基于Geostudio的尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析

張紅良

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

尾礦庫(kù)是由谷口的筑壩和周圍相對(duì)較高的圍地構(gòu)建而成，其功能主要是用來(lái)堆放礦山在開(kāi)挖選取完礦石后所排出尾渣料或其他類型的工業(yè)廢渣。尾礦庫(kù)是礦山企業(yè)最大的環(huán)境保護(hù)工程項(xiàng)目，可以防止來(lái)自尾礦運(yùn)行后不需要的渣滓向江、海、草原等許多地方到處去任意排放。礦場(chǎng)和尾礦庫(kù)是相隨而產(chǎn)生的，只要是有渣滓產(chǎn)生的廠礦，尾礦庫(kù)就是必不可少的。因此，尾礦庫(kù)是礦山在運(yùn)行生產(chǎn)建設(shè)期間的少不了且不能缺少的一個(gè)部分。一般尾礦庫(kù)在高度上會(huì)很高，形成人造小山丘，由于高度較高，導(dǎo)致尾礦庫(kù)的重力勢(shì)能很大，屬于人為造成的危險(xiǎn)源頭，糟糕的雨雪天氣很有可能導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩，危險(xiǎn)系數(shù)較高。一旦尾礦庫(kù)失事，容易對(duì)下游村莊經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等造成十分重大事故[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和礦山開(kāi)采業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)尾礦庫(kù)的數(shù)量也在快速增加，目前我國(guó)尾礦庫(kù)的數(shù)量在6 000座以上，因此對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性進(jìn)行合理有效的計(jì)算、分析與評(píng)價(jià)，對(duì)礦山的正常安全運(yùn)行有著十分重要的影響。本文結(jié)合某選礦廠尾礦庫(kù)工程實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，分析該尾礦庫(kù)的特點(diǎn)，并采用Geostudio2007軟件計(jì)算運(yùn)行工況的安全系數(shù)，并基于此分析評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

1 尾礦庫(kù)基本特征

某礦山、選礦廠位于新疆境內(nèi)，所在的山溝地形切割強(qiáng)烈，山勢(shì)險(xiǎn)峻，V字型谷地發(fā)育，兩側(cè)山坡的坡面角一般在25°～45°之間，庫(kù)區(qū)海拔標(biāo)高在1 500～2 000 m，相對(duì)高差300～400 m。壩型為碾壓透水土石壩，在下游壩面1 540.0 m等標(biāo)高處設(shè)寬2.0 m馬道。堆積壩堆積外坡坡比分別為1∶2.15，1∶5.0。

工程包括初期壩、堆積壩、排洪系統(tǒng)、地下水導(dǎo)排系統(tǒng)等。初期壩為土壩，下游坡腳設(shè)有排水菱體，上游設(shè)有塊石護(hù)坡。初期壩壩頂高程1 557.0 m。在生產(chǎn)期間用沉積灘干尾砂，采用上游式尾礦筑壩法逐年堆筑，設(shè)計(jì)堆積壩壩頂高程1 586.0 m。選礦廠設(shè)計(jì)原礦處理能力為200 t/d，1998年改擴(kuò)建后生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到400 t/d。目前該尾礦壩已使用26年，排放尾礦總量約100×104m3，工程規(guī)模屬大型。

2 穩(wěn)定計(jì)算原理

2.1 極限平衡法

邊坡的土體在極限平衡方法中被視為剛性體，將土體自身的變形對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響忽略或者采用非常低的影響系數(shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。簡(jiǎn)化計(jì)算是極限平衡法的特點(diǎn)，將復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程通過(guò)忽略一些不重要的系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到與復(fù)雜計(jì)算過(guò)程得出的結(jié)果十分相近的結(jié)果。一般情況下，使用極限平衡法計(jì)算的正應(yīng)力和實(shí)際情況比較吻合，但是在一些復(fù)雜的、 非均質(zhì)土體中其計(jì)算值與實(shí)際值可能相差較大。Geostudio軟件中的邊坡分析模塊就是為計(jì)算邊坡穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)的，邊坡分析的計(jì)算原理采用極限平衡法，包括普通條分法、畢肖普法、 簡(jiǎn)布法、摩根斯坦-普賴斯法等。

2.2 有限元法

該方法基于滑動(dòng)面上應(yīng)力分析，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)存在滑動(dòng)可能性的面上土體的整體或部分的應(yīng)力條件，采用不一致的計(jì)算分析方法計(jì)算得出所有計(jì)算結(jié)果中最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。兩種方法相比，有限元法不僅能比極限平衡法將工程邊坡巖土體的力與位移的關(guān)系更好地反映出來(lái)，而且邊坡的整體輪廓參數(shù)和不均勻的邊坡材料將不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生任何限制，因而有限元方法是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析中首選的、理想的方法。在Geostudio中，應(yīng)用應(yīng)力分析模塊將實(shí)際邊坡的應(yīng)力通過(guò)二維模型進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算得出的應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到邊坡分析模塊中進(jìn)行多場(chǎng)耦合計(jì)算，得出安全系數(shù)并確定出邊坡最危險(xiǎn)滑裂面的位置等詳細(xì)參數(shù)。

