某尾礦庫壩體穩(wěn)定性綜合判定方法

董賀偉，王 洋，吳永剛2，

(1.首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司，河北 唐山 064404；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

尾礦庫是金屬與非金屬礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)施之一，同時(shí)也是重要的泥石流危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生潰壩事故，不單會(huì)造成環(huán)境的嚴(yán)重污染，也會(huì)給下游人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失，甚至對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響[1]。尾礦庫在降雨、地震及人類活動(dòng)等因素影響下存在壩坡失穩(wěn)的危險(xiǎn)[2-3]。在尾礦庫事故類型中，潰壩事故的傷亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失最多，成為尾礦庫安全管理的重中之重[4]。

在尾礦庫安全管理中，多數(shù)企業(yè)依靠安全員人工巡查以及在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警功能來發(fā)現(xiàn)問題，檢查、監(jiān)測范圍涵蓋整個(gè)庫區(qū)，沒有側(cè)重點(diǎn)，也不清楚最有可能發(fā)生潰壩事故的是哪些部位。因此經(jīng)常出現(xiàn)檢查遺漏，導(dǎo)致壩體產(chǎn)生隱患，給尾礦庫的平穩(wěn)運(yùn)行帶來很大不確定性。

本文以一座壩高接近設(shè)計(jì)最終壩高、即將閉庫的尾礦庫為例，探討尾礦庫在礦山生產(chǎn)排尾過程中如何針對(duì)潰壩事故快速找出“薄弱環(huán)節(jié)”，并通過定量分析綜合判定“薄弱環(huán)節(jié)”的安全程度，為尾礦庫的安全管理提供側(cè)重點(diǎn)依據(jù)，從而得出降低尾礦庫事故發(fā)生幾率的一種方法。

1 尾礦庫概況

該尾礦庫總壩高120.8 m，總庫容1.023×108m3，屬于二等尾礦庫。初期壩由主壩和副壩組成，其中，主壩初期壩采用巖石風(fēng)化料和新鮮巖塊組合堆砌而成，是一座透水壩；副壩初期壩主要采用巖石風(fēng)化料堆砌，為透水壩。兩座初期壩的壩基建于碎石混黏性土(弱透水)和基巖(微透水)之上。

尾礦庫堆積壩采用壩上分散沖積放礦，人工配合推土機(jī)分級(jí)推筑子壩的上游法筑壩工藝。

目前尾礦庫設(shè)置了人工、在線相結(jié)合的安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了尾礦庫壩體位移、浸潤線埋深、降雨量、水位、壩頂標(biāo)高、干灘長度以及灘面坡度等參數(shù)的日常監(jiān)測。

2 壩體穩(wěn)定性判定

2.1 壩體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

根據(jù)尾礦庫閉庫工程勘察，主壩各土層構(gòu)成如圖1所示，副壩各土層構(gòu)成如圖2所示。

圖1 主壩剖面Fig.1 Main dam section

圖2 副壩剖面Fig.2 Auxiliary dam section

本次穩(wěn)定性分析計(jì)算采用摩爾-庫倫模型，主壩與副壩的各項(xiàng)土層參數(shù)如表1所示。

表1 壩體穩(wěn)定性分析計(jì)算土層參數(shù)Table 1 Soil parameters for dam stability analysis and calculation

極限平衡法是尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析的基本手段，本次分別采用其中的瑞典條分法與簡化畢肖普法，利用數(shù)值模擬軟件，計(jì)算壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，采用瑞典條分法計(jì)算的該尾礦庫主壩及副壩的安全系數(shù)如圖3所示，畢肖普法計(jì)算的主壩及副壩安全系數(shù)如圖4所示。

圖3 瑞典條分法計(jì)算結(jié)果Fig.3 Analysis results of Swedish slice

圖4 畢肖普法計(jì)算結(jié)果Fig.4 Analysis results of Bishop method

通過以上分析可知，該尾礦庫副壩整體穩(wěn)定性均低于主壩。

主壩初期壩高41.5 m，副壩初期壩高18.8 m，子壩高79.3 m。主壩與副壩除初期壩高不同外，壩體形式、筑壩材料、坡比尺寸、施工參數(shù)及上部子壩等其它方面均基本相同。因此可得出初期壩與子壩的壩高占比關(guān)系如圖5所示。

