段志剛

【摘 要】尾礦庫是筑壩攔截谷口或圍地構成的、用以貯存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是礦山開采的三大控制性建設工程之一，一旦失事，將影響礦山正常生產(chǎn)，嚴重時還破壞下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，造成巨大的生命財產(chǎn)損失。本文即結合實例詳細闡述了基于滲流理論的尾礦庫穩(wěn)定性分析。

【關鍵詞】尾礦庫；滲流；穩(wěn)定性；浸潤線；參數(shù)

一、尾礦庫穩(wěn)定性分析的現(xiàn)狀

尾礦壩作為礦山安全生產(chǎn)的重要設施，能否安全運行直接關系到尾礦庫的穩(wěn)定，并對下游村莊及整個礦山的生產(chǎn)起著至關重要的作用。因此，準確評價尾礦壩的穩(wěn)定與否是防止尾礦庫失穩(wěn)潰壩、威脅人民生命財產(chǎn)安全的前提，并為尾礦庫災害防治提供依據(jù)。關于尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析的計算方法很多，邊坡工程中廣泛應用的穩(wěn)定性計算方法是極限平衡法。它是一種比較成熟的邊坡穩(wěn)定性分析方法；該方法的特點在于原理簡單、計算簡便、易于理解。

首先，較為經(jīng)典的方法是 Bishop提出的 Bishop 法；該方法提出了安全系數(shù) F 的定義。同時，通過假定土條間的作用力為水平方向求出土條底面的法向力。后來學者們又提出各種方法，如 Spencer 法、Mogrenstme-Price 法和 Janbu 法等。

其次，數(shù)值分析法（以有限單元法為代表，安全系數(shù)是采用強度折減方法來確定，其意義是指強度折減至尾礦壩體達到臨界狀態(tài)時的折減強度）是通過建立數(shù)學模型，然后選擇壩體的材料本構模型來模擬、求解壩體的應力圖，再按照準則判斷壩體的穩(wěn)定性；概率分析方法則是在計算結果的基礎上進一步給出壩體失穩(wěn)的概率。

二、礦山尾礦庫穩(wěn)定性分析流程

（一）安全系數(shù)的確定

尾礦壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，在《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》（ZBJ1—90）和國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會第20號令《尾礦庫安全管理規(guī)定》（2001年11月頒布）等相關法律法規(guī)以及規(guī)程規(guī)范中都作出了明確規(guī)定。在尾礦庫（壩）穩(wěn)定性分析中，一般先按照尾礦庫的設計壩高和庫容大小確定尾礦庫的安全等級，再根據(jù)尾礦庫的安全等級查表確定尾礦壩抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)。

（二）荷載工況的確定

根據(jù)《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》（ZBJ1—90）中要求，尾礦壩穩(wěn)定性計算（靜力分析與擬靜力分析）的荷載分為5大類，即：①筑壩期正常高水位的滲透壓力；②壩體自重；③壩體及壩基中的孔隙水壓力；④最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力；⑤地震荷載。根據(jù)尾礦庫不同運行情況及現(xiàn)場實際狀況，可按表1進行組合。

表1 尾礦庫穩(wěn)定性分析的荷載組合

（三）確定計算剖面

確定計算剖面很重要，在穩(wěn)定性分析之前，應將工程地質(zhì)勘察作為整個壩體穩(wěn)定分析的一部分。尾礦壩的工程地質(zhì)勘察是為穩(wěn)定性分析提供基礎資料。所以，在布置勘探工作時應綜合考慮，使獲取的勘察資料不僅全面真實可靠，而且要實用。例如，勘探剖面應盡量與尾礦壩軸線垂直，一般布置3個勘探剖面，其中1個為主剖面。

三、基于滲流理論的尾礦庫穩(wěn)定性分析

（一）尾礦庫的浸潤線

1、影響浸潤線的因素

浸潤線是反映壩體滲流的特征線，浸潤線的位置是壩體排水性能的綜合反映。在影響尾礦壩穩(wěn)定的諸因素中，浸潤面位置的高低是極為重要的因素之一。由于浸潤線位置的高低取決于礦渣的物理力學特性、滲透性能、排水設施的布置等要素，在實際工程中，為了降低浸潤線位置，降低壩體滲透壓力，提高上游式尾礦壩的動力穩(wěn)定性，對于浸潤面高低的控制主要從滲透系數(shù)、干灘長度、壩體分塊材料的各向異性以及排滲設施等要素進行控制。

