尾礦沉積的不均勻性對壩體穩(wěn)定性的影響

馬龍龍，袁利偉，陳玉明，普興林

(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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環(huán)保

尾礦沉積的不均勻性對壩體穩(wěn)定性的影響

馬龍龍，袁利偉，陳玉明，普興林

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

為了研究沉積特性對尾礦庫壩體穩(wěn)定性的影響，基于尾礦沉積不均勻特性的重要性，采用Slide軟件對云南某尾礦庫建立壩體的穩(wěn)定性模型，來分析計(jì)算尾礦壩在正常、洪水、特殊工況下穩(wěn)定性的可靠度及尾礦材料的敏感度。結(jié)果表明：尾礦庫在正常、洪水運(yùn)行條件下的可靠性指標(biāo)符合規(guī)定，但是在特殊運(yùn)行條件下的可靠性指標(biāo)低于規(guī)范值，不滿足安全生產(chǎn)要求。3種運(yùn)行條件下，尾細(xì)砂對尾礦壩的穩(wěn)定性影響最大。

尾礦壩；可靠度；敏感度；穩(wěn)定性

0 前 言

我國的礦產(chǎn)資源豐富，在選礦作業(yè)時將剩余大量像砂子一樣的尾礦[1]。這些尾礦不僅含有暫時不能回收利用的有用成分，而且如果隨意排放將會造成嚴(yán)重的大面積環(huán)境污染，因此需要修筑尾礦庫堆存尾礦[2]。但是，堆積起來的尾礦庫，又是一個具有高勢能的巨大危險(xiǎn)源，對下游居住的居民或生產(chǎn)企業(yè)來說，壩體一旦失穩(wěn)，庫內(nèi)物質(zhì)將傾盆溢出，造成大量的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失與環(huán)境破壞[3]。

尾礦壩的穩(wěn)定性是尾礦庫最核心的問題，潰壩事故的原因。除去人類不可抗拒的客觀因素如地震、洪水等，多為設(shè)計(jì)的不合理，造成了潛在的尾礦庫安全隱患。目前尾礦庫在初步設(shè)計(jì)時，認(rèn)為壩體是由全尾砂組成的均勻結(jié)構(gòu)，沒有考慮尾礦的沉積特性。但實(shí)際上尾礦具有不均勻的沉積特性，因此用這種方式建立出的模型所計(jì)算出的壩體穩(wěn)定性與實(shí)際情況不符。所以，研究沉積特性對尾礦庫壩體穩(wěn)定性的影響是我們應(yīng)不斷進(jìn)行探索和研究的課題。

本文以目前尾礦庫尾礦沉積特性方面的文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)，并結(jié)合具體實(shí)例，分析尾礦沉積的不均勻性對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，計(jì)算尾礦壩穩(wěn)定性的可靠度，并分析尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)對壩體穩(wěn)定性的敏感度。為尾礦庫的安全防治措施提供方法，為相似的尾礦庫提供科學(xué)的依據(jù)。

1 工程概況

本文以云南某尾礦庫為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場踏勘及甲方提供資料知，該尾礦庫采用上游式筑壩方式，尾礦庫在“V”形山谷中建設(shè)，屬于山谷型尾礦庫。初期壩為透水堆石壩，根據(jù)初步設(shè)計(jì)中采用的堆石的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)為：容重22 kN/m3，內(nèi)摩擦角28(°)，粘聚力10 kN/m2。初期壩壩構(gòu)造及庫容：頂標(biāo)高285 m，壩底標(biāo)高264.8 m，壩高20.2 m，壩頂寬度5 m，壩頂長度110 m，內(nèi)坡比1∶2，外坡比1∶2.25，庫容49.46萬m3。

目前所使用壩體為堆積壩，尾礦庫設(shè)計(jì)總壩高62.5 m，堆積壩壩頂標(biāo)高為327.3 m，總庫容為734.81萬m3。根據(jù)尾礦庫《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》可知該尾礦庫設(shè)計(jì)為三等庫?，F(xiàn)狀尾礦庫的壩高和庫容達(dá)到是四等庫的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀堆積壩的構(gòu)造及庫容：壩頂標(biāo)高310 m，壩底標(biāo)高285 m，壩高25 m，每級子壩高度2 m，壩頂長度200 m，壩頂寬度2 m，子壩內(nèi)坡比1∶1.5，子壩外坡比1∶1.75，堆積壩平均外坡比1∶5，庫容347.2萬m3。

