冶金礦山尾礦庫壩體穩(wěn)定性影響因素分析

李文海

（中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110169）

1 尾礦庫分類及事故原因統(tǒng)計分析

1.1 尾礦庫分類

目前，根據(jù)尾礦庫地形不同將其分為3 類：（1）山谷型尾礦庫。山谷型尾礦庫充分借助山區(qū)（丘陵）地形，在下游處筑壩，形成攔截式庫區(qū)。山谷型尾礦庫具有筑壩工期短、成本低、容量大、管理方便等優(yōu)點，是較為理想的庫型，也是目前我國應(yīng)用最多的庫型［1］。（2）傍山型尾礦庫。傍山型尾礦庫在丘陵及湖灣地區(qū)存在較多，其利用山坡洼地，依山兩面或三面筑壩，形成圍截式尾礦庫。該型尾礦庫具有筑壩長度大、壩體高度小、庫容小、防洪控制差等缺點，在我國南方地區(qū)較為常見。（3）平地型尾礦庫。由于受地形限制，平地型尾礦庫集中在平原地區(qū)，只能建在平底或凹坑處，人為在四面筑壩，工程量大、管理困難，且隨著尾礦越來越多，庫區(qū)面積、調(diào)洪能力等均減弱。平地型尾礦庫占地面積大，但壩體高度低，一般不會發(fā)生事故［2］。

1.2 尾礦庫事故原因統(tǒng)計分析

通過統(tǒng)計和分析全球范圍內(nèi)近百起尾礦庫事故，制作了柱狀圖（見圖1）。

圖1 尾礦庫事故原因柱狀圖

由圖1 可知：（1） 壩體失穩(wěn)占尾礦庫總事故比例的34%，是最常見的事故原因；（2）邊坡失穩(wěn)占尾礦庫總事故比例的18%，一般情況下邊坡失穩(wěn)會最終造成庫壩裂縫，滲漏加劇，所以也是壩體失穩(wěn)的重要原因［3］。

2 尾礦壩穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 瑞典圓弧條分法原理

為分析尾礦壩力學(xué)穩(wěn)定性，在此采用“瑞典圓弧分條法”分析。為簡化計算，假設(shè)滑動條體均為剛體，通過分析條塊受力平衡來求解壩體抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)。在此取其中任一條塊，從X、Y 兩個方向分析其力矩平衡方程，其抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)F 的計算表達(dá)式見式（1）［4］。

式中：φ—第i 條塊內(nèi)摩擦角，°；β—第i 條塊坡角，°；ci—第i 條塊粘聚力，kN；li—第i 條塊粘聚力力矩，m；Wi—第i 條塊重量，kN；

通過分析計算公式可知：壩體抗滑安全穩(wěn)定性系數(shù)F 主要和壩體筑壩材料、角度等因素有關(guān)，因此從這些參數(shù)分析可指導(dǎo)筑壩施工，提高壩體抗滑穩(wěn)定性。

2.2 尾礦壩穩(wěn)定性影響因素分析

2.2.1 尾礦渣物理力學(xué)特征對壩體穩(wěn)定性影響分析

尾礦渣不同于水體，其一般以漿液或固體形式堆積在庫區(qū)，其對壩體的沖擊擠壓力是影響壩體安全穩(wěn)定性的重要因素，而尾礦渣堆積層的抗剪強(qiáng)度τ 則直接決定了其沖擊擠壓力大小，其計算公式見（2）。

式中：σ—作用在尾礦滑動面上的正應(yīng)力，kN；φ—尾礦堆積層內(nèi)摩擦角；°。c—尾礦堆積層粘結(jié)力，kN。

由式（2）可知：內(nèi)摩擦角φ 與抗剪強(qiáng)度τ 呈正比關(guān)系，進(jìn)而可知也和安全穩(wěn)定性系數(shù)F 呈正比關(guān)系。由此對摩擦角φ 與F 值的敏感性關(guān)系進(jìn)行線性回歸，得出式（3）。一般情況下，內(nèi)摩擦角角φ 每增加1°，安全穩(wěn)定性系數(shù)F 增加5%～10%。

此外，尾礦堆積層粘結(jié)力c 也與F 緊密相關(guān)，c 值越大，F(xiàn) 值也越大。對c 和F 值的敏感性關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，得到公式（4）。一般情況下：粘結(jié)力c 每增加5 kPa，F(xiàn) 平均增加0.05，影響程度較小。

式中：F0—穩(wěn)定尾礦堆積層安全系數(shù)；β—尾礦堆積層坡角，°。

2.2.2 滲流浸潤線對壩體穩(wěn)定性影響分析

尾礦壩體浸潤線位置是一個動態(tài)變化過程，浸潤線是產(chǎn)生管涌、流沙的重要原因，對壩體安全穩(wěn)定性系數(shù)F 有直接影響，表1 是經(jīng)過統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)得出的結(jié)果。由數(shù)據(jù)可知：（1）浸潤線降低值越大，尾礦壩安全穩(wěn)定性系數(shù)F 的值越大；（2）隨著水位的增加，尾礦壩安全穩(wěn)定性系數(shù)在逐漸下降。綜合分析，浸潤線高度每相差1 m 水位，尾礦壩安全穩(wěn)定性系數(shù)F 就相差0.02～0.05，變化率在1.2%～2.5%。

表1 浸潤線位置對尾礦壩穩(wěn)定性影響分析

3 結(jié) 語

通過分析可知：尾礦渣堆積層的內(nèi)摩擦角φ 和尾礦壩體浸潤線是影響壩體安全穩(wěn)定性的主要參數(shù)，因此在筑壩施工、礦渣排放、日常巡查中要特別注意檢測這些參數(shù)的變化，科學(xué)管理，將危險因素全部排除。