喀左縣長皋鐵礦尾礦庫壩體整改后穩(wěn)定性評價(jià)

遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013

我國是世界上尾礦庫數(shù)量最多、災(zāi)害事故發(fā)生率最高的國家之一，年排出尾礦約6億t，大部分堆存于尾礦庫，一旦壩庫區(qū)體失穩(wěn)潰壩，將給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，并引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。

國內(nèi)外關(guān)于尾礦庫壩體穩(wěn)定性的研究主要包括傳統(tǒng)的物理基本性質(zhì)、施工工藝技術(shù)、現(xiàn)狀及滲流工況、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)以及水體污染防治等。然而在現(xiàn)狀不穩(wěn)定條件下，結(jié)合整改措施驗(yàn)證整改后多種工況下的壩體穩(wěn)定性卻是提升壩體安全評價(jià)最為實(shí)際的工程化應(yīng)用方法。目前，評價(jià)尾礦庫壩體穩(wěn)定性的定量分析方法主要是數(shù)值模擬法和極限平衡分析法。

文章針對壩體的穩(wěn)定性評價(jià)綜合了數(shù)值模擬法和極限平衡分析兩種方法，既考慮了數(shù)值模擬中壩體破壞后的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，又定量地采用了瑞典圓弧法和簡化畢肖普法給出了壩體的安全穩(wěn)定系數(shù)，并且結(jié)合工程現(xiàn)狀，進(jìn)行了整改設(shè)計(jì)前后的穩(wěn)定性評價(jià)對比計(jì)算，在現(xiàn)狀、滲流、地震三種工況下實(shí)現(xiàn)了數(shù)值分析法和極限平衡分析法的耦合，獲得了尾礦庫壩體最小安全評價(jià)系數(shù)，從定性、定量的角度指導(dǎo)了尾礦庫的安全生產(chǎn)。

1 工程概況

喀左縣中三家鎮(zhèn)長皋鐵礦尾礦庫位于遼寧省喀左縣中三家鎮(zhèn)豆腐房村，該尾礦庫三面環(huán)山，一面筑壩，谷口呈“U”字形，屬山谷型尾礦庫。該尾礦庫初期壩筑壩材料采用風(fēng)化料堆筑，初期壩長120m，壩高5m，壩頂寬3.5m，內(nèi)外坡比均為1∶2；其現(xiàn)狀壩高約35m，最大壩長約160m，壩頂寬約4m，壩體外坡比為1∶1.6～1∶2.0，筑壩方式采用上游式筑壩方法，壩坡坡度不均勻，坡面裸露且不規(guī)整，易受雨水沖刷形成沖溝，不利于壩體穩(wěn)定。在尾礦堆積壩不同標(biāo)高處設(shè)有寬約12m、5m、4m的馬道，并在坡面上設(shè)置豎向排水溝，壩坡外側(cè)無排水防沖刷設(shè)施，壩腳處有滲水。正常生產(chǎn)時(shí)尾礦沉積灘的干灘長度約60m，干灘坡度約為1.0%，庫容約為40×104m3。該溝下面不壓礦，下游潰壩波及范圍內(nèi)有村民居住。

2 穩(wěn)定性分析基本原理

文章采用有限元法對該尾礦壩進(jìn)行滲流和應(yīng)力應(yīng)變有限元數(shù)值模擬，并使用規(guī)范推薦的瑞典圓弧法和簡化畢肖普法對壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，有效地耦合了數(shù)值分析法和極限平衡分析法，綜合具備了數(shù)值分析法和極限平衡分析法的優(yōu)勢特點(diǎn)，在得出尾礦壩壩體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的同時(shí)，得到了壩體最小穩(wěn)定性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性安全評價(jià)。

2.1 瑞典圓弧法

該法假設(shè)條塊之間的作用力對圓弧形滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力分布沒有影響，其抗滑力與下滑力之比即為安全系數(shù)Fs：

式中：i為第i條塊；r為圓弧半徑；αi為條塊地面中點(diǎn)切線與水平線夾角；Ui為條塊地面中點(diǎn)處孔隙水壓力；Wi為條塊重量；Qi為作用在條塊重心處的水平向地震慣性力；Q'i為作用在條塊重心處的垂向地震慣性力（向下為正）；Mc為Qi對圓心的力矩之和；Li為條塊底部長度；ci和φi為條塊地面中點(diǎn)處的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。若不計(jì)地震作用，則Qi=0、Q'i=0、Mc=0。

2.2 簡化畢肖普法

簡化畢肖普法仍是條分法，只是在改進(jìn)的基礎(chǔ)上考慮條塊間存在水平作用力，但忽略剪應(yīng)力。通過迭代反推，得到壩體邊坡的安全系數(shù)k：

