基于渗流理论的尾矿坝坝体稳定性分析研究

李兆炜,胡再强

(西安理工大学 岩土工程研究所,陕西 西安710048)

0 引 言

尾矿坝作为矿产资源开采后由生产废弃料堆积而成的大体积坝体,是非煤矿山企业的重大危险源之一,其安全稳定一直是坝体稳定研究领域的重点课题。我国现有大小规模的尾矿坝6 260余座,在选取的具有代表性的2 692座尾矿坝中,经过正规设计的仅占43.9%,定期进行过风险评估的占7.7%,目前尚有58.7%的尾矿坝未取得安全生产许可证,且不少未取证的尾矿坝仍在非法生产[1]。可见,尾矿坝的安全现状并不乐观。近两年,尾矿坝溃坝事故已达20余起,造成人员伤亡和有污染物下泄的事故屡屡发生,对下游居民的生命财产安全造成严重威胁[2]。尾矿坝溃坝的原因大致有三:第一,设计、评估、安全运行管理的体制机制不完善。多数的尾矿坝无正规的施工和监理队伍,未遵循先勘察设计、后施工建设、再投产运行的设计程序;一半以上的尾矿坝属于无证生产,且没有健全的安全管理机制;不同行业(如黑色、有色、化工等)的尾矿坝设计规范不完善。第二,人为因素。对尾矿坝的溃坝损失和日常管理的认识不够,缺乏尾矿坝运行管理和安全监管的专业人员。第三,自然因素。如大洪水,地震等造成的尾矿坝坝坡失稳、漫顶等破坏。在我国已建成的尾矿坝中,90%的尾矿坝均采用上游法筑坝[3],造成坝体的稳定性较差,沉积密度较低,浸润线偏高,渗流难以控制,且在众多的尾矿坝溃坝案例的成因分析中,由渗流引起的坝体坝坡失稳、渗透破坏的尾矿坝屡见不鲜。因此,对于尾矿坝的渗流稳定进行进一步的深入研究,有助于分析尾矿坝的溃坝事故原因,为制定相关对策措施提供技术支持,具有重要的实际意义和应用价值。

1 尾矿坝的浸润线

1.1 影响浸润线的因素

浸润线是反映坝体渗流的特征线,浸润线的位置是坝体排水性能的综合反映。在影响尾矿坝稳定的诸因素中,浸润面位置的高低是极为重要的因素之一。由于浸润线位置的高低取决于矿渣的物理力学特性、渗透性能、排水设施的布置等要素,在实际工程中,为了降低浸润线位置,降低坝体渗透压力,提高上游式尾矿坝的动力稳定性,对于浸润面高低的控制主要从渗透系数、干滩长度、坝体分块材料的各向异性以及排渗设施等要素进行控制。

不同坝体位置处,筑坝材料对浸润线的影响也各有差异。一般来说,尾矿坝筑坝材料的渗透系数在10-4cm/s左右[4]。对初期坝而言,渗透系数越小,受坝体的不透水性影响,浸润线会抬高,易造成渗流沿坝顶逸出,对坝体造成严重破坏。对于坝体入渗区,渗透系数越大,浸润线越高。对于由不同渗透系数的矿渣填筑的尾矿坝,对浸润线的影响也有所差异。上下层渗透系数之比越大,下层阻水能力加强,浸润线就会有抬高趋势,且由上向下延伸,使得下层的阻水作用在上游发展。在尾矿坝出口区,浸润线会随渗透系数的降低而明显抬高,且随着渗透系数的逐步减小,浸润线将从下游向上游延伸。

实例证明,干滩长度越长,对下游浸润线降低的效果越明显,对坝体稳定越有利,且在坝体运行期,对干滩长度的控制可以有效地改变坝体内浸润线的高低,以保证大坝的安全。

尾矿坝坝体填筑材料的沉积由其自身的规律性,即坝体内的材料经沉积后,自上而下依次为尾中砂、尾细沙、尾粉砂、尾亚砂和尾矿泥,也因此产生了坝体填筑材料的各向异性。实例结果表明,坝体材料水平向与竖直向渗透系数越大,浸润线越高。

