唐山某尾礦庫壩體穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

王明輝，康志強，李 蕾

（1.遷西縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，唐山 河北 064300；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，唐山 河北 063210）

唐山某尾礦庫壩體穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

王明輝1，康志強2，李 蕾2

（1.遷西縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，唐山 河北 064300；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，唐山 河北 063210）

以河北省唐山市某礦山尾礦庫壩體為例，利用河海大學(xué)自主研發(fā)的計算軟件AutoBank，并采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法分別計算尾礦庫壩體在正常、洪水及特殊運行工況下的穩(wěn)定性系數(shù)。壩體在正常、洪水以及特殊工況下運行，采用兩種計算方法計算得出的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)遠大于AQ2006—2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程的技術(shù)要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)，為該礦山災(zāi)害預(yù)防和治理提供了可靠的理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

尾礦庫壩體；瑞典圓弧法；簡化畢肖普法；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

0 引 言

尾礦庫作為礦山災(zāi)害重大危險源之一，其壩體的穩(wěn)定性問題一直受到礦山企業(yè)的高度重視。經(jīng)過礦山企業(yè)及相關(guān)人員的多年研究，已經(jīng)提出大量壩體穩(wěn)定性的研究方法，如瑞典圓弧法、簡化畢肖普法、Janbu法、傳遞系數(shù)法等[1-2]。王纓[3]采用改進的畢肖普法對邊坡穩(wěn)定性進行研究，得出了改進公式并以此計算出更精確的穩(wěn)定系數(shù)，同時指出所總結(jié)公式的不足之處，并給出了完善畢肖普法計算公式的研究方向。馬躍、陳建州[4]對尾礦庫壩體展開了二維滲流研究，計算所得浸潤線基本符合礦山現(xiàn)場測得浸潤線，并采用瑞典圓弧法對尾礦庫壩體在正常工況、洪水工況以及特殊工況3種條件下運行的穩(wěn)定性，由計算結(jié)果可知，該尾礦庫在以上3種條件下運行均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

利用河海大學(xué)自主研發(fā)的AutoBank軟件，并結(jié)合瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算正常工況、洪水工況以及特殊工況3種條件下尾礦庫壩體的穩(wěn)定性系數(shù)，在分析軟件計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件模擬壩體在正常工況、洪水工況以及特殊工況下運行的穩(wěn)定性情況，研究2種計算方法下壩體的穩(wěn)定性情況以及穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。

1 尾礦庫庫區(qū)地形及周圍環(huán)境簡介

該礦山尾礦庫為一山谷型尾礦庫，溝口朝北，尾礦庫三面環(huán)山在溝口筑壩而成。根據(jù)企業(yè)提供1:2 000的周邊環(huán)境圖與現(xiàn)場調(diào)查，庫區(qū)上游三面環(huán)山，初期壩下游560 m處為榆木嶺村。此外，尾礦庫下游再無大型工礦企業(yè)、大型水源地，無國家和省重點保護名勝古跡，無珍稀野生動物，無有開采價值的礦床，無鐵路等重要工程。

該尾礦庫所處山谷主溝為南-北朝向，總體地勢為南高北低，距離溝口約250 m處分為東西2個支溝，現(xiàn)狀尾礦庫位于西側(cè)支溝。

庫區(qū)出露和揭露基巖主要為太古界遷西群地層（Ar），巖性為混合片麻巖為主。太古界混合片麻巖巖體分布于整個庫區(qū)廣闊區(qū)域，是構(gòu)成尾礦庫兩側(cè)山體的主體，庫區(qū)混合片麻巖風(fēng)化層主要為全風(fēng)化-強風(fēng)化－中風(fēng)化，全風(fēng)化層厚度一般較薄。

2 尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析

2.1 尾礦庫的等級及標(biāo)準

根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中尾礦庫等別劃分標(biāo)準，該尾礦庫劃分為四等尾礦庫，尾礦壩作為主要構(gòu)筑物，重要性級別為4級。根據(jù)GB18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（2015年修訂），該地區(qū)設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.10 g，地震基本烈度為7度。依據(jù)GB50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，應(yīng)進行抗震驗算。

2.2 尾礦庫壩體穩(wěn)定性計算

根據(jù)尾礦庫在3種工況下運行的實際情況以及AQ2006—2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程中關(guān)于四等尾礦庫的相關(guān)安全技術(shù)要求，計算尾礦庫壩體穩(wěn)定性系數(shù)采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法，并配合使用河海大學(xué)自助研發(fā)的AutoBank軟件對尾礦庫壩體穩(wěn)定性系數(shù)進行分析。壩體穩(wěn)定性計算選取尾礦壩最終堆積標(biāo)高時最大斷面進行，根據(jù)壩體穩(wěn)定性分析報告以及尾礦沉積規(guī)律對尾礦壩進行概化分層，選取尾礦物理力學(xué)指標(biāo)，穩(wěn)定計算簡圖如圖1。

圖1 穩(wěn)定計算簡圖

由礦山尾礦庫實際情況以及不同時期壩體高度，設(shè)計一下條件進行尾礦庫壩體穩(wěn)定性系數(shù)計算：①初期壩壩底標(biāo)高375 m，壩頂標(biāo)高385 m；②堆積壩最終堆積標(biāo)高437.0 m，總壩高72 m；③尾礦堆積壩外邊坡平均坡比約1:3.0；④最高洪水位436.3 m。