3 尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析

本文對(duì)該工程的1 596 m高程處壩坡進(jìn)行建模計(jì)算分析，得到校核工況、設(shè)計(jì)工況和正常工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)，并與規(guī)范規(guī)定的不同級(jí)別的安全系數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，得出邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 尾礦壩靜力穩(wěn)定分析

尾礦壩原設(shè)計(jì)1 596 m靜力穩(wěn)定分析采用壩體填筑到壩頂高程即1 596 m時(shí)應(yīng)力計(jì)算成果進(jìn)行滑弧搜索。在進(jìn)行滑弧搜索時(shí)，為了盡可能找出最小安全系數(shù)所在滑弧，將可能的圓心位置放大。圖1-圖3分別為搜索到3個(gè)典型截面的正常水位下最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑弧位置，并給出相應(yīng)的滑弧半徑。圖4-圖6分別為搜索到3個(gè)典型截面的洪水位下最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑弧位置，并給出相應(yīng)的滑弧半徑。

計(jì)算分析得出各種工況下尾礦壩各截面壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)，見(jiàn)表1，全部滿足穩(wěn)定要求。

圖1 正常水位左岸截面靜力最危險(xiǎn)滑弧位置(ks=1.781)

圖2 正常水位中部截面靜力最危險(xiǎn)滑弧位置(ks=1.872)

圖4 洪水位左岸截面靜力最危險(xiǎn)滑弧位置(ks=1.601)

圖5 洪水位中部截面靜力最危險(xiǎn)滑弧位置(ks=1.815)

圖3 正常水位右岸截面靜力最危險(xiǎn)滑弧位置(ks=1.693)

圖6 洪水位右側(cè)截面靜力最危險(xiǎn)滑弧位置(ks=1.674)

表1 尾礦壩1596m高程靜力安全系數(shù)表

3.2 尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定分析

圖7給出3個(gè)典型截面壩坡的最小安全系數(shù)時(shí)程曲線。

圖7 安全系數(shù)時(shí)程曲線

計(jì)算得出個(gè)各截面的平均安全系數(shù)、最小平均安全系數(shù)，見(jiàn)表2。從表2中可以看出，平均安全系數(shù)在1.507～1.788之間，最小平均安全系數(shù)在1.060～1.135之間，各典型截面動(dòng)力安全系數(shù)較靜力安全系數(shù)小，但均大于規(guī)范要求值，滿足穩(wěn)定要求。

表2 動(dòng)力安全系數(shù)表

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過(guò)上述分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 在正常運(yùn)行工況下，尾礦壩1 596 m高程工況典型截面靜力最小穩(wěn)定安全系數(shù)位于右側(cè)截面，1 596 m高程下最小安全系數(shù)為1.693；中部截面與左側(cè)截面安全系數(shù)較為接近，右岸較大，大于規(guī)范要求值1.25，滿足靜力穩(wěn)定要求。

2) 在洪水工況下，尾礦壩各典型截面安全系數(shù)規(guī)律同正常運(yùn)行工況，1 596 m高程下最小安全系數(shù)為1.601，大于規(guī)范要求值1.25。

3) 在地震工況下，尾礦壩各典型截面動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)較靜力安全系數(shù)有所降低，滑弧半徑有所增加。動(dòng)力工況下，河床中間截面最小平均安全系數(shù)最小，1 596 m高程下動(dòng)力最小平均安全系數(shù)為1.078，大于規(guī)范要求值1.05，滿足動(dòng)力穩(wěn)定要求。繼續(xù)采用濕排方式堆積尾礦至1 610 m高程運(yùn)行工況進(jìn)行研究，表明河床中間截面最小平均安全系數(shù)為1.1038，高于規(guī)范值，滿足動(dòng)力穩(wěn)定要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

尾礦庫(kù)運(yùn)行期內(nèi)的穩(wěn)定性分析在邊坡穩(wěn)定性研究占有較大的比重，尾礦壩是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)施，分析計(jì)算運(yùn)行期間的穩(wěn)定性，可以事先采取相應(yīng)的安全預(yù)防措施，把危險(xiǎn)性降到最低，以保證礦山安全生產(chǎn)和礦區(qū)人民生命安全。本文通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)的靜動(dòng)力穩(wěn)定分析，確定尾礦壩在不同運(yùn)行工況下的安全系數(shù)值。通過(guò)計(jì)算得到的安全系數(shù)與規(guī)范的安全系數(shù)對(duì)比表明，尾礦壩在各種工況下運(yùn)行安全。