尾矿沙层中经常含有狭长的尾矿泥夹层的存在,造成尾矿泥上部的浸润线抬高,夹层越厚,抬高效果越明显,且由于尾矿泥的透水性差,浸润线会在尾矿泥内发生转折,夹层很长时,浸润线就会沿坝坡逸出,对坝体稳定产生不利影响。

在坝体中设置的排水设施可有效地降低浸润线的高度。如坝脚处的棱体排水、虹吸井、垂直水平联合排渗等。坝体下游的平均坡度也对浸润线有一定的影响。在坝高一定、相同的干滩长度的情况下,尾矿坝下游坡度越缓,实际渗径越长,浸润线越低。

1.2 浸润线的计算

根据《选矿厂尾矿设施设计规范》,结合实际的勘察资料,在合理分析各项因子对浸润线影响机理的基础上,对不同运行条件下的坝体浸润线进行计算。

首先根据尾矿坝的相关参数确定坝体的等级,在确定化引滩长和化引库水位之后,就可以得到浸润线方程。以坝基不透水、无排渗措施的均质尾矿坝为例,其浸润线方程为[5]:

式中:hi为化引库水位,且其中H为实际库水位;Lc为实际滩长,即干滩长;m为下游坡度系数;m0为沉积滩坡度系数;L为化引滩长;a为出逸点高度,且

选取不同工况下的水位,如正常运行水位、校核洪水位等,根据上式(1)即可推求尾矿坝的浸润线,将求得的浸润线与勘察观测的实际浸润线进行对比分析,来验证所求浸润线的合理性,如果二者之间能有较好的吻合,说明影响浸润线的各参数选择合理,否则,应该结合各项因子对浸润线的影响关系,调整参数或者设置排水措施,使得二者能够较好的吻合。

2 尾矿坝稳定性分析

坝体的稳定性分析是确定坝剖面和评价坝体安全的主要依据,其分析方法主要是建立在极限平衡理论基础之上的,常见的方法有瑞典圆弧法、毕肖普法和滑楔法[6]。根据尾矿坝设计规范,对于三级以上的尾矿坝需进行渗流、抗滑稳定性的计算,而对于三级及三级以下的只需进行抗滑稳定性计算。下面以山东招远玲珑尾矿坝为例,对尾矿坝的稳定性进行分析。

2.1 工程概况

玲珑尾矿坝位于山东招远市和龙口市交界处,初期坝坝型为透水堆石坝结构,采用上游法尾矿堆积筑坝方式,坝型为透水堆石坝,设计总库容量为290×104m3,坝顶宽2 m,上、下游边坡均为1∶1.75,子坝2 m一级,形成总外坡平均比为1∶4.2,现坝高为96.5 m,按照《选矿厂尾矿设施设计规范》规定为三等别。

2.2 计算参数与计算工况

尾矿坝的填筑材料有其自身的力学参数,稳定性计算中的参数通常采用材料的勘察指标建议值,如表1。计算包括正常运行工况、最高洪水运行工况和地震工况。按照放水形成稳定渗流时入渗点作为坝内水位,此工况为正常运行工况。假设库内洪水达到最大,最小安全滩长时的水位作为坝内洪水位,求取坝内浸润线,此工况为最高洪水工况。按照以上两种工况,加载地震作用力,将地震时的坝内应力应变状态代入计算工况,此工况为地震工况。

表1 玲珑尾矿坝坝体尾矿力学计算参数

2.3 稳定性计算结果

本次计算采用瑞典圆弧法进行计算,简化毕肖甫法进行校核。计算结果如表2所示。由于篇幅有限,这里只列出了正常运行工况和最高洪水位工况下的计算结果图,如图1～图4。

表2 尾矿库坝体瑞典法稳定性计算结果

图1 正常工况瑞典法稳定性计算结果(图中滑弧为Fs＜1.65)

图2 最高洪水位瑞典法稳定性计算结果(图中滑弧为Fs＜1.55)