不同壩體位置處，筑壩材料對浸潤線的影響也各有差異。一般來說，尾礦壩筑壩材料的滲透系數(shù)在100-4cm/s左右。對初期壩而言，滲透系數(shù)越小，受壩體的不透水性影響，浸潤線會抬高，易造成滲流沿壩頂逸出，對壩體造成嚴重破壞。對于壩體人滲區(qū)，滲透系數(shù)越大，浸潤線越高。對于由不同滲透系數(shù)的礦渣填筑的尾礦壩，對浸潤線的影響也有所差異。上下層滲透系數(shù)之比越大，下層阻水能力加強，浸潤線就會有抬高趨勢，且由上向下延伸，使得下層的阻水作用在上游發(fā)展。在尾礦壩出口區(qū)，浸潤線會隨滲透系數(shù)的降低而明顯抬高，且隨著滲透系數(shù)的逐步減小，浸潤線將從下游向上游延伸。

（二）浸潤線的計算

根據(jù)《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》，結合實際的勘察資料，在合理分析各項因子對浸潤線影響機理的基礎上，對不同運行條件下的壩體浸潤線進行計算。

首先根據(jù)尾礦壩的相關參數(shù)確定壩體的等級，在確定化引灘長和化引庫水位之后，就可以得到浸潤線方程。以壩基不透水、無排滲措施的均質(zhì)尾礦壩為例，其浸潤線方程為：

式中：hi為化引庫水位，且，其中H為實際庫水位；Lc為實際灘長，即干灘長；m為下游坡度系數(shù)；m0為沉積灘坡度系數(shù)；L為化引灘長；a為出逸點高度，且。

選取不同工況下的水位，如正常運行水位、校核洪水位等，根據(jù)上式即可推求尾礦壩的浸潤線，將求得的浸潤線與勘察觀測的實際浸潤線進行對比分析，來驗證所求浸潤線的合理性，如果二者之間能有較好的吻合，說明影響浸潤線的各參數(shù)選擇合理，否則，應該結合各項因子對浸潤線的影響關系，調(diào)整參數(shù)或者設置排水措施，使得二者能夠較好的吻合。

（三）穩(wěn)定性分析

1、計算模型及參數(shù)選取

（1）計算模型的選取

某尾礦庫為山谷型，壩軸線只有150m，隨著尾礦庫壩體的逐漸堆高，軸線也會增加，但由于山谷兩邊山坡坡度大，橫剖面為“V”字型，總體而言，壩軸線不能增加太長。計算選擇的主剖面壩址處標高1135.5m，壩頂標高1300m，庫內(nèi)水位標高1290m，尾礦庫沉積灘分別按700m和150m進行計算。計算采用 STAB2005二維分析軟件。

（2）計算參數(shù)的選取

在上游式尾礦庫壩體穩(wěn)定計算分析時，壩體各種材料的物理力學參數(shù)是基礎性數(shù)據(jù)，因此選取合理的計算參數(shù)至關重要。根據(jù)中國地震區(qū)劃分，該尾礦庫屬于地震活動強烈的華北地震區(qū)汾渭地震帶，地震基本烈度為 7 度。尾礦物理力學指標按照工程地質(zhì)資料提供的參數(shù)進行計算。

由于該尾礦庫初期壩壩體是透水堆石壩，因此按照類似壩體選取參數(shù)。各物理力學指標取值： 容重為21.0g/cm3，內(nèi)摩擦角為38°，內(nèi)聚力為0。

2、壩體穩(wěn)定性計算

（四）結果分析

1、通過計算可得，各種方法的安全系數(shù)均大于1.25，滿足《尾礦庫安全技術規(guī)程（ AQ 2006—2005） 》中的最小安全系數(shù)要求。計算剖面圖顯示最危險滑面從初期壩體壩頂穿過，主要是由于堆積尾礦形成的壩體坡度較緩，穩(wěn)定性較好。

2、通過穩(wěn)定性分析，當浸潤線超過 6.0 m時，壩體在動力狀態(tài)下不能滿足規(guī)范要求，壩體穩(wěn)定狀態(tài)較差，因此為了增大安全儲備，提高尾礦堆積壩穩(wěn)定性，必須加強排滲，降低壩體浸潤線高度（應將壩體浸潤線控制在6.0m以下）。

3、要保證壩體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，必須保證壩體排滲設施安全有效運行，及時降低壩體浸潤線高度。如果排水設施失效，將導致初期壩附近孔壓增大，壩體安全系數(shù)降低。因此，控制壩體浸潤線高度，保證排洪系統(tǒng)和排滲設施運行正常，對尾礦壩穩(wěn)定性非常重要。

參考文獻：

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