梯級尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究

肖 博 徐 政 任 媛

(西安有色冶金設(shè)計研究院)

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梯級尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究

肖 博 徐 政 任 媛

(西安有色冶金設(shè)計研究院)

結(jié)合梯級尾礦庫的概念，對上游尾礦庫壩體在不同淹沒條件下進(jìn)行了壩體穩(wěn)定性分析，得出了邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，并針對梯級尾礦庫在工程設(shè)計中存在的問題提出了具體的措施，為類似工程的設(shè)計提供參考。

梯級尾礦庫 安全系數(shù) 變化規(guī)律 工程措施

尾礦庫是礦山重要的輔助設(shè)施，隨著礦山建設(shè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模擴大與土地資源短缺的矛盾越來越大，在礦山規(guī)模較小時所選擇的尾礦庫庫址經(jīng)常會遇到“小馬拉大車”的情況，即尾礦庫所在溝道很大，而尾礦庫的庫容卻較小。當(dāng)?shù)V山規(guī)模發(fā)展起來以后，就面臨了重新選擇尾礦庫庫址的問題，如不能充分利用已有尾礦庫所在溝道，必然就會造成土地資源的浪費，同時還會帶來新的環(huán)保問題。因此，對于這種礦山企業(yè)，在已有尾礦庫的溝道上游或下游再新修建一尾礦庫成了比較合理的選擇。

在同一條溝道內(nèi)，自上而下地分期建設(shè)呈階梯式的尾礦設(shè)施稱之為梯級尾礦庫，類似于梯級水電站，但梯級尾礦庫之間聯(lián)系更為緊密，兩者之間影響較大，下游尾礦庫能將上游尾礦庫淹沒甚至完全包裹。

本文將探索梯級尾礦庫中下游庫對上游庫的影響，尤其是對其壩體穩(wěn)定性的影響。采用3種計算方法對上游庫尾礦壩體在不同的淹沒條件下的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行計算，并對計算結(jié)果對比分析，提出相應(yīng)的工程對策。

1 工程概況

陜西省渭南市某溝道上游已有一座尾礦庫，上世紀(jì)80年代初期投入運行，目前仍正在使用，該庫設(shè)計采用上游法沖填筑壩，初期壩頂標(biāo)高1 176.5 m，最終堆積壩頂標(biāo)高1 300.0 m，總壩高164.5 m，總庫容1.65×108m3，為二等尾礦庫。由于企業(yè)探礦工程取得重大進(jìn)展，選礦廠進(jìn)行了擴建改造，需要新建一配套尾礦庫。經(jīng)過前期設(shè)計，新建尾礦庫在該溝道的下游，距離上游尾礦庫5.8 km，設(shè)計初期壩頂標(biāo)高1 080.0 m，最終堆積壩頂標(biāo)高1 203.0 m，總壩高191.0 m，設(shè)計有效庫容2.0×108m3。下游尾礦庫最高洪水位1 199.0 m，高出上游尾礦庫初期壩腳63.0 m，高于初期壩頂22.5 m。該區(qū)域地震設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.15 g。

2 壩體穩(wěn)定性分析

壩體穩(wěn)定性分析通常采用極限平衡法和有限單元法[1-3]。本文采用《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)[4]中推薦的極限平衡法，選用中科院Stab、理正巖土計算軟件和河海大學(xué)開發(fā)的Autobank軟件進(jìn)行計算，瑞典圓弧法進(jìn)行對比分析。

2.1 計算工況

隨著下游尾礦庫的逐年升高，庫水位也逐年升高，雖然下游尾礦壩的最終設(shè)計標(biāo)高為1 203.0 m，但為探索下游水位升高對尾礦壩壩體抗滑安全系數(shù)的變化規(guī)律，本文將從上游尾礦庫初期壩壩腳起算，水位每上升15 m計算一次，計算至1 240.0 m處，約為上游堆積壩高度的1/2處。表1為壩體尾礦層物理力學(xué)參數(shù)。

