壩基、壩局部等滲水、管涌、流沙、壩體沼澤化可能是排水系統(tǒng)不順暢或施工不合理等引起的。

三、尾礦壩的監(jiān)測及預(yù)警

由于尾礦壩發(fā)生的災(zāi)害繁雜多變，目前對尾礦壩采用安全監(jiān)測主要用以下監(jiān)測實現(xiàn)：庫內(nèi)水位監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、位移監(jiān)測、干灘長度監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等。

1、位移監(jiān)測。壩體的水平位移及豎直位移是監(jiān)測壩體位移的主要問題。水平位移的監(jiān)測主要是采用經(jīng)緯儀、全站儀測量，并在壩體上設(shè)置觀測點在兩側(cè)選擇兩個基點，但監(jiān)測點及位置的選擇應(yīng)當恰當，特別是基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。同時可以采取全球定位系統(tǒng)進行監(jiān)測，在觀察點安裝一個消息發(fā)射裝置，在辦公地方裝有信息接受并配合信息分析系統(tǒng)，起到對大壩的水平位移，垂直位移監(jiān)測作用。

2、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。在壩體內(nèi)架設(shè)應(yīng)力應(yīng)變器，其目的是對大壩的土壓力及水壓力進行測量，和內(nèi)部土壤蠕變監(jiān)測。

在測斜管的安裝及應(yīng)力應(yīng)變測量裝置的測繪中，測斜管的傾斜，對壩體的內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測及監(jiān)測的壩體飽和線采取了測量。

3、庫內(nèi)水位監(jiān)測。使用水位計對庫內(nèi)水位進行監(jiān)測，把水位計與測量裝置連接，剖析庫內(nèi)水位的情況。

四、壩體穩(wěn)定性分析

1、滲流穩(wěn)定性。滲流理論經(jīng)過了有限差分法數(shù)值模擬、非飽和滲流的Richards方程、非穩(wěn)定滲流有限元計算法的發(fā)展與引入有限元分析法，逐步形成了適合尾礦壩滲流穩(wěn)定分析的理論基礎(chǔ)。

在采取滲流穩(wěn)定性剖析過程中，浸潤線的位置是影響滲流穩(wěn)定相當主要的部位，倘若浸潤線溢出尾礦壩面或有浸潤線處在臨界狀態(tài)，就能夠確定此尾礦庫處于非穩(wěn)定狀態(tài)；通常浸潤線的安全部位主要根據(jù)尾礦庫設(shè)計文件確定，倘若設(shè)計高度高于浸潤線位置，以此可以確定該庫滲流處于穩(wěn)固狀態(tài)。目前對于尾礦壩滲流穩(wěn)定性鉆研的方式，除了工程實際勘測外，滲流分析手段其中還包括理論求解、半工業(yè)試驗以及數(shù)值分析三種形式。

對于前兩者分析方法的比較，數(shù)值分析方法的理論基礎(chǔ)是完整、高精度、低成本等特點自20世紀六七十年代在國內(nèi)就得到較為廣泛的應(yīng)用。常用的數(shù)值分析方法有：差分法、有限元法和邊界元法等。差分法采用一系列差分公式求解微分方程的估算方法，具有代表性的就是有限差分法。有限元法，是以物質(zhì)能量作為基礎(chǔ)，把滲流問題轉(zhuǎn)化為變分問題，再經(jīng)過離散化從而得到計算解。由于有限元方法簡單、靈活，在邊界條件下不能進行特殊的處理，可以隨意改變單元的形狀。伴著數(shù)值分析方法的日新月異，滲流分析軟件慢慢得到普及，目前比較通用的滲流數(shù)值計算軟件有：Geo-Studio、FLOW-2D、ANSYS-APDL等。

2、壩體靜力穩(wěn)定分析。當尾礦壩處在非地震時期或是無猛烈震動時，則可以認定尾礦壩處在靜力形態(tài)，在包含水土體的邊坡穩(wěn)定性剖析時與尾礦壩體靜力穩(wěn)定剖析相近，所以尾礦壩靜力穩(wěn)定分析論證的基礎(chǔ)同樣是極限平衡理論。

工程設(shè)計與評價中時常采用極限平衡法（條分法）對粘性土邊坡穩(wěn)定性分析。方法基本原理：將滑動土垂直分為幾種土，作為剛性體的土，分別為在土體中的作用和抗滑力矩的中心，并要求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

對土條進行方程求解過程時采用條分法，該方程為未知數(shù)多于方程組的超靜定方程，因此須要對超靜定方程進行假設(shè)已知狀況。按照假定已知條件的區(qū)分，極限平衡方法可以分為簡化Bishop法、瑞典法、Janbu法以及不平衡推力的各種方式。以我國邊坡計劃與穩(wěn)定性評估為參照標準。

當前，有很多數(shù)值分析方式被應(yīng)用于尾礦壩的靜力穩(wěn)定分析，不僅包括一般的有限元法（FEM），離散單元法（DEM）和粒子流分析（PFC），非連續(xù)變形分析（DDA），邊界元法（BEM），無界元（同上），遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法也包含在里面，其代表性應(yīng)用程序主要有ANSYS、北京理正、PFC以及FLAC（FLAC-2D、FLAC-3D）等。

3、壩體動力穩(wěn)定分析。尾礦壩靜力穩(wěn)定分析與動力穩(wěn)定性分析不同，需注意的是飽和砂土在振動條件下的液化、孔隙水壓力的變化、不規(guī)則波的影響以及巖石和土壤的動態(tài)參數(shù)。長此以來，成功地采取天然沉積砂尾礦置換的動力學，提出了在尾礦中的有效應(yīng)用非線性動力學模型和彈性塑料模型。在不斷地鉆研與探索動荷載作用下孔隙水壓的發(fā)展及飽和砂土液化對尾礦壩抗震影響機理中，逐漸累計了尾礦壩體動力穩(wěn)定分析的巖土體研究基礎(chǔ)。

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