尾砂以及地基的物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)礦山提供的關(guān)于尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析報告選取，材料的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 材料的物理力學(xué)指標(biāo)

采用“瑞典圓弧法”所計算出的現(xiàn)狀尾礦庫壩體在正常運行、洪水運行、特殊運行工況下的抗滑安全系數(shù)最小值分別為1.816、1.537、1.554；采用簡化畢肖普法所計算出的現(xiàn)狀尾礦庫壩體在正常運行、洪水運行、特殊運行工況下的抗滑安全系數(shù)最小值分別為1.837、1.715、1.571。該尾礦庫的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均符合AQ2006—2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程的規(guī)范要求，故尾礦庫壩體總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 壩體穩(wěn)定數(shù)值模擬

本文使用數(shù)值模擬軟件對尾礦庫壩體在正常工況、洪水工況以及特殊工況下進行建模，分別研究瑞典圓弧法和簡化畢肖普法2種計算方法下，尾礦庫壩體的穩(wěn)定性系數(shù)變化情況，尾礦壩抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果圖如圖2—圖7。

圖2 正常運行穩(wěn)定計算結(jié)果圖（瑞典圓弧法）

圖3 洪水運行穩(wěn)定計算結(jié)果圖（瑞典圓弧法）

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)尾礦庫在洪水工況運行時，兩種計算方法下壩體中的滑弧位置均低于浸潤線位置，即使下降幅度相對較大，尾礦庫壩體仍然處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)尾礦庫在正常工況以及特殊工況運行時，2種計算方法下壩體中滑動體體積相比洪水工況下滑動體體積較小，此時尾礦庫壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。尾礦庫壩體在3種運行工況下，由2種方法計算出的尾礦庫壩體穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

圖4 特殊運行工況穩(wěn)定計算結(jié)果圖（瑞典圓弧法）

圖5 正常運行穩(wěn)定計算結(jié)果圖（簡化畢肖普法）

圖6 洪水運行穩(wěn)定計算結(jié)果圖（簡化畢肖普法）

圖7 特殊運行工況穩(wěn)定計算結(jié)果圖（簡化畢肖普法）

表2 穩(wěn)定分析計算結(jié)果

4 結(jié)論

應(yīng)用河海大學(xué)自主研發(fā)的計算軟件AutoBank，結(jié)合瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算該礦山尾礦庫壩體在正常工況、洪水工況以及特殊工況運行時的穩(wěn)定性情況，根據(jù)計算結(jié)果得出以下結(jié)論。

1）采用現(xiàn)行規(guī)范所推薦的不計及條塊間作用力的“瑞典圓弧法”所計算出的現(xiàn)狀尾礦庫壩體在正常運行、洪水運行、特殊運行工況下的抗滑安全系數(shù)最小值分別為1.816、1.537、1.554；采用計及條塊間作用力的“簡化Bishop法”所計算出的現(xiàn)狀尾礦庫壩體在正常運行、洪水運行、特殊運行工況下的抗滑安全系數(shù)最小值分別為1.837、1.715、1.571。該尾礦庫的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均符合AQ2006—2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程的規(guī)范要求。

2）分析數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)尾礦庫在洪水工況運行時，2種計算方法下壩體中的滑弧位置均低于浸潤線位置，即使下降幅度相對較大，尾礦庫壩體仍然處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)尾礦庫在正常工況以及特殊工況運行時，2種計算方法下壩體中滑動體體積相比洪水工況下滑動體體積較小，此時尾礦庫壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］麥麥提明·依比布拉.基于瑞典法和畢肖普法對比的邊坡穩(wěn)定性［J］.水利科技與經(jīng)濟，2015（6）：12-14.

［2］胡輝，姚磊華，董梅.瑞典圓弧法和畢肖普法評價邊坡穩(wěn)定性的比較［J］.路基工程，2007（6）：110-112.

［3］王纓.邊坡穩(wěn)定性分析改進畢肖普法［J］.邵陽學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（2）：79-80.

［4］馬躍，趙建洲.基于瑞典圓弧法的尾礦庫壩體穩(wěn)定性評價［J］.科技展望，2016（6）：25.

Numerical simulation study on dam stability of the tailings dam in Tangshan

WANG Minghui1,KANG Zhiqiang2,LI Lei2
(1.Safety Production Supervision and Administration Bureau of Qianxi,Tangshan 064300,China;2.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China)

Taking the mine tailings dam in Tangshan as an example,the AutoBank,which is independently developed by Hohai University,is used to calculate the stability factor of tailings dam under the condition of the normal,flood and special operation.From the calculation results of the two methods,it can be seen that the slip resistance coefficient of dams which are running under normal,flood and special conditions is much larger than the technical requirements of the"Tailings Reservoir Safety Technical Regulation (AQ2006—2005)".The tailings dam is in a steady state.The calculation results can provide a reliable theoretical basis and technical support for the mine disaster prevention and management.

tailings dam body;Swedish method;bishop method;stability;numerical simulation

TD325+.2

B

1671－9816（2017）11－0030－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.009

王明輝，康志強，李蕾.唐山某尾礦庫壩體穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（11）：30-32.

2017-05-31

河北省自然科學(xué)基金項目（E2016209111）

王明輝（1977—），河北豐南人，工程師，碩士，畢業(yè)于華北理工大學(xué)，現(xiàn)從事金屬礦選礦方面研究工作。

【責(zé)任編輯：陳 毓】