表1 尾礦土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 浸潤線計算

根據(jù)上游尾礦庫工程勘察結(jié)果，選取最大剖面的浸潤線作為基礎(chǔ)計算數(shù)據(jù)(圖1)，當(dāng)下游水位上升時，采用水力學(xué)方法[5]進(jìn)行滲流計算，分兩種情況進(jìn)行分析。浸潤線計算工況見表2。

圖1 尾礦概化分區(qū)及浸潤線計算結(jié)果

工況下游水位/m計算模型1<1176.5壩體下游有排水設(shè)備,且下游有水2>1176.5壩體下游無排水設(shè)備,且下游有水

(1)工況1。壩體下游有排水設(shè)備，且下游有水。各參數(shù)計算公式為

(1)

式中，h0為自由水面線在縱坐標(biāo)軸截面上的水深；L為上游水位與壩坡交點至下游水面的水平距離；S為排土體滲入壩體內(nèi)深度；q為壩體滲流量；k為壩體滲透系數(shù)；H1為上游水位；H2為下游水位；m1為壩的下游邊坡坡率(或排水體下游邊坡坡率)；m2為壩的上游邊坡坡率；d為排水體的高度；t為排水體的寬度。

(2)工況2。壩體下游無排水設(shè)備，且下游有水。

采用矩形壩段替代法和圓弧形等勢線法的組合方法，按以下公式計算:

(2)

式中,a0為浸潤線與壩坡的交點至下游水面的高度；L0為中間滲流壩段水平距離;ΔL為上游滲流壩體段替代矩形體的寬度；θ為下游壩坡坡角；其他符號意義同前。

由圖1可以看出，當(dāng)水位超過初期壩頂時，浸潤線有部分出逸。

2.3 壩體穩(wěn)定計算

在得到下游各水位淹沒條件下的浸潤線后，利用前述3種軟件分別建模進(jìn)行壩體穩(wěn)定計算，其中中科院Stab軟件為人工指定滑弧位置，理正和Autobank7.0均是自動搜索滑弧位置，安全系數(shù)變化規(guī)律見圖2。

圖2 下游水淹沒時壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律

從以上計算可以看出，當(dāng)下游尾礦庫水位淹沒上游尾礦壩壩坡時，3種軟件計算上游尾礦壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最多分別下降6.4%、9.8%和8.8%，安全系數(shù)最低的位置基本在初期壩頂以上，Stab和理正的計算結(jié)果在1 180.0 m位置最低，Autobank7.0計算的結(jié)果在1 195.0 m位置最低。分析其原因應(yīng)該是各軟件計算的精度、計算過程迭代的次數(shù)不一樣所造成的，但安全系數(shù)總體變化規(guī)律基本是一致的，隨著下游水位的不斷上升，安全系數(shù)均是先降低后上升再降低的過程。

3 排滲工程措施

從以上的分析計算可以看出，當(dāng)下游尾礦庫的水面直接和上游尾礦壩面接觸時壩體安全系數(shù)均可滿足安全技術(shù)規(guī)程的要求。但由于尾礦砂是可液化的土體，要保證在7度地震時不產(chǎn)生液化，根據(jù)該尾礦的靜力觸探分析計算得出，浸潤線深度必須在6 m 以上。因此，在下游尾礦庫水位和上游尾礦庫直接接觸的情況下，上游尾礦壩邊坡尾砂會產(chǎn)生液化的現(xiàn)象。

最簡單的處理措施是在上游尾礦庫的外邊坡進(jìn)行壓坡，使上游尾礦庫和下游尾礦庫的水面隔離開來。另外，尾礦庫初期壩是一個排水棱體，壩下會有尾礦庫正常的滲流水，當(dāng)采取壓坡措施后，為不影響尾礦庫原有的排滲通道，原來浸潤線保持不變，必須改造滲流水回收設(shè)施。雖然上游尾礦庫在閉庫后滲水量會減少，但由于天然徑流的積水在庫內(nèi)的存積是不可避免的，滲流還會繼續(xù)，同時，下游尾礦庫水位的抬升會通過壓坡體向上游滲透，因此，排走這些滲水是上游尾礦庫堆積壩水位不上升的前提。