該尾礦庫所在地歷史上未發(fā)生過強(qiáng)烈地震。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)的規(guī)定，尾礦庫庫區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.10 g[4]。

2 軟件分析及建模

2.1分析軟件Slide概述

使用可靠度計(jì)算軟件是Slide[5]，他是一款計(jì)算巖土二維邊坡穩(wěn)定的軟件，由加拿大Rocscience公司研發(fā)[6]。不僅能研究邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，而且能分析圓弧或非圓弧的潛在失穩(wěn)滑動面?？梢詮腁uto CAD導(dǎo)入模型也可以直接在該軟件中繪制模型。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地建立和計(jì)算分析[7]。外界荷載、地下水、支護(hù)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(例如Ordinary/Fellenius法、Bishop simplified法和Janbu simplified法等不同的方法)來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性[8]。

2.2尾礦壩穩(wěn)定性可靠度分析

2.2.1 尾礦壩模型建立

建立壩體穩(wěn)定性分析模型，如圖1所示(僅以正常工況下的壩體模型為例)，模型的尺寸均是以現(xiàn)狀壩體中軸線處的剖面的尺寸來分析，因此在分析考慮壩體模型的穩(wěn)定性時選取的計(jì)算參數(shù)為壩體中軸線上的尾礦材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。由工勘資料可知，壩體各材料物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)列于表1。

圖1 壩體穩(wěn)定性分析模型

尾礦類別尾中砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)尾細(xì)砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)尾粉砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)均值2．9918．3720．8411．0316．6623．3719．1214．7525．40方差0．850．110．7910．100．902．185．060．380．39標(biāo)準(zhǔn)差0．920．330．893．180．951．482．250．620．63

尾礦庫現(xiàn)狀的壩高和庫容均為四等庫?！段驳V庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2006-2005)中對上游式尾礦壩的最小干灘長度與最小安全超高的規(guī)定如表2所示。

表2 上游式尾礦壩的最小干灘長度與最小安全超高

在計(jì)算洪水工況和特殊工況下的壩體穩(wěn)定性前，應(yīng)該按照四等尾礦庫的最小干灘長度與最小安全超高的要求建立尾礦庫模型并預(yù)先分析尾礦庫在洪水工況下的滲流情況，得出尾礦壩的浸潤線。

2.2.2 尾礦庫正常運(yùn)行條件下的可靠度分析

在可靠度分析中，由于Ordinary /Fellenius法是《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2006-2005)和《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5063-2013)惟一相同的法定計(jì)算方法，因此本文選用Ordinary/Fellenius法計(jì)算考慮沉積特性的尾礦壩在正常運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 正常運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度

通過圖2可以得到6個淺黃色的滑動面。其中1個淺黃色的滑動面和淺綠色的滑動面是重合的，這個淺黃色的滑動面即為“臨界確定性滑動面”，他被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例為715/1 000，占有的比例最大。這些淺黃色的滑面被分為兩組，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面較淺位置，只是穿過尾中砂一種材料。其他淺黃色滑面位于坡面較深位置，穿過尾中砂和尾細(xì)砂兩種材料。

各個滑動面被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例以及該滑面安全系數(shù)的范圍如表3所示。

表3 正常運(yùn)行條件下搜索到的滑動面

通過“整體邊坡法”計(jì)算可靠度，得到的3種計(jì)算結(jié)果如表4所示，通過與規(guī)范對比分析可知，該尾礦庫正常運(yùn)行條件下的壩體為穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 正常運(yùn)行條件下穩(wěn)定性可靠度計(jì)算結(jié)果比較

2.2.3 尾礦庫洪水運(yùn)行條件下的可靠度分析

選用Ordinary /Fellenius法計(jì)算考慮沉積特性的尾礦壩在正常運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 洪水運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度

通過圖3可以得到6個淺黃色的滑動面和1個紅色滑動面。同樣可以看到其中一個淺黃色的滑動面和淺綠色的滑動面是重合的，這個淺黃色的滑動面即為“臨界確定性滑動面”，他被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例為401/1 000，占有的比例最大。這些淺黃色的滑面被分為三組，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面較淺位置，只是穿過尾中砂一種材料?！盎?”、“滑面4”、“滑面5”位于坡面較深位置，穿過尾中砂和尾細(xì)砂兩種材料?！盎?”只是穿過了初期壩一種材料，由于初期壩的材料參數(shù)未設(shè)定為變量，因此其安全系數(shù)為定值。這些滑面中，“滑面7”的安全系數(shù)低于規(guī)程中規(guī)定的安全系數(shù)值。

