某尾礦壩的穩(wěn)定性計(jì)算與分析實(shí)例
一、引言
尾礦庫(kù)是一種特殊的工業(yè)建筑物，也是礦山三大控制性工程之一。它的運(yùn)營(yíng)好壞，不僅影響到礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且與庫(kù)區(qū)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)及周邊環(huán)境息息相關(guān)。我國(guó)是一個(gè)礦業(yè)大國(guó)，每年排棄尾礦近3億t，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分要堆存于尾礦庫(kù)，現(xiàn)有尾礦庫(kù)2600多座，尾礦庫(kù)的重大事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，也將給企業(yè)帶來不可估量的損失，在社會(huì)上造成極壞的影響。2000年10月18日，廣西南丹縣大廠鎮(zhèn)鴻圖選礦廠尾礦庫(kù)發(fā)生重大垮壩事故，共造成28人死亡，56人受傷，70間房屋不同程度毀壞，直接經(jīng)濟(jì)損失340萬元；2008年，山西襄汾特大尾礦庫(kù)潰壩事故造成了279人遇難。可見，尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定極其重要。
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，礦山企業(yè)對(duì)回收率越來越重視，礦石磨得粒度也越來越細(xì)。目前，細(xì)粒尾礦沒有嚴(yán)格的定義。細(xì)粒尾礦是指平均粒徑dcp≤0.03mm，且小于0.109mm的含量一般大于50%，大于0.074mm的含量小于10%，大于0.037mm的含量小于30%的尾礦。
尾礦壩作為堆載尾礦砂的重要構(gòu)筑物，細(xì)粒尾礦筑壩的安全穩(wěn)定性研究受到礦山企業(yè)的普遍送注。尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的送鍵是尾礦壩體必須安全穩(wěn)固，因此，為了防止尾礦壩事故的發(fā)生，對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性分析研究是完全有必要的，意義重大。
二、影響細(xì)粒尾礦壩體穩(wěn)定性因素
尾礦壩是尾礦構(gòu)筑物的主體，影響尾礦堆積壩穩(wěn)定的因素很多，如壩體內(nèi)浸潤(rùn)線高低、沉積灘長(zhǎng)度、尾礦堆積壩壩坡度、排洪系統(tǒng)等。
（一）壩體內(nèi)浸潤(rùn)線高低對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響
壩坡浸潤(rùn)線是尾礦壩的生命線，它是直接影響壩體安全的一個(gè)非常重要的因素之一。地下水對(duì)壩體不僅產(chǎn)生動(dòng)水壓力，降低壩體的穩(wěn)定性，尤其是在地震時(shí)，引起孔隙水壓力的快速上升，有效應(yīng)力減少，產(chǎn)生管涌、流沙和壩面沼澤化等危險(xiǎn)，對(duì)尾礦壩安全帶來嚴(yán)重的危害。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆積實(shí)踐結(jié)果對(duì)比分析，細(xì)粒尾礦堆積壩的浸潤(rùn)線比一般尾礦堆積壩的浸潤(rùn)線高。浸潤(rùn)線位置的高低對(duì)于尾礦壩的穩(wěn)定性影響勘大。浸潤(rùn)線如果降不下來，對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定是非常不利的。因此，一定要嚴(yán)格控制壩體滲流，防止浸潤(rùn)線偏高。
（二）沉積灘長(zhǎng)度對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響
在排礦量大、濃度低的非放條件下，干灘面長(zhǎng)度很大程度取決于庫(kù)內(nèi)水位控制。若干灘面控制過長(zhǎng)，灘面的上升速度必然緩慢，由此而影響庫(kù)容蓄水和澄清水距離不足導(dǎo)致回水質(zhì)量變劣。若控制水位保持灘面坡度，使水面離壩頂水平距離縮短，庫(kù)內(nèi)水位上升，導(dǎo)致壩體安全穩(wěn)定性降低。因此，控制、監(jiān)測(cè)干灘面長(zhǎng)度極其重要。
（三）堆壩坡度對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響
通過對(duì)細(xì)粒尾礦堆積壩物理模型室內(nèi)試驗(yàn)的研究，測(cè)試出在不同坡度下細(xì)粒尾礦壩的承載能力，結(jié)果表明，當(dāng)堆積壩坡度每增大10°，其壩體承載能力至少減至原來的1/5～1/6，說明提高尾礦堆積壩坡度不利于壩體穩(wěn)定，更易發(fā)生破壞。因此，在實(shí)際尾礦庫(kù)工程中，還應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)控制壩坡角度。
（四）尾礦砂密實(shí)度對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響
一般的尾礦堆積壩，通過自然分級(jí)，依靠自身的重力作用固結(jié)密實(shí)。細(xì)粒尾礦的平均粒徑比較小，在分散放礦時(shí)，顆粒不容易沉積，當(dāng)懸浮液濃度為5%～10%，潛流速度大時(shí)，可
能發(fā)生異重流，使得壩體空隙度大，壓實(shí)性較差。尾礦材料的室內(nèi)試驗(yàn)表明，壩體密度對(duì)抗剪強(qiáng)度有明顯影響，密實(shí)度越高，抗剪強(qiáng)度越大。因此，在堆壩期間應(yīng)嚴(yán)格控制放礦速度，避免出現(xiàn)由于礦砂疏松造成壩體失穩(wěn)的情況。
