郭彥華，陳方瑜，扈松林

(中原科技學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 河南 鄭州 450018)

0 引言

對于濕排式尾礦庫壩體穩(wěn)定性，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者進(jìn)行了深入的研究和探討，其研究重點(diǎn)主要集中在滲流穩(wěn)定性、壩體靜力穩(wěn)定和壩體動(dòng)力穩(wěn)定三大方面[1]。滲流穩(wěn)定性主要探討浸潤線位置高低和尾礦粒徑的滲流特性，多采用數(shù)值分析方法，如：差分法、有限元法和邊界元法[2]；壩體靜力穩(wěn)定分析以極限平衡理論為基礎(chǔ)，主要研究尾礦壩處于靜力狀態(tài)時(shí)含水尾粉砂土的邊坡穩(wěn)定性[3]，常采用有限元法；壩體動(dòng)力穩(wěn)定主要考慮尾礦壩在震動(dòng)條件下產(chǎn)生的飽和砂土液化、孔隙水壓變化、不規(guī)則波作用對壩體穩(wěn)定性影響[4]。以上3個(gè)內(nèi)容的研究都有其局限性，因?yàn)閴误w的穩(wěn)定性受壩體設(shè)計(jì)、堆積材料內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、尾礦粒徑、浸潤線高低等多種因素影響[5-6]，且各因素的變化對壩體穩(wěn)定性的影響程度也不同。在工程實(shí)際中，往往需要研究各因素的變化對壩體穩(wěn)定性的影響，并針對相關(guān)影響因素采取防治措施。

不確定性分析法中敏感性分析法原是用于財(cái)務(wù)評價(jià)的方法。敏感性分析法是從眾多不確定性因素中找出對結(jié)果有重要影響的敏感性因素，分析測算其對結(jié)果影響程度和敏感性程度的一種不確定性分析方法。本文對影響壩體穩(wěn)定性的各種因素及其參數(shù)進(jìn)行研究分析，選定不確定性因素，設(shè)定其變化幅度，分析其對尾礦庫壩體穩(wěn)定安全系數(shù)K的 影響。

1 尾礦庫概況

某尾礦庫為一座山谷型尾礦庫，設(shè)計(jì)尾礦庫總庫容為230×104m3，總壩高為57 m，設(shè)計(jì)等別為四等庫。選礦廠排出的礦漿量為193.3 m3/h，采用尾礦庫壩前均勻放礦，放礦口間距為6 m。尾礦庫壩體及礦漿特征見表1。

表1 尾礦庫基本參數(shù)

尾礦庫排滲設(shè)計(jì)：初期壩采用塊石混凝土砌筑，內(nèi)充填碎石，基礎(chǔ)牢固，設(shè)置有排水管，用砂卵石層及土工布層做反濾層。堆積壩上有垂向排滲井和水平排滲管，排滲井采用潛水泵排水，根據(jù)滲水量采用間歇性抽水，以控制壩面浸潤線高度。水平排滲管鋪設(shè)坡度為2%，庫區(qū)尾砂部分的PVC管上部鉆有數(shù)孔，外表面包裹一層400 g/m2土工布，內(nèi)端 管口封閉，滲水通過排滲管排入相應(yīng)排水溝。

2 尾礦庫壩體穩(wěn)定性影響因素分析

根據(jù)庫侖定律，可知砂土的抗剪強(qiáng)度

黏性土的抗剪強(qiáng)度

式中，τ為土的抗剪強(qiáng)度，kPa；c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，（°）；σ為剪切滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力，kPa[7]。

內(nèi)摩擦力主要由土粒之間表面摩擦力和土粒之間的咬合力所引起。黏聚力則主要由土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Ｖg的電分子引力以及土中化合物的膠結(jié)作用而形成[8]。

該尾礦庫的磨礦細(xì)度小于200目（篩孔尺寸0.075 mm）顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的60%，根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496-2020）[9]，沉積在上部的為尾粉砂，沉積在下部的為尾粉土。尾粉砂和尾粉土的內(nèi)摩擦角φ一般在28°～36°，孔隙比越小，φ越大。尾粉砂和尾粉土的黏聚力c一般較小，約10 kPa以下。

對于黏性土組成的壩體，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K為穩(wěn)定力矩（式3）與滑動(dòng)力矩（式4）的比值；在有水滲流的情況下，根據(jù)條分法分析壩體穩(wěn)定性，安全系數(shù)計(jì)算公式見式（5）。