各個滑動面被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例以及該滑面安全系數(shù)的范圍如表5所示。

表5 洪水運(yùn)行條件下搜索到的滑動面

通過“整體邊坡法”計(jì)算可靠度，得到的3種計(jì)算結(jié)果如表6所示，通過與規(guī)范對比分析可知，該尾礦庫洪水運(yùn)行條件下的壩體為穩(wěn)定狀態(tài)。但值得注意的是“滑面7”的安全系數(shù)范圍低于規(guī)范值，存在失穩(wěn)的可能性。

表6 洪水運(yùn)行條件下穩(wěn)定性可靠度計(jì)算結(jié)果比較

2.2.4 尾礦庫特殊運(yùn)行條件下的可靠度分析

選用Ordinary/Fellenius法計(jì)算考慮沉積特性的尾礦壩在特殊運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 特殊運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度

通過圖4可以得到7個淺黃色的滑動面和4個紅色滑動面。同樣可以看到其中一個淺黃色的滑動面和淺綠色的滑動面是重合的，這個淺黃色的滑動面即為“臨界確定性滑動面”，臨界確定性滑動面被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例為168/1 000，占有的比例不是最大的，與之前正常運(yùn)行條件下和洪水運(yùn)行條件下不同。這些淺黃色的滑面被分為兩組，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面較淺位置，只是穿過尾中砂一種材料。其余淺黃色的滑動面位于坡面較深位置，穿過尾中砂和尾細(xì)砂兩種材料。這些滑面中，“滑面7”、“滑面8”、“滑面9”、“滑面10”的安全系數(shù)的范圍低于規(guī)程中規(guī)定的安全系數(shù)值。

各個滑動面被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例以及該滑面安全系數(shù)的范圍如表7所示。

表7 特殊運(yùn)行條件下搜索到的滑動面

通過“整體邊坡法”計(jì)算可靠度，得到的3種計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 特殊運(yùn)行條件下穩(wěn)定性可靠度計(jì)算結(jié)果比較

“整體邊坡”、“臨界概率滑動面”、“臨界確定性滑動面”的平均安全系數(shù)均大于規(guī)程中規(guī)定的特殊運(yùn)行條件下安全系數(shù)值1。三者的可靠性指數(shù)較為接近，均小于《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50199-2013)中規(guī)定的可靠性指標(biāo)。通過以上分析可知該尾礦庫洪水運(yùn)行條件下的壩體為極有可能失穩(wěn)。特別值得注意的是“滑面7”、“滑面8”、“滑面9”、“滑面10”的安全系數(shù)范圍低于規(guī)范值，這些滑面被概率分析的次數(shù)占總的概率分析次數(shù)的比例之和為364/1000，大于1/3，這些滑面位置存在失穩(wěn)的可能性。

2.3敏感度分析

敏感度分析是針對一個或者多個選定的輸入?yún)?shù)，通過指定一個最小和最大值，在最大值和最小值之間的每個參數(shù)隨同一增量而變化，且每一個參數(shù)對應(yīng)的“整體最小”滑動面的安全系數(shù)均被計(jì)算。這將會產(chǎn)生安全系數(shù)與輸入?yún)?shù)的關(guān)系圖，并可以通過輸入安全系數(shù)的臨界值，以便改變其輸入?yún)?shù)。通過觀察得到的敏感度曲線圖各條變量曲線的變化，可以知道該變量對安全系數(shù)的敏感度。其中曲線變化較大的為對安全系數(shù)較為敏感的變量，曲線變化不大的為對安全系數(shù)不敏感的變量。

在Slide程序中可直接計(jì)算各個參數(shù)的敏感度，尾礦壩在3種不同運(yùn)行條件下的敏感性分析結(jié)果如圖5所示。

將以上分析結(jié)果導(dǎo)出到excel 表格中，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排列后可以匯總得到一個范圍，如表9所示。