（五）排洪系統(tǒng)對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響
排洪系統(tǒng)的好壞，會(huì)直接影響尾礦壩的穩(wěn)定性。如銀山鉛鋅礦尾礦壩決口事故、鄭州鋁廠灰渣庫(kù)潰決事故、智利埃爾尾礦壩潰壩事故、美國(guó)布法羅河礦尾礦壩潰壩事故等，直接原因就是排洪系統(tǒng)故障或設(shè)計(jì)有誤引起洪水漫頂。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有色金屬礦山因排洪系統(tǒng)失事引起的災(zāi)難幾乎占尾礦壩事故的50%。
（六）其他影響尾礦壩穩(wěn)定性的因素
尾礦壩是尾礦構(gòu)筑物的主體。影響尾礦壩體穩(wěn)定性的因素很多，另外還有尾礦沉積層的抗剪強(qiáng)度、堆積壩的高度、庫(kù)內(nèi)水位的高低、工程措施、效果等，特別是對(duì)于非國(guó)有的中小礦山，施工及運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)纫蛩囟际怯绊懳驳V壩體穩(wěn)定性的原因。
三、工程實(shí)例
某尾礦庫(kù)的初期壩壩型為碾壓式石渣壩，壩頂標(biāo)高為海拔104m，壩高17m，庫(kù)容58萬t時(shí)。堆滿后用沉積尾礦堆筑子壩，邊堆邊存，最終堆集標(biāo)高為126m，總庫(kù)容325萬m3，總壩高40m，平均坡度為1∶6。對(duì)堆積壩現(xiàn)狀標(biāo)高進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，鑒于壩體對(duì)于尾礦庫(kù)的重要性，主要對(duì)105m和126m標(biāo)高的穩(wěn)定性進(jìn)行分別論證。該庫(kù)容量為325萬m3，壩總高40m，屬四等尾礦庫(kù)。根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.1條規(guī)定，三級(jí)及三級(jí)以
下的尾礦壩可不進(jìn)行滲流穩(wěn)定性計(jì)算，從而只需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算。
（一）漫潤(rùn)線的計(jì)算
確定化引灘長(zhǎng)L及相應(yīng)的化引庫(kù)水位，并放礦
水覆蓋絕大部分灘面，此時(shí)，化引灘長(zhǎng)計(jì)算公式為：
Li＝3.3 LC0.48
式中Li為化引灘長(zhǎng)；Lc為計(jì)算條件下的實(shí)際灘長(zhǎng)。
化引庫(kù)水位計(jì)算公式為：
式中Hi為化引庫(kù)水位；H為計(jì)算條件下實(shí)際庫(kù)水位；mo為沉積灘坡度系數(shù)（即沉積灘坡度為1∶mo）。浸潤(rùn)線位置參照尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料確定。
hi＝Hi－Z
將尾礦壩視為壩基不透水的均質(zhì)壩，當(dāng)無排滲設(shè)施且下游無水時(shí)，浸潤(rùn)線方程可表示為：
式中出逸點(diǎn)高度按下式計(jì)算：
式中m為下游坡坡度系數(shù)。根據(jù)尾礦壩運(yùn)行情況計(jì)算所得的浸潤(rùn)線逸出高程見表1。這里計(jì)算工況取正常運(yùn)行水位和洪水位兩種。
根據(jù)野外勘察觀測(cè)，當(dāng)壩頂標(biāo)高105m時(shí)，按此方法計(jì)算的浸潤(rùn)線基本上與實(shí)際浸潤(rùn)線吻合。
（二）計(jì)算參數(shù)的選取
該尾礦壩初期壩壩型為碾壓式石渣壩，堆滿后用沉積尾礦堆筑子壩，邊堆邊存，因而穩(wěn)定性計(jì)算材料包括石渣、尾礦砂兩種材料。依據(jù)野外勘察和《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄一該尾礦砂為尾細(xì)砂，其參數(shù)選取參考表2。
表1 浸潤(rùn)線計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)
壩頂高程 Hd/m | 庫(kù)水位 H/m | 計(jì)算灘長(zhǎng) Lc/m | 化引灘長(zhǎng) L/m | 化引水位 Hi/m | L1/m | △L/m | L/m | a/m | 溢出高程 /m |
105 | 101.00 | 100 | 30.10 | 103.80 | 81.00 | 8.72 | 89.72 | 3.68 | 89.68 |
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表2 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表
土層特性 | 天然容重 r/（kN/m3） | 飽和容量 rsat/（kN/m3） | 凝聚力 | 內(nèi)摩擦角 φ/° |
尾細(xì)沙 | 18.5 | 20.5 | 0 | 28.1 |
原始?jí)误w材料 | 21.0 | 21.8 | 0 | 36 |
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（三）荷載組合及安全系數(shù)
在尾礦壩的穩(wěn)定性分析中，一般先按尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)壩高和庫(kù)容大小確定尾礦庫(kù)的安全等級(jí)，再根據(jù)尾礦庫(kù)的安全等級(jí)查表確定尾礦壩抗滑穩(wěn)定性的安全系數(shù)。
