尾礦壩固結(jié)度分區(qū)穩(wěn)定性分析

田園 張三 車高鳳

摘要：尾礦壩不同部位固結(jié)狀態(tài)不同，對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。以陜西漢中某尾礦壩為研究對象，運用Geostudio軟件中的SLOPE模塊，對尾礦壩按固結(jié)度分區(qū)，并賦予每層不同的干密度進行建模分析，對比不同方案尾礦壩安全系數(shù)的變化情況。試驗結(jié)果表明：固結(jié)度逐漸增加比按照完全固結(jié)方式建立模型計算得到的安全系數(shù)小，更符合實際情況;干密度整體布置偏小的尾礦壩對固結(jié)度的變化更敏感。該研究為尾礦壩穩(wěn)定性分析提供更符合工程實際的計算方法。

關(guān)鍵詞：尾礦壩;固結(jié)度;穩(wěn)定性;分區(qū);密度分布

中圖分類號：TD854+6 TD7文獻標志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）10-0072-06doi：10.11792/hj20201015

引 言

尾礦庫壩體隨著時間的推移及尾礦排放量的增加會逐漸增高，由于填筑方式及排水條件的差異，尾礦壩各部位的固結(jié)狀態(tài)會有所不同。早期填筑和排水條件良好的部位，可能已達到完全固結(jié)狀態(tài)，即固結(jié)度接近100 %，而近期填筑及排水條件不良的部位，可能處于固結(jié)度較低的狀態(tài)[1]。在尾礦壩加高過程中，壩體下部材料的排水固結(jié)速率會逐漸放緩，浸潤線逐漸上升而干灘慢慢縮短，尾礦壩的穩(wěn)定性也逐步降低。由于壩體不同部位材料及所處環(huán)境的不同，固結(jié)度也有所差異。固結(jié)度越高，尾礦砂的抗剪強度越大。傳統(tǒng)計算中，為了簡化計算過程，尾礦壩穩(wěn)定性分析時往往將尾礦壩按完全固結(jié)狀態(tài)進行計算。為得到更貼近工程實際的計算結(jié)果，在尾礦壩穩(wěn)定性分析時，應(yīng)考慮按照尾礦壩堆壩過程對壩體材料進行固結(jié)度分區(qū)，以獲得符合工程實際的設(shè)計指標。

曹冠森[2]以四川小打鵝尾礦庫為研究對象，進行不同壓力下室內(nèi)堆壩模型試驗，得出小打鵝尾礦庫孔隙水壓力變化情況及固結(jié)沉降特性等;吳小剛等[3]對華東某銅礦尾礦庫進行一系列固結(jié)試驗，分析細粒尾礦砂的固結(jié)度與分層厚度、組成顆粒等因素之間的關(guān)系;吳光航[4]在分析尾礦庫堆排運行環(huán)境的基礎(chǔ)上，建立了一個逐級堆排的尾礦壩排水固結(jié)模型，并利用自行研發(fā)的裝置對尾礦壩排水固結(jié)過程進行試驗?zāi)M;孫從露[5]以南京梅山尾礦筑壩工程為研究對象，采用室內(nèi)土工試驗、現(xiàn)場試驗、數(shù)值計算等方法，對如何加速尾礦壩沉積固結(jié)進行研究;徐宏達[6-7]對不同固結(jié)度尾礦泥進行固結(jié)不排水剪切試驗，分析不同固結(jié)度情況下尾礦泥的動力抗剪強度指標變化。

本文以陜西漢中某尾礦壩為研究對象，利用Geostudio軟件中的SLOPE模塊對尾礦壩邊坡進行穩(wěn)定性分析，對尾礦壩按固結(jié)度分區(qū)，并賦予每層不同的干密度進行建模分析，對比不同方案尾礦壩安全系數(shù)的變化情況，以期為尾礦壩穩(wěn)定性分析提供理論支持，并為同類尾礦壩設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 模型建立

Geostudio是加拿大Geostudio公司開發(fā)的一套功能強大、適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的軟件，在地質(zhì)構(gòu)造、土木工程、采礦工程、巖土工程、地下水分析中得到了廣泛應(yīng)用。SLOPE模塊是Geostudio軟件中的一個模塊，是計算巖土邊坡安全系數(shù)的主流軟件產(chǎn)品，可采用8種方法分析邊坡穩(wěn)定性問題，可對滑移面形狀改變、孔隙水壓力狀況、土體性質(zhì)、不同加載方式等問題進行分析。