通過以上的圖和表分析總結(jié)可知：在3種運(yùn)行條件下尾細(xì)砂的內(nèi)摩擦角對尾礦壩的安全系數(shù)影響較大(安全系數(shù)變化較大)，即尾細(xì)砂的內(nèi)摩擦角敏感度較高。尾粉砂的粘聚力、內(nèi)摩擦角、容重對安全系數(shù)的影響較小(安全系數(shù)未發(fā)生變化)，即尾粉砂的粘聚力、內(nèi)摩擦角、容重敏感度較小，同樣也說明了整個壩體影響壩體安全系數(shù)的只是最前面的部分，越接近尾礦庫尾部的對壩體的安全系數(shù)影響越小。

圖5 3種運(yùn)行條件下各參數(shù)的敏感度分析結(jié)果

3 結(jié) 論

尾礦沉積特性是客觀存在的，但是在尾礦庫設(shè)計(jì)中卻未把這一現(xiàn)象考慮在壩體穩(wěn)定性分析中，與尾礦庫建設(shè)過程的壩體結(jié)構(gòu)不符合。以某尾礦庫為工程實(shí)例，運(yùn)用Slide軟件的可靠度分析方法分析有沉積特性的尾礦壩穩(wěn)定性可靠度。主要得出以下結(jié)論：

1) 通過運(yùn)用邊坡穩(wěn)定性軟件Slide快速建立某尾礦庫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：運(yùn)用Slide軟件Statistics(概率分析模塊)計(jì)算有沉積特性的壩體模型在正常運(yùn)行條件下、洪水運(yùn)行條件下、特殊運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性可靠度。在正常運(yùn)行條件下、洪水運(yùn)行條件下計(jì)算得到的可靠性指數(shù)大于《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50199-2013)中的規(guī)范值，滿足安全生產(chǎn)要求，但是在特殊運(yùn)行條件下計(jì)算的可靠性指數(shù)小于規(guī)范值，不滿足安全生產(chǎn)的要求。存在巨大的安全隱患，并需要立即提出整改方案，防止特殊工況條件下事故的發(fā)生。

表9 尾礦材料參數(shù)對尾礦壩安全系數(shù)的影響大小

2) 運(yùn)用Slide軟件Statistics(概率分析模塊)，選擇粘聚力、內(nèi)摩擦角、容重作為隨機(jī)變量，計(jì)算有沉積特性的壩體模型在正常運(yùn)行條件下、洪水運(yùn)行條件下、特殊運(yùn)行條件下的壩體穩(wěn)定性的敏感度?？芍谌N運(yùn)行條件下尾細(xì)砂的內(nèi)摩擦角對尾礦壩的安全系數(shù)的影響較大，即敏感度最高。以此來探索各種尾礦材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)對壩體穩(wěn)定性的敏感度影響的規(guī)律。

3) 邊坡穩(wěn)定性軟件Slide在國內(nèi)的應(yīng)用并不廣泛，邊坡穩(wěn)定性的分析實(shí)例也不多。但是，采用Slide軟件可以直觀、準(zhǔn)確、快速地建立起尾礦壩的模型，并且在計(jì)算方面，Slide軟件計(jì)算參數(shù)少、計(jì)算速度快、結(jié)果準(zhǔn)確、可靠度高。所以，采用Slide軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析具有廣泛的應(yīng)用，在今后的使用過程中，可以不斷地?cái)U(kuò)大Slide軟件的應(yīng)用。

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InfluenceofInhomogeneityofTailingsSedimentonStabilityofDam

MA Longlong, YUAN Liwei, CHEN Yuming, PU Xinglin

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

In this paper, we have made our studies in the influence of sedimentary characteristics of the tailings dam stability on base of the importance of tailings deposition uneven characteristic. We use the slide software as a tailings dam in stability model, which is established to analyze the calculation of tailing dam under normal, including flood, special working condition of three kinds of the sensitivity of the reliability and stability of the tailing material. The results show that the tailings in the normal, flood operation under the condition of reliability index will conform to the rules. In special operating conditions, the reliability index is lower than the standard value. It will not meet the requirements of safety in production. In three kinds of operation conditions, tail sand influence on the stability of tailings dam is the largest.

Tailings dam; Reliability; Sensitivity; Stability

2016-09-05

國家安監(jiān)總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(10-101)；昆明理工大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助省級人培項(xiàng)目(KKSY201421072)

馬龍龍(1991-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，研究方向：安全技術(shù)及工程，手機(jī)：18213825992，E-mail：544186780@qq.com；通信作者：袁利偉(1978-)，男，河南漯河市人，講師，研究方向：礦山安全、風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害，E-mail：13508718218 kertylw@163.com.

TV649

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.030