地震烈度區(qū)域劃分為6級(jí)烈度及6級(jí)烈度以下地區(qū)的5級(jí)尾礦壩，當(dāng)壩外坡比小于1∶4時(shí)，除原尾礦屬尾粘土和尾粉質(zhì)粘土以及軟弱壩基外，可不作穩(wěn)定計(jì)算。該尾礦庫(kù)工程抗震設(shè)防類別屬乙類水工建筑，基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度。本地的基本烈度為6度，因此設(shè)計(jì)烈度為6度，所以穩(wěn)定計(jì)算不考慮地震荷載。
表3 穩(wěn)定性計(jì)算的荷載工況
載荷組合 | 載荷類別 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
正常運(yùn)行 | 總應(yīng)力法 | 有 | 有 | － | － | － |
有效應(yīng)力法 | 有 | 有 | 有 | － | － |
洪水運(yùn)行 | 總應(yīng)力法 | － | 有 | － | 有 | － |
有效應(yīng)力法 | － | 有 | 有 | 有 | － |
特殊運(yùn)行 | 總應(yīng)力法 | － | 有 | － | － | 有 |
有效應(yīng)力法 | － | 有 | 有 | － | 有 |
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該尾礦壩屬四等尾礦壩，根據(jù)需要對(duì)壩頂高程106m（目前壩高度）和126m兩種模型分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。
安全系數(shù)是指在設(shè)計(jì)、施工或使用過程中的工程項(xiàng)目必須達(dá)到安全性保證的定量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程重要性程度而設(shè)定。尾礦庫(kù)的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006－2005 )有明確的規(guī)定。
根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體穩(wěn)定計(jì)算有以下兩種荷載組合，見表4。
表4 尾礦壩抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)規(guī)范值
運(yùn)用情況 | 壩的級(jí)別 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
正常運(yùn)行 | 1.30 | 1.25 | 1.20 | 1.15 | 1.15 |
洪水運(yùn)行 | 1.20 | 1.15 | 1.10 | 1.05 | 1.05 |
特殊運(yùn)行 | 1.10 | 1.05 | 1.05 | 1.00 | 1.00 |
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1、正常運(yùn)行＝正常水位＋壩體自重，采用瑞典法計(jì)算，當(dāng)尾礦庫(kù)為四等尾礦庫(kù)時(shí)安全系數(shù)K≥1.15；2）洪水運(yùn)行＝最高洪水位＋壩體自重，采用瑞典法計(jì)算，當(dāng)尾礦庫(kù)為四等尾礦庫(kù)時(shí)安全系數(shù)K≥1.05。
（四）現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性計(jì)算及結(jié)果
根據(jù)選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范，采用瑞典法對(duì)該尾礦壩各種運(yùn)行情況進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。同時(shí)采用Bish叩法與之進(jìn)行對(duì)比，穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)采用表2中數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見表5。
表5 運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
運(yùn)行情況 | 圓心 | 瑞典法 | Bishop法 |
X/m | Y/m | 半徑/m |
105m | 正常運(yùn)行 | 15.23 | 50.05 | 50.24 | 1.406 | 1.433 |
洪水運(yùn)行 | 15.01 | 50.13 | 50.13 | 1.375 | 1.396 |
126m | 正常運(yùn)行 | 15.32 | 120.02 | 120.04 | 1.179 | 1.207 |
洪水運(yùn)行 | 15.27 | 120.22 | 120.24 | 1.077 | 1.141 |
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計(jì)算結(jié)果表明：正常運(yùn)行下該尾礦壩是穩(wěn)定的，兩種方法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)均超過《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的安全系數(shù)，目前該尾礦壩是穩(wěn)定的。該尾礦庫(kù)壩高105m時(shí)不同荷載組合下，穩(wěn)定性良好；按目標(biāo)的堆壩方式、速率，堆積至126m高程時(shí)，壩體穩(wěn)定性也滿足《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的安全系數(shù)。