利用Geostudio軟件中的SLOPE模塊，創(chuàng)建尾礦壩均質(zhì)壩體模型：尾礦壩壩高90 m，初期壩壩高20 m，壩頂寬度3 m，初期壩上游坡比1.0∶1.8，下游坡比1∶2，尾礦壩壩體堆積完成后，下游坡比1∶4。干灘面坡比1∶200，擬建干灘長度100 m。為了對比干密度及固結(jié)度變化對安全系數(shù)的影響，將模型從上到下分為4層，模型示意圖如圖1所示。

2 計算設(shè)置

2.1 軟件參數(shù)

條間力函數(shù)選項為半正弦，滑移面的滑移方向設(shè)置為從左到右，劃分的條塊數(shù)為30，最小滑移面深度為0.1 m，優(yōu)化精度為0.01，收斂精度為1×10-7，最大迭代次數(shù)設(shè)置為2 000。

Geostudio軟件應(yīng)用環(huán)境由3部分組成：DIFINE，SOLVE和CONTOUR。根據(jù)上述方法和材料參數(shù)，利用DIFINE對該邊坡穩(wěn)定性問題進行創(chuàng)建，并將尾礦壩按固結(jié)度分區(qū)。為了研究固結(jié)度對尾礦壩安全穩(wěn)定性的影響，沿壩的垂直方向，設(shè)置尾礦沉積自上而下呈由粗變細特征。

2.2 抗剪強度

為了得到尾礦砂的抗剪強度指標，按照GB/T 50123—1999 《土工試驗方法標準》[8]在三軸剪力儀上進行試驗。對尾礦砂試樣進行重塑，使其干密度分別為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3。 在三軸剪力儀上，對每個干密度試樣分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 4個圍壓，并對每個圍壓下的試樣設(shè)置不同固結(jié)度（25 %、50 %、75 %、100 %），進行三軸不排水剪切試驗，以獲得抗剪強度指標C和φ值。

2020年第10期/第41卷安全與環(huán)保安全與環(huán)保黃 金

2.3 模型對比

由于本項目尾礦砂實測干密度為1.55～1.75 g/cm3，因此在建模時考慮尾礦壩從上到下每層的干密度變化，使其干密度從1.55 g/cm3逐漸過渡到1.75 g/cm3。同時，尾礦壩堆積也是干密度逐漸變大的過程，因此將上層干密度設(shè)置為比下一層干密度小。為了方便進行對比，將第一組材料從上至下干密度設(shè)置為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3、1.75 g/cm3;第二組材料從上至下干密度設(shè)置為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3;第三組材料從上至下干密度設(shè)置為1.55 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3。為了對比固結(jié)度變化對尾礦壩安全穩(wěn)定性的影響，分別設(shè)置同種干密度下固結(jié)度從上至下分別為25 %、50 %、75 %、100 %的模型，并與4層完全按固結(jié)度100 %設(shè)置的模型進行對比，結(jié)果如圖2～4所示。固結(jié)度及干密度對應(yīng)的總應(yīng)力抗剪強度指標如表1～3所示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 固結(jié)度

利用Geostudio軟件對建立的模型分別進行求解，根據(jù)極限平衡法中的Bishop法進行計算，得出尾礦壩各模型的最小安全系數(shù)，同時將每組固結(jié)度及安全系數(shù)進行對比。

干密度分布形式相同，固結(jié)度分布不同的模型1

與模型2對比，結(jié)果如圖5、圖6和表4所示。

干密度分布形式相同，固結(jié)度分布不同的模型3與模型4對比，結(jié)果如圖7、圖8和表5所示。

干密度分布形式相同，固結(jié)度分布不同的模型5與模型6對比，結(jié)果如圖9、圖10和表6所示。

由結(jié)果可知：模型1、模型2計算得到的安全系

數(shù)分別為1.684，1.728;模型2的安全系數(shù)比模型1大0.044。模型3計算得到的安全系數(shù)為1.506，模型4的安全系數(shù)為1.595;模型4的安全系數(shù)比模型3大0.089。模型5計算得到的安全系數(shù)為1.423，模型6的安全系數(shù)為1.534;模型6的安全系數(shù)比模型5

大0.111。對比3組數(shù)據(jù)可知：隨著干密度的逐漸減小，尾礦壩分布顆粒越細，按固結(jié)度逐漸增加（固

結(jié)度從25 %到100 %）計算得的安全系數(shù)比按完全固結(jié)（固結(jié)度100 %）計算得到的安全系數(shù)明顯減小，這說明干密度整體布置偏小的尾礦壩模型對固結(jié)度的變化更敏感。

