多種工況下尾礦壩穩(wěn)定性分析

張海滿，袁 穎，李紹康

（河北地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北石家莊 050031）

多種工況下尾礦壩穩(wěn)定性分析

張海滿，袁 穎，李紹康

（河北地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北石家莊 050031）

尾礦壩的穩(wěn)定性是評價一座尾礦庫安全的重要指標，然而尾礦壩的壩高、坡比以及尾礦渣的不同狀態(tài)是影響尾礦壩穩(wěn)定性的重要影響因素。在分析尾礦壩穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，通過FLAC3D軟件內(nèi)嵌的強度折減法計算分析了同種條件下某尾礦壩的壩高、坡比對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，計算并對比了尾礦渣在自然和飽水狀態(tài)下尾礦壩的安全系數(shù)。結(jié)果表明：在相同壩高下，坡比對穩(wěn)定性影響較大，而在相同坡比下，壩高對穩(wěn)定性影響相對較小；飽水狀態(tài)下的尾礦渣更容易使尾礦壩體發(fā)生破壞。

尾礦壩；穩(wěn)定性；影響因素；強度折減法

0 引言

尾礦庫是指用來儲存在礦山開采過程中經(jīng)過篩選出有用的礦石而剩下的廢棄礦石－礦渣的儲存場所。我國是礦產(chǎn)資源需求大國，并有著豐富的礦產(chǎn)資源，隨著礦山企業(yè)的急劇增加，尾礦庫的數(shù)量也是越來越多。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有尾礦庫12萬余座，其中正常庫僅有不足7745座，由此可見，我國尾礦庫安全形勢不容樂觀［1］。所以對尾礦庫穩(wěn)定性的研究有著重要意義。

尾礦壩的穩(wěn)定性是評價一座尾礦庫安全的重要指標。目前尾礦庫的穩(wěn)定性分析方法仍沿用土力學(xué)的傳統(tǒng)分析方法，以極限平衡法為主。極限平衡法是依據(jù)剛體極限平衡理論所發(fā)展的一種最早也是最常用的計算方法，由于其理論簡單，所需參數(shù)少，所以得到了普遍應(yīng)用。但這種方法往往需要引入一些假設(shè)：如需給定滑裂面的形狀和位置，不考慮滑體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系等。隨著計算機功能的日益強大，強度折減法逐漸成為了巖土工程數(shù)值模擬的熱點。它的優(yōu)點是不用事先假定破壞面的形狀和位置，通過不斷的對巖土體強度指標c、?進行折減直至達到臨界破壞，從而求得安全系數(shù)。目前強度折減法在邊坡和土石壩的穩(wěn)定性分析方面應(yīng)用較多［2－4］。本文利用FLAC3D軟件內(nèi)嵌的強度折減法，選取典型的工程實例，探究坡比和壩高對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，并對比尾礦渣在飽水和自然狀態(tài)下尾礦壩的穩(wěn)定性狀況。計算尾礦壩體安全系數(shù)，對整個尾礦庫進行安全評價。

1 尾礦壩穩(wěn)定性影響因素

1.1 壩體材料對穩(wěn)定性的影響

材料固有的物理力學(xué)性質(zhì)是影響壩體穩(wěn)定性的重要因素［5］，其物理力學(xué)性質(zhì)（包括c、?值，滲透性等）不同，尾礦壩抗滑穩(wěn)定性也不同。例如初期壩采用粘土壩和碎石壩會對尾礦庫穩(wěn)定性有重要影響［6］。黃英華等［7］對尾砂及堆壩材料的c、?值對壩體穩(wěn)定性的影響進行了研究，得出c、?值越大，壩體越穩(wěn)定，且c、?之間具有一定的相關(guān)性，?值的影響大于c值。