式中，αi為土條i滑動(dòng)面的法線與豎直線的夾角；li為條分土條i滑動(dòng)面的弧長；c、φ為滑動(dòng)面上的黏聚力及內(nèi)摩擦角；Wi為土條重度，浸潤線以下部分應(yīng)考慮水的浮力，采用浮重度；K為作用在浸潤線以下部分滑動(dòng)土體上的動(dòng)水力合力；r為動(dòng)力水合力D對滑動(dòng)面圓心O的力臂；R為滑動(dòng)圓半徑[10]。

壩體的穩(wěn)定性受多種因素影響，與尾礦的顆粒組成、密度、含水率、礦物親水性、礦物膠體特征、水滲流狀態(tài)、黏性土觸變性、水位高低、壩體高度等有關(guān)，有的因素相互之間還有一定關(guān)聯(lián)，且無法準(zhǔn)確測定[11]。為研究方便和便于定量分析，故選取可實(shí)驗(yàn)測量的單因素進(jìn)行分析。

（1）堆積壩高度H。堆積壩高度隨尾礦庫運(yùn)營逐年增加，為一變量。從式（3）～式（5）可以看出，安全系數(shù)K與堆積壩高度H無關(guān)，導(dǎo)致容易忽略堆積壩高度的影響。但是，如果壩體下方為堅(jiān)硬巖層，埋藏較淺，滑裂圓弧面只能與硬巖層相切，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面產(chǎn)生在坡腳還是坡面則受堆積壩高度H因素影響。

（2）壩體沉積層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c。尾礦沉積時(shí)，易于沉降的粗砂在壩前沉降、固結(jié)，粉砂按粒級在澄清區(qū)內(nèi)依次沉淀[12]。當(dāng)濕排尾礦庫入庫尾礦的比重、質(zhì)量濃度、粒度指標(biāo)變化不大，尾礦漿量、干灘長度和澄清長度穩(wěn)定時(shí)，尾粉砂層與尾粉土層呈層狀沉積，分界線可通過工程鉆探查明。尾礦的顆粒特征、礦物親水性、礦物膠體特征、黏性土的觸變性等綜合反映在內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c兩個(gè)因素上，其變化影響壩體穩(wěn)定安全系數(shù)K。由于尾粉土層沉積在下部，并全部處于浸潤線以下，為最易滑裂面產(chǎn)生位置，因此，本文研究的均為尾粉土層水下內(nèi)摩擦角、水下黏聚力。

（3）浸潤線高度。浸潤線高度為一變量，圓弧法計(jì)算時(shí)，土條干容重段和飽和段的高度對壩體穩(wěn)定性有影響。壩體內(nèi)含水率增高，會(huì)使壩體抗剪強(qiáng)度降低，表現(xiàn)在：一是水流動(dòng)過程中帶走細(xì)小顆粒，在較粗顆粒之間起著潤滑作用，使內(nèi)摩擦力降 低；二是黏土顆粒表面結(jié)合水膜增厚，使土黏聚力減小。

3 尾礦庫壩體穩(wěn)定性計(jì)算模型

取壩體中軸線剖面建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用極限平衡法原理，采用瑞典圓弧條分法計(jì)算尾礦庫壩體的穩(wěn)定性。錄入初期壩、堆積壩外形特征信息（見表1），基巖傾角為7°，子壩為20級，對應(yīng)壩高658 m，工程探測粉砂層與粉土層分界線在坡面以下22.4 m垂深，浸潤線取平均值8 m，干灘長度取最小值50 m，建立幾何模型。尾粉砂、尾粉土、初期壩、基巖基本參數(shù)見表2。對于4級尾礦壩，水作用力采用有效應(yīng)力法，不考慮地震影響[13]。采用理正巖土邊坡穩(wěn)定軟件進(jìn)行復(fù)雜土坡穩(wěn)定性計(jì)算，條分寬度 取1 m。圓弧穩(wěn)定計(jì)算采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面，計(jì)算結(jié)果：壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K為1.671。

表2 模型計(jì)算基本參數(shù)

