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(西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054)

尾砂干式堆存技術(shù)初現(xiàn)于1960年前后，由于技術(shù)不成熟等原因發(fā)展較為緩慢，直至2000年前后，其經(jīng)濟節(jié)能的優(yōu)點才逐漸被重視，進而被各大企業(yè)應(yīng)用。“干式堆存”指尾礦砂經(jīng)脫水至不可泵送的濕度下，產(chǎn)生的高濃度膏體尾砂，堆存于地表，通過后期壓實形成致密穩(wěn)固的尾砂堆。這種方法投資少、維護簡單、提高土地利用率，綜合成本低[1]。

如今尾砂干式堆存筑壩工藝已逐漸成熟，實踐經(jīng)驗日益豐富，因此對干式堆存的尾礦壩在強降雨條件下形成地表徑流入滲使壩體穩(wěn)定性降低的研究具有一定的實際意義。

本文參照傳統(tǒng)筑壩工藝工況，考慮降雨對干式堆存尾礦庫的影響，將干式堆存尾礦庫運行工況分為正常運行、降雨運行和特殊運行。本文只對正常運行和降雨運行兩種工況進行穩(wěn)定分析。

1 數(shù)學(xué)耦合模型確定

尾砂是一種多相多孔介質(zhì)，干式堆存尾砂降雨下屬非飽和狀態(tài)，傳統(tǒng)達西滲流定律不再適用，對此，通過多孔介質(zhì)多相滲流理論，引出適用于尾砂的滲流耦合數(shù)學(xué)方程[2][3]

(1)

(2)

(3)

式中：c為存儲系數(shù)；n為孔隙率；kF水的體積模量；J是孔隙壓力P的函數(shù)，其計算方程為[4]

(4)

s=1，(p≥0)

式中：s為最小殘余飽和率；α為參數(shù)。

滲流場中流速滿足達西定律：

(5)

考慮非飽和時滲透系數(shù)隨孔隙水壓的變化，其計算方程為：

(6)

(7)

式中：kij為完全飽和時滲透系數(shù)。

計算過程中定解條件可以為固定水頭或恒定水流及降雨量。已知水位觀測孔的水位可作為定流量邊界[5]。結(jié)合應(yīng)力場的力與位移邊界條件，可用離散滲流與應(yīng)力的耦合方程。

2 穩(wěn)定分析方法

干式堆存尾礦庫在壩體填筑時尾砂含水率約為10%～20%，尾砂處于飽和狀態(tài)，隨著尾砂固結(jié)，孔隙水逐漸排除，尾砂由飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)?，F(xiàn)有大多數(shù)實際工程中對干式堆存尾礦庫進行穩(wěn)定計算時將壩坡看做干坡進行計算，計算結(jié)果偏于不安全，因此，本文將尾礦砂作為非飽和狀態(tài)介質(zhì)考慮。采用簡化畢肖普法進行分析，降雨作用下，水力浸入引起土條的容重增加，計算使用土的濕容重，計算過程中需要對土條進行分層處理，使每層土的容重為一固定值，依據(jù)每一個土條的重量來進行計算，從而分析坡體穩(wěn)定性。

3 工程分析

二里河鉛鋅礦三里河尾礦庫位于陜西省鳳縣，庫區(qū)位于秦嶺腹地。年降水量超過600 mm。周邊區(qū)域無大的活動斷裂帶，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害作用。由于尾礦庫所在溝道下游有礦山生產(chǎn)設(shè)施，為保證安全最終選擇干式堆存筑壩。 依據(jù)尾礦壩設(shè)計資料，采用有限元數(shù)值軟件Geostudio對該尾礦壩壩坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，共劃分單元17 546單元，筑壩材料參數(shù)見表1, 滲透系數(shù)取值見圖1。

表1 筑壩材料及參數(shù)

圖1 尾砂和堆石滲透系數(shù)曲線

3.1 坡面滲流分析

根據(jù)《寶雞地區(qū)水文手冊》，降雨入滲強度取值為當(dāng)?shù)刈畲?4 h均值雨量，強度為60 mm/h。每兩小時進行一次瞬態(tài)滲流分析，列出成果見圖2、圖3。分析如下：

(1)初始狀態(tài)下，未進行降雨時尾礦庫內(nèi)尾砂及壩體含水量較小，有較大的基質(zhì)吸力，有較大的負(fù)孔隙水壓力，未見明顯浸潤線。

(2)開始降雨后，分析可見上部尾砂尾砂含水量逐漸增大，下部尾砂趨于飽和，初期壩壩體底部出現(xiàn)明顯的浸潤線，分析初期壩底部濾水系統(tǒng)水壓力變大，水流流速隨之增大，這一趨勢隨著降雨時間的增加而愈加明顯。

(3)一段時間后，隨著降雨的持續(xù)，庫區(qū)內(nèi)尾礦砂含水量逐步達到飽和狀態(tài)，壩體浸潤線持續(xù)提高直至淹沒整個庫區(qū)。

圖2 初始狀態(tài)壩體孔隙水壓力云圖

3.2 壩坡穩(wěn)定性分析

將滲流分析結(jié)果與穩(wěn)定性計算耦合，即可分析得出最危險滑動面和最小安全系數(shù)。隨降雨時間變化曲線見圖4。分析可知：

(1)初始狀態(tài)下，干堆尾礦壩安全系數(shù)為1.512，穩(wěn)定性較好，在進行降雨計算的初期，尾礦砂的含水量增大，一定程度上提高了部分粘聚力，壩體安全系數(shù)最大提高至1.519，短期的降雨對整個壩體的穩(wěn)定性起到積極作用。

(2)隨著降雨作用持續(xù)進行，尾砂含水量的增加，壩體安全系數(shù)增大至一定水平后開始減小，主要是因為水力的浸入導(dǎo)致尾礦砂之間粘聚力下降，庫內(nèi)尾礦砂自重增大。

(3)降雨一段時間后，尾礦庫內(nèi)尾礦將進入飽和狀態(tài)，壩體浸潤線不斷抬高，壩體穩(wěn)定性進一步降低，安全系數(shù)發(fā)生驟減。

圖3 降雨24h后壩體孔隙水壓力云圖

圖4 安全系數(shù)隨降雨時間變化的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文依據(jù)具體的工程實例，對干式堆存尾礦庫的滲流穩(wěn)定性進行了分析，通過控制降雨進行研究，結(jié)果表明：降雨作用導(dǎo)致的尾礦含水量、容重的變化會直接引起尾礦砂孔隙水壓力、粘聚力之間的變化，進而對尾礦庫的穩(wěn)定性造成影響，少量降雨對尾礦的穩(wěn)定性起積極作用，降雨量超過一定限度后尾礦壩的安全系數(shù)將會迅速降低。

由此可見，對于干式堆存尾礦庫，進行穩(wěn)定性分析時應(yīng)考慮降雨入滲的影響，防止由于降雨入滲引起壩體浸潤線的升高而出現(xiàn)大面積的失穩(wěn)。