1.2 壩坡比對穩(wěn)定性的影響

坡比的大小對尾礦壩的穩(wěn)定性及受力形態(tài)有顯著影響。孫國文等［8］探討了細粒尾礦壩安全穩(wěn)定性影響因素并通過試驗得出：堆積壩坡度每增大10°，其壩體承載能力至少減至原來的1／5～1／6，表明堆積壩的坡度對尾礦壩的穩(wěn)定性影響較大。坡比的大小對壩體材料掉落的位移距離也有著較敏感的影響［9］。

1.3 壩高對穩(wěn)定性的影響

隨著尾礦排放量的增大，現(xiàn)今尾礦庫堆筑越來越高。隨著壩頂高度的增高，尾礦壩抗滑穩(wěn)定性隨之降低，但降低趨勢較緩慢，降幅很?。?0］。宋傳旺［11］用FLAC軟件模擬堆積壩高度對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，得出尾礦壩的安全系數(shù)隨堆積壩高度升高而降低。

1.4 其他因素

影響尾礦壩穩(wěn)定性的因素有很多，例如浸潤線位置的高低也是影響壩體穩(wěn)定性的重要因素之一［12－13］。浸潤線較高使得庫區(qū)干灘長度變短，壩體的孔隙水壓力上升，尾礦難以固結(jié)，降低了壩體的抗滑穩(wěn)定性。另外地震、降雨以及壩基地質(zhì)工程條件等外在因素對壩體穩(wěn)定性也有影響，尾礦庫事故的發(fā)生也往往是多種因素共同作用的結(jié)果。

2 工程實例

2.1 工程概況

河北省某尾礦庫位于一條呈“V”字形的山間溝谷中，屬于山谷類型尾礦庫，采用上游法筑壩。尾礦庫所在礦區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地形有些溝谷，地表出露基巖為強風(fēng)化砂頁巖，庫區(qū)地表無常年性積水，周圍由山前逐漸過渡到平原地區(qū)，庫區(qū)下游有小型村莊。

該尾礦庫現(xiàn)總壩高約為48m，堆積壩平均外坡比約為1∶3，初期壩為粉質(zhì)粘土壩，壩高28.3m，壩頂寬約4.0m，內(nèi)外壩坡比均為1∶3，總壩長506 m，正常運行下的干灘長度在300m左右，最小干灘長度在290m左右，在汛期干灘長度會有所減小。在初期壩壩趾處位置設(shè)有排滲棱體，排滲棱體為碎石組成。根據(jù)尾礦庫的等級劃分，該尾礦庫級別為三等。尾礦庫縱斷面示意圖，如圖1所示。

圖1 尾礦庫縱斷面示意圖Fig．1 The sketch map of vertical section of tailing pond

2.2 計算工況

為了分析不同狀態(tài)下的尾礦壩的穩(wěn)定性以及壩高、坡比對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，本文共取4種工況進行計算。工況一為干燥狀態(tài)下尾礦渣的穩(wěn)定性分析；工況二為在現(xiàn)狀壩坡比下，加高20m，以研究壩高對尾礦壩穩(wěn)定性的影響；工況三為在壩高相同情況下，改變堆積壩壩坡比為1∶2，以研究壩坡對穩(wěn)定性的影響；工況四為尾礦渣在飽水狀態(tài)下，以研究不同狀態(tài)的尾礦渣對尾礦壩穩(wěn)定性的影響。

本次計算采用FLAC3D軟件建立模型并計算，模型選取該尾礦庫的主斷面，在垂直斷面方向（y方向）取單位厚度，其網(wǎng)格模型如圖2所示。本次建模主要采用brick和wedge網(wǎng)格模型，共756個單元，1634個節(jié)點。在進行網(wǎng)格剖分時，要考慮到尾礦庫不同地段庫體的變化，基于在不同單元接觸處以及形狀變化劇烈地段以及可能最危險滑動面，進行較密劃分（增加size數(shù)），平穩(wěn)過渡的原則。網(wǎng)格建立時，按材料將模型分為4個組，分別為基巖、堆石體、粘土壩和尾粉砂，以利于賦予材料參數(shù)。