3.1 壓坡體

壓坡體可采用碾壓堆石結(jié)構(gòu)，但造價相對較高。為節(jié)省投資，也可采用尾砂進(jìn)行壓坡，若尾砂粒度過細(xì)，可采用旋流器分級，分級后的粗尾礦進(jìn)行壓坡。壓坡體長度宜大于200 m，堆積邊坡可以控制在1∶3.0左右。壓坡體可以一次形成，也可以分次形成，但應(yīng)始終保持壓坡頂面高出庫水位10 m以上。

3.2 排滲設(shè)施

在壓坡體和上游尾礦壩接觸的部位均應(yīng)設(shè)排滲措施，在上游尾礦庫堆積壩外坡和壓坡體之間設(shè)排水帶，厚1 m，由土工模袋裝填5～80 mm的礫石形成；在上游尾礦庫初期壩外側(cè)新加設(shè)土工布反濾層，以防壓坡尾礦進(jìn)入堆石體內(nèi)，引起淤堵。

為收集下游尾礦庫通過該壓坡體向上游滲透的水，在上游尾礦庫初期壩下設(shè)置排滲井，井頂伸至初期壩頂。在井底設(shè)集水廊道，在壓坡體內(nèi)沿集水廊道設(shè)水平排滲管網(wǎng)，每10 m一層，形成多層立體的排滲管網(wǎng)，更有利于上游尾礦庫和下游壓坡體浸潤線的控制。

3.3 排滲后壩體穩(wěn)定計算

在采取尾砂壓坡和相應(yīng)的排滲設(shè)施后，壩體穩(wěn)定計算結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié) 論

(1)在梯級尾礦庫中，下游尾礦庫對上游尾礦庫壩體抗滑穩(wěn)定的影響是有限的，在同一溝道內(nèi)修建相互關(guān)聯(lián)的尾礦庫是可行的。

(2)梯級尾礦庫上游尾礦壩在下游尾礦庫庫水位淹沒時，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)呈先下降再上升的變化趨勢；在尾砂淹沒時，在上游尾礦庫浸潤線能有效控制的情況下，初期壩頂以下壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本不變，超過初期壩頂后安全系數(shù)逐漸上升。

圖3 下游尾砂淹沒時壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律

(3)采用尾砂壓坡是解決梯級尾礦庫上游尾礦壩尾砂地震液化的有效措施，也是較經(jīng)濟的工程措施，具體壓坡厚度范圍應(yīng)根據(jù)尾砂的工程勘察資料進(jìn)行分析。

(4)梯級尾礦庫之間的排滲措施是保證上游尾礦庫安全穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，工程實際中應(yīng)根據(jù)上游尾礦庫的現(xiàn)狀進(jìn)行改造，一方面不抬升上游尾礦庫的浸潤線，另一方面需要控制下游尾礦庫尾礦水向上游的滲透。

[1] 梁 力，李 明，王 偉,等.尾礦庫壩體穩(wěn)定性數(shù)值分析方法[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007(5)：11-15.

[2] 卜 磊，周漢民，李長洪,等.極限平衡法與強度折減法分析尾礦壩穩(wěn)定性比較[J].有色金屬:礦山部分,2014,66(6)：70-74.

[3] 彭朝洪，孟祥瑞.基于有限元數(shù)值模擬的尾礦庫堆積壩應(yīng)力應(yīng)變分析[J].價值工程,2015(10):120-123.

[4] 中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[5] 顧慰慈.滲流計算原理及應(yīng)用[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2000.

2016-06-27)

肖 博(1983—)，男，工程師，碩士，710001 陜西省西安市南大街10號。