式中：i為第i條塊；αi為條塊地面中點(diǎn)切線與水平線夾角；Ui為條塊地面中點(diǎn)處孔隙水壓力；Wi為條塊重量；Qi為作用在條塊重心處的水平向地震慣性力；li為條塊底部長度；ci、fi為條塊地面中點(diǎn)處的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦系數(shù)。若不計(jì)地震作用，則Qi=0。

3 尾礦庫壩體整改

在尾礦壩特殊運(yùn)行條件下（最高洪水位+壩體自重+地震的荷載組合），分別采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法對該尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此考慮進(jìn)行整改設(shè)計(jì)。

尾礦庫壩面整治工程包括尾礦壩貼坡加固、外坡面修整、完善壩面排水溝、壩體護(hù)坡等。

依據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863—2013）要求，改造治理設(shè)計(jì)在尾礦壩外坡進(jìn)行石料貼坡加固，控制孔隙率不大于0.28，具體情況依據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)來確定，加固頂標(biāo)高統(tǒng)一。貼坡加固前對壩外坡面尾礦砂等松散覆蓋物進(jìn)行清理，同時(shí)對貼坡基底進(jìn)行清理，并將清理后的壩基表面土層壓實(shí)。

按照尾礦壩現(xiàn)有剖面現(xiàn)狀，設(shè)置3條馬道，控制各段壩體外坡比為1∶2，壩頂和馬道以1%的坡度坡向下游。外坡面采用漿砌石網(wǎng)格掛網(wǎng)植草護(hù)坡，并設(shè)置上壩人行踏步。為保護(hù)壩坡，在外坡面設(shè)置坡面排水溝及坡腳排水溝。

4 尾礦壩穩(wěn)定性分析

4.1 數(shù)值模型的建立

該尾礦壩體經(jīng)過整改后，在巖土工程勘察的基礎(chǔ)上，對壩體剖面進(jìn)行等比例地層呈現(xiàn)，形成以初期壩和堆積壩及庫區(qū)為一體的地質(zhì)模型，文章計(jì)算均按二維建立模型，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，單元統(tǒng)一采用三角形單元，并通過網(wǎng)格檢驗(yàn)達(dá)到網(wǎng)格最優(yōu)化。最終，壩體計(jì)算模型被劃分為849個(gè)三角形單元，1551個(gè)節(jié)點(diǎn)（見圖1）。

圖1 壩體有限元計(jì)算模型

4.2 參數(shù)的選擇及邊界條件的確定

依據(jù)巖土工程勘察提供的各土層參數(shù)，并結(jié)合原尾礦庫尾砂性能參數(shù)，此次尾礦庫現(xiàn)狀及滲流工況下的穩(wěn)定性分析選取參數(shù)見表1。

表1 壩體整改后穩(wěn)定性評價(jià)所選計(jì)算參數(shù)表

邊界條件：模型左右兩側(cè)加水平向約束；模型底部加固定約束。

4.3 尾礦壩穩(wěn)定性分析結(jié)果

文章通過對尾礦壩壩體的數(shù)值進(jìn)行分析，得出了該壩體在正常運(yùn)行、洪水工況、特殊工況下壩體內(nèi)部的應(yīng)力變化狀態(tài)，并在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，采用條分法計(jì)算出了三種工況下壩體的穩(wěn)定性系數(shù)（見圖2～圖4），此處只列出了采用瑞典圓弧法的計(jì)算滑弧圖。各種工況下的計(jì)算安全系數(shù)見表2。

圖2 正常工況穩(wěn)定性（瑞典圓弧法）計(jì)算滑弧圖（k=1.197）

圖3 洪水工況穩(wěn)定性（瑞典圓弧法）計(jì)算滑弧圖（k=1.051）

圖4 特殊工況穩(wěn)定性（瑞典圓弧法）計(jì)算滑弧圖（k=1.014）

表2 穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行整改的尾礦庫，在各個(gè)時(shí)期各種工況下壩體均能滿足規(guī)范規(guī)定的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的要求。

5 結(jié)束語

尾礦壩在現(xiàn)狀下有不穩(wěn)定的狀況，哪怕只是在特殊工況下不穩(wěn)定，其他工況下穩(wěn)定，都需要按照規(guī)范采取一定的措施進(jìn)行安全整改。通過分析以上尾礦壩的滲流穩(wěn)定及壩體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，其安全系數(shù)均大于《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ 2006—2005）規(guī)定值，為尾礦壩的安全運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。只有施工企業(yè)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求加強(qiáng)尾礦壩的施工、運(yùn)行管理，才能夠保證尾礦壩的安全運(yùn)行，同時(shí)尾礦壩的安全穩(wěn)定也能為企業(yè)生產(chǎn)、度汛、堆存尾礦及回水等奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。