根據(jù)尾礦壩材料的物理力學(xué)性質(zhì)，可將其視為連續(xù)的彈塑性介質(zhì)，計算本構(gòu)模型采用Mohr?Column模型，尾礦庫相應(yīng)的材料參數(shù)如表1所列。

圖2 力學(xué)模型Fig．2 Mechanical model

表1 物理力學(xué)參數(shù)Tab．1 Physic?mechanical parameters

3 計算結(jié)果及分析

圖3和圖4為各種工況下強度折減后x方向計算應(yīng)力云圖和位移云圖。

圖3 各種工況下的應(yīng)力云圖σxxFig．3 Contour stress of σxxin different conditions

利用FLAC3D軟件求解安全系數(shù)時主要是依據(jù)數(shù)值計算不收斂作為判據(jù)，幾種工況下計算均收斂。從應(yīng)力云圖和位移云圖可以看出，在自然狀態(tài)下σxx整體受力較均勻，在初期壩內(nèi)壩坡與基巖交匯處出現(xiàn)小部分應(yīng)力集中，導(dǎo)致原因可能是地形起伏變化較大，此處網(wǎng)格劃分較密造成。從圖4（a）可知位移最大值發(fā)生在初期壩排水棱體處，整個尾礦壩的潛在滑移面從初期壩底部排水棱體處至堆積壩頂部，滑動面呈圓弧形。在加高20m后，其受力形態(tài)與工況一基本相同，局部位置，特別是與基巖交界位置處出現(xiàn)張拉和剪切破壞區(qū)，總體來看，破壞區(qū)域較微小，并且沒有形成貫通（圖3（b））。由圖3和圖4中c圖可以看出，在壩坡比改為1∶2后，σxx沒有發(fā)生太大變化，除上述初期壩外壩坡坡腳處，其他位置沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象?；瑒用嫘螒B(tài)發(fā)生變化，位移由初期壩向堆積壩轉(zhuǎn)移，主要破壞面由堆積壩坡底到坡頂形成的圓弧區(qū)域，由于坡度變陡，形成的滑移面較淺。圖4（d）是尾礦渣在飽水狀態(tài)時的位移狀況，尾礦庫各部分參數(shù)值選取為飽水時的參數(shù)，可以看出壩體整體位移量增大，尤其在初期粘土壩表現(xiàn)明顯，由于在飽水狀態(tài)下其粘聚力和內(nèi)摩擦角的減小使得抗剪強度降低，導(dǎo)致位移增長較大。

表2為采用FALC3 D內(nèi)置的強度折減法計算得到的不同工況下的安全系數(shù)值。

圖4 各種工況下的位移云圖Fig．4 Nephogram of displacement in different conditions

表2 不同工況安全系數(shù)Tab．2 Safe factors in different conditions

從安全系數(shù)來看，尾礦庫加高和減小坡比都會降低尾礦壩的穩(wěn)定性，但壩高影響較微弱，而坡比更為敏感。與自然狀態(tài)相比，在飽水狀態(tài)下，由于礦渣在飽水后容重增加，內(nèi)摩擦角和粘聚力有所降低，所以壩體整體穩(wěn)定性變差。根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程（AQ2006—2005）》可知，正常運行下三等尾礦庫按瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不得小于1.20，洪水情況下不小于1.1。因此，表2的計算結(jié)果表明，該尾礦庫在不同工況下均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

采用FLAC3D軟件內(nèi)嵌的強度折減法對不同工況下的尾礦壩穩(wěn)定性進行多種模擬，結(jié)果表明：

（1）在自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下該尾礦庫都較為安全，潛在位移主要由初期壩承受，尤其在排水棱體處存在較大位移量，建議在排水棱體處做加固處理。