4 敏感性分析

4.1 影響因素確定

選取子壩壩高H、浸潤線高度h、尾粉土水下黏聚力c、尾粉土水下內(nèi)摩擦角φ4個(gè)關(guān)鍵影響因素，分析其對壩體穩(wěn)定性的影響程度。

各因素分別按-15%、-10%、-5%、5%、10%、15%幅度變動(dòng)。

4.2 安全系數(shù)計(jì)算

計(jì)算過程及運(yùn)算結(jié)果見式6。

4.3 敏感性分析

4.3.1 子壩高度

子壩高度變化對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響如圖1所示。隨著子壩高度增加，壩體穩(wěn)定安全系 數(shù)K呈下降趨勢，正常子壩增加2 m，安全系數(shù)降低0.014左右。

圖1 子壩壩高的敏感性分析

對于此壩體，當(dāng)子壩數(shù)為18級（壩高+655 m）時(shí)，最危險(xiǎn)滑裂圓弧面出現(xiàn)在初期壩上（見圖2（a）），但子壩數(shù)為19級（壩高+656.5 m，壩高度增加1.5 m）時(shí)，最危險(xiǎn)滑裂圓弧面出現(xiàn)在堆積壩上，位置發(fā)生跳動(dòng)（見圖2（b）），安全系數(shù)K也發(fā)生大幅度變化。

圖2 最危險(xiǎn)滑裂圓弧面位置變動(dòng)

最危險(xiǎn)滑裂面位置呈坡腳圓或坡面圓，美國巖土學(xué)家泰勒認(rèn)為主要取決于硬層的深度，最易滑動(dòng)面總是和硬層頂面相切。對于此壩體，本文認(rèn)為最危險(xiǎn)滑裂圓弧面位置隨壩高發(fā)生突變與初期壩結(jié)構(gòu)、基巖傾角和尾礦沉積特征有關(guān)。該壩初期壩采用塊石混凝土砌筑，內(nèi)充填碎石，基礎(chǔ)牢固，相當(dāng)于擋土墻結(jié)構(gòu)[14]，壩體基巖呈7°傾角，滑動(dòng)面底面總是和基巖頂面相切；靠近初期壩部分堆積壩受水壓較大，對初期壩施加主動(dòng)土壓力[15]，達(dá)到極限平衡狀態(tài)；當(dāng)子壩超過臨界高度后，上部堆積壩整體穩(wěn)定性則取決于尾礦沉積層黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，最危險(xiǎn)滑裂圓弧面以坡面圓形式出現(xiàn)在堆積壩上。

4.3.2 浸潤線高度

壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K與浸潤線高度呈反向變 化，如圖3所示。由圖3可知，浸潤線高度越高，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K越小，隨浸潤線至壩體表面距離減小，對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K影響越明顯，線段左側(cè)斜率小于右側(cè)斜率。

圖3 浸潤線高度的敏感性分析

4.3.3 黏聚力

堆積壩中尾粉土層水下黏聚力變動(dòng)對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K的影響如圖4所示。由圖4可知，黏聚力的影響較小。

圖4 尾粉土水下黏聚力的敏感性分析

4.3.4 內(nèi)摩擦角

堆積壩中尾粉砂水下內(nèi)摩擦角變動(dòng)對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K有較大影響（見圖5）。由圖5可知，隨著內(nèi)摩擦角增大，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K增大，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K對尾粉土層內(nèi)摩擦角變動(dòng)較敏感。

圖5 尾粉土水下內(nèi)摩擦角的敏感性分析

不考慮子壩高度對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K的突變影響，各因素對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K影響敏感性排序?yàn)椋何卜弁翆觾?nèi)摩擦角＞浸潤線高度＞壩高＞尾粉土層黏聚力。

5 結(jié)論

（1）子壩壩高、浸潤線高度、尾粉土層內(nèi)摩擦角、黏聚力對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K都有影響；相比較，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)對尾粉土層內(nèi)摩擦角和浸潤線變動(dòng)更敏感。增大沉積在下部的尾粉土層摩擦角，降低浸潤線高度，是提高壩體穩(wěn)定性最有效的辦法。

（2）浸潤線高度與壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K呈反向變化，浸潤線高度越高，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K越小，且隨浸潤線至壩體表面的距離越近，對壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K的影響越顯著。

（3）對于此壩體，最危險(xiǎn)滑裂圓弧面在19級子壩高度出現(xiàn)位置跳動(dòng)，壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)K隨之發(fā)生大幅度變化，本文認(rèn)為與初期壩結(jié)構(gòu)、基巖傾角和尾礦沉積特征有關(guān)。后續(xù)還需深入研究，在工程實(shí)踐中也應(yīng)引起高度重視。