圖5 初期壩與子壩在壩體中所占比例Fig.5 Proportion of initial dam and sub dam in dam body

該尾礦庫子壩采用尾砂堆筑，相較于初期壩的廢石透水壩，尾砂堆筑壩體在抗震、抗液化、抗滑動(dòng)等方面均較低，從壩體滲透破壞的可能性上看，子壩比初期壩大，且子壩的壩體穩(wěn)定性也不及初期壩。

因此，通過對(duì)此尾礦庫的研究可以得出結(jié)論：在尾礦庫的壩體構(gòu)成中，如果提升了尾砂堆筑子壩的比例，在其它參數(shù)不變的情況下，壩體總體穩(wěn)定性將會(huì)降低。相反，如果降低尾砂堆筑子壩的比例，或者取消尾砂堆筑壩體，直接采用一次性筑壩，將會(huì)有效提高尾礦壩整體穩(wěn)定性[5-7]。

2.2 壩體在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1)壩體浸潤線在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過分析該尾礦庫某月壩體浸潤線在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該庫共計(jì)設(shè)置了3個(gè)浸潤線觀測剖面，20個(gè)在線觀測井，剖面A的浸潤線埋深如圖6所示，剖面B的浸潤線埋深如圖7所示，剖面C的浸潤線埋深如圖8所示。

圖6 浸潤線觀測剖面AFig.6 Phreatic line observation section A

圖7 浸潤線觀測剖面BFig.7 Phreatic line observation section B

通過圖6、圖7、圖8三個(gè)剖面的浸潤線觀測圖可以看出，剖面A和剖面B的各井浸潤線埋深均在35 m以上，剖面C浸潤線埋深最高處僅為13 m。因此，以此三個(gè)剖面進(jìn)行比較，剖面C的浸潤線較高。

2)壩體位移在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該尾礦庫同一月份14個(gè)壩體位移在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖9所示。

通過圖9可以明顯看到，點(diǎn)ZW150-11的x、y、z軸偏差相比其他監(jiān)測點(diǎn)位變化較大。

2.3 壩體穩(wěn)定性綜合判定

前兩節(jié)分別進(jìn)行了壩體穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算以及在線監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析，綜合整理可得出如下結(jié)論：

1)副壩的壩體穩(wěn)定性低于主壩；

2)浸潤線在線觀測剖面C的浸潤線遠(yuǎn)高于其他剖面，即剖面C的穩(wěn)定性低于其他剖面；

3)位移在線觀測點(diǎn)ZW150-11的x、y、z軸偏差相比其他監(jiān)測點(diǎn)均較大，即點(diǎn)ZW150-11附近的壩體穩(wěn)定性低于其他點(diǎn)。

上述壩體穩(wěn)定性較低的剖面和觀測點(diǎn)的位置如圖10所示。

圖10 副壩局部平面圖Fig.10 Local plan of auxiliary dam

通過圖10可知，前面得出的三個(gè)結(jié)論所揭示的壩體穩(wěn)定性的薄弱部位均位于副壩東側(cè)，且距離較近，即通過三種方法印證下的壩體穩(wěn)定性薄弱部位準(zhǔn)確程度較高。

因此，綜合上述分析，可得出如下結(jié)論：該尾礦庫壩體安全薄弱環(huán)節(jié)即是副壩東側(cè)，此處發(fā)生潰壩事故的幾率大于庫區(qū)其他部位，對(duì)此處加強(qiáng)安全管理可以較大程度地降低尾礦庫發(fā)生事故的幾率，提高尾礦庫運(yùn)行的安全程度。

3 結(jié)論

通過對(duì)壩體剖面的數(shù)值模擬，以及對(duì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖表化分析，可以綜合判定尾礦壩穩(wěn)定性最低的部位。判定結(jié)果一方面可以為尾礦庫安全管理提供具有針對(duì)性的側(cè)重點(diǎn)，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)的治理，在一定程度上提高尾礦庫的安全度；另一方面，可將此薄弱部位作為尾礦庫安全管理的最低標(biāo)準(zhǔn)，以此做為標(biāo)準(zhǔn)整體提高該尾礦庫安全度，可有效降低其他部位發(fā)生事故的幾率。另外，由于壩體穩(wěn)定性受多方面影響，不會(huì)一成不變，企業(yè)可根據(jù)本方法，結(jié)合自身實(shí)際情況合理設(shè)置分析頻次，從而保證尾礦庫的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。