（2）加高壩高和減小壩坡比都會降低尾礦壩的穩(wěn)定性，但壩高影響較小，而壩坡比更為敏感。

（3）在自然和飽水狀態(tài)下計算所得安全系數(shù)分別為1.68和1.44，安全系數(shù)下降14%，可見處于飽水狀態(tài)的尾礦渣更容易發(fā)生壩體穩(wěn)定性破壞。

［1］ 于廣明，宋傳旺，潘永戰(zhàn)，等．尾礦壩安全研究的國外新進展及我國的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（S1）：3238－3248．

［2］ 鄭穎人，趙尚毅，孔位學(xué)，等．巖土工程極限分析有限元法［J］．巖土力學(xué)，2005，26（1）：163－168．

［3］ 連鎮(zhèn)營，韓國城，孔憲京．強度折減有限元法開挖邊坡的穩(wěn)定性［J］．巖土工程學(xué)報，2001，23（4）：407－411．

［4］ 趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民，等．用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］．巖土工程學(xué)報，2002，24（3）：343－346．

［5］ 尹光志，魏作安，許江．細料尾礦及其堆壩穩(wěn)定性分析［M］．重慶：重慶大學(xué)出版社，2004．

［6］ 李強，張力霆，齊清蘭，等．基于流固耦合理論某尾礦壩失穩(wěn)特性及穩(wěn)定性分析［J］．巖土力學(xué)，2012，（S2）：243－250．

［7］ 黃英華，徐必根，劉小林．尾礦壩抗滑穩(wěn)定性及影響因素敏感度分析研究［J］．有色金屬（礦山部分），2009，（4）：41－44．

［8］ 孫國文，余果，尹光志．影響細粒尾礦壩安全穩(wěn)定性因素及對策［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，（1）：63－65．

［9］ 袁穎，王帥偉，劉珊珊．落石落距的影響因素敏感性分析［J］．防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2015，17（4）：49－55．

［10］ 胡明鑒，陳守義，郭愛國，等．某上游法尾礦壩抗滑穩(wěn)定性淺析［J］．巖土力學(xué)，2003，（S2）：254－258．

［11］ 宋傳旺，曹善忠，于廣明．子壩布置優(yōu)化對尾礦壩穩(wěn)定性影響分析［J］．青島理工大學(xué)學(xué)報，2012，（5）：18－22．

［12］ 張力霆，周國斌，谷芳，等．庫區(qū)水位急劇變化對尾礦庫壩體穩(wěn)定的影響［J］．金屬礦山，2008，08：119－122．

［13］ 尹光志，魏作安，萬玲．龍都尾礦庫地下滲流場的數(shù)值模擬分析［J］．巖土力學(xué)，2003，（S2）：25－28．

Stability Analysis of Tailings Dam under Different Conditions

Zhang Haiman，Yuan Ying，Li Shaokang
（School of Prospecting Technology and Engineering，Hebei GEO University，Shijiazhuang050031，China）

The stability of tailings dam is an important indicator to evaluate the safety of a tailings pond．However，dam height and slope ratio of the tailing dam，and the different states of tail slag are important factors affecting the stability of tailing dam．On the basis of analyzing the factors influencing the stability of tailing dam，strength reduction method embedded through FLAC3D software is adopted to calculate and analyze the effects of the dam height and slope ratio on the stability of one tailings dam under the same condition，and moreover，safety factors of tail slag under natural and saturated condition are calculated and contrasted．As indicated by the result，slope ratio has greater influence on stability on condition of the same dam height，whereas the influence of dam height on stability is relatively small on condition of the same slope ratio．And tail slag in saturated state is more likely to cause damage to the tailing dam．

tailings dam；stability analysis；affecting factors；strength reduction method

TV649

：A

：1673－8047（2017）01－0042－05

2016－07－29

河北地質(zhì)大學(xué)科技基金科研重點項目（KAG201602）．

張海滿（1990—），男，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治方面研究學(xué)習(xí)。

袁穎（1976—），男，博士，教授，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治設(shè)計、工程地質(zhì)的教學(xué)和科研工作。