由AQ 2006—2005 《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》[9]可知，本項目所建尾礦庫屬于三等庫，其壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.2。本項目6種不同模型計算求得的安全系數(shù)均大于1.2，符合設(shè)計要求。

3.2 干密度

模型1、模型3、模型5都是將固結(jié)度按照從上至下分別設(shè)置為25 %、50 %、75 %、100 %，更符合工程實際。為了對比干密度分布對安全系數(shù)的影響，將

模型1、模型3、模型5的安全系數(shù)進行對比，結(jié)果如表7所示。

由表7可知：模型1干密度分布從上至下分別為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3、1.75 g/cm3，安全系數(shù)為1.684;模型3干密度分布從上至下分別為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3，安全系數(shù)為1.506;模型5干密度分布從上至下分別為1.55 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3，安全系數(shù)為1.423。由此可見，安全系數(shù)的大小與干密度的分布形式有關(guān)，其隨著干密度的增大而增大。因此，在進行尾礦壩穩(wěn)定性分析時，有必要將尾礦壩按固結(jié)度分區(qū)，對每一區(qū)域尾礦砂賦予不同的抗剪強度參數(shù)，得到更符合工程實際的建模計算結(jié)果。

4 結(jié) 論

1）在干密度分布形式相同的情況下，完全固結(jié)的尾礦壩比逐步固結(jié)的尾礦壩安全系數(shù)更大，也更為安全。

2）干密度整體布置偏小的尾礦壩對固結(jié)度的變化更敏感。

3）尾礦壩安全系數(shù)按固結(jié)度100 %計算得到的結(jié)果偏大，這種計算方法對實際工程不利，計算結(jié)果更偏于危險。為了得到更加合理、安全的設(shè)計方案，在尾礦壩設(shè)計時，應(yīng)按固結(jié)度不同對尾礦壩進行分區(qū)建模，以得到更加符合工程實際的計算結(jié)果。

[參 考 文 獻]

[1] 田園.尾礦料固結(jié)特性及其尾礦壩穩(wěn)定性研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2013.

[2] 曹冠森.小打鵝尾礦庫壩體固結(jié)沉降試驗與數(shù)值模擬[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[3] 吳小剛，汪斌，項宏海，等.飽和細粒尾礦大變形固結(jié)試驗在尾礦庫的研究及應(yīng)用[J].金屬礦山，2009（2）：53-56.

[4] 吳光航.逐級濕堆尾礦加速排水固結(jié)試驗研究及裝置研制[D].南寧：廣西大學(xué)，2015.

[5] 孫從露.高濃度尾礦筑壩加速固結(jié)沉積措施研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

[6] 徐宏達.不同固結(jié)度尾礦泥CU試驗和抗剪強度指標[J].中國礦山工程，2005（1）：45-47，40.

[7] 徐宏達.不同固結(jié)度尾礦泥動強度的試驗和推求[J].中國礦山工程，2004（5）：26-29.

[8] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.土工試驗方法標準：GB/T 50123—1999[S].北京：中國計劃出版社，1999.

[9] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程：AQ 2006—2005[S].北京：中國計劃出版社，2005.

Analysis of the tailings dam stability based on consolidation degree divisions

Tian Yuan1，Zhang San2，Che Gaofeng3，4

（1.Yangling Vocational and Technical College;

2.School of Automation，Xian University of Posts and Telecommunications;

3.Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering，Lanzhou Institute of Seismology，CEA;

4.Geotechnical Disaster Prevention Engineering Technology Research Center of Gansu Province）

Abstract：Different consolidation state of different sections in tailings dam influences the stability.This paper takes the tailings dam in Hanzhong，Shaanxi as the research subject，and uses the SLOPE module in Geostudio to divide the tailings dam according to the consolidation degree，and assigns each layer different dry density for modeling analysis，and compares the variation of safety coefficient of tailings dam in different plans.The test results show that the safety factor is smaller in the gradually increasing consolidation degree model than that calculated in the model based on the complete consolidation method，which is more in line with the actual situation;the tailings dam with a smaller overall dry density is more sensitive to the changes of consolidation degree.The research can provide more practical calculation method for tailings dam stability analysis.

Keywords：tailings dam;consolidation degree;stability;division;density distribution