图3 正常工况毕肖甫法稳定性计算结果

图4 最高洪水位毕肖甫法稳定性计算结果

从稳定计算结果来看,无论是何种荷载组合,无论是静力稳定性还是动力稳定性,尾矿坝边坡稳定性均满足规范要求的最小安全系数,说明该尾矿坝是稳定的。

除了上述稳定性分析的方法,还可以在不考虑各种工况的情况下,建立坝体的计算模型,对其静力稳定性和动力稳定性进行分析。与瑞典圆弧法一样,静力稳定性选取的模型为摩尔-库伦模型,若计算求的抗滑稳定安全系数大于规范要求值,则其静力是稳定的。再以静力状态结果作为动力分析的初始状态,输入地震波,来分析地震过程中坝体孔隙水压力的增长情况,以此判断发生液化的可能性,具体计算方法可以参照文献[7],这里不以赘述。

3 尾矿坝安全稳定性的防范措施

3.1 尾矿库常见故障及处理措施

通过缜密勘察、正规设计、严格施工的尾矿坝,坝体的渗流稳定、抗滑稳定都能达到规范要求。但是在实际投产运行中,难免会出现一些异常事故,对于这些现象,必要时要采取应急措施。部分异常迹象的处理措施见表3。

表3 尾矿库常见故障及处理措施参考表

3.2 库区安全监督管理

对尾矿库的正常运行来说,库区安全管理也是一项至关重要的环节。为确保安全生产,依据国家安全生产的相关规定,应成立专门尾矿坝管理班组,并建立严格的奖惩制度,按下述要求执行:(1)当实际情况与设计要求不符时,应在汛前及时通知设计单位进行调洪演算和泄流能力复核,以指导防洪工作;(2)执行巡坝和护坝制度。遇到坝体出现裂缝、滑坡、沉陷等现象时,要查明原因,妥善处理并做好记录;要经常观测坝体浸润线及逸出点的位置以及渗水量与水质,当出现浸润线骤升或渗漏浑水等异常现象时,要查明原因,妥善处理并做好记录;(3)尾矿库的排洪设施需经常进行检查,确保排洪畅通;(4)做好坝体位移、沉降、渗水和库水位等的观测记录,出现异常,立即报告;(5)汛期前,必须对排洪系统进行全面检查,发现问题,及时解决。加强值班和巡视,密切注视库内水情变化和坝体两侧沟谷地表径流动态,发现险情及时报告,采取紧急措施,严防事态恶化;(6)尾矿库使用期满而停止使用时,应进行闭库设计。库内不宜蓄水,防范发生溃坝和污染环境的危害事故。

3.3 其他安全措施

对于尾矿坝坝区内地质灾害的防范、化学污染物监测、粉尘处理、库区水质检测等细节问题也需要考虑。入库水流中不可避免地含有化学药品的残留物,管理不善会酿成严重事故。如果进入尾矿库的化学药品残留物超标,若尾矿库调洪库容小、水在库内停留曝气时间短、尾矿库的回水利用率低、尾矿库外泄水量大,都会造成污染物的超标排泄。可以采取设置水质监测井的措施,随时对水质进行检测,企业设专职人员对污染物进行检测分析,为进行环境管理、评价企业的环境质量、防止污染、保护和改善环境提供依据。尾矿坝的粉尘主要来自于库内的干滩扬尘,需要定期洒水,避免大风天气粉尘飞扬,污染周围的空气环境。

4 结 语

从设计、管理两方面对尾矿坝的稳定性进行分析,有助于提高坝体稳定、确保尾矿坝安全万无一失。我国已建的尾矿坝安全问题较为突出,在今后的勘察和设计工作中,只要做到严谨、科学、合理,加强施工过程的规范化,严把质量关,剔除一切违规操作,并把尾矿坝的日常管理和监督作为一项长期任务去抓,采取妥善处理方式,防患于未然,就可以将尾矿坝溃坝造成的损失减小到最低程度,有效维护社会稳定和人民生命财产安全。

[1]杨丽红,李全明,程五一,王云海.国内外尾矿坝事故主要危险因素的分析研究[J].中国安全生产科学技术,2008,4(5):28-31.

[2]徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析[J].工业建筑,2001,31(1):69-71.

[3]赵 杰,李淑英.尾矿坝浸润线控制[J].西部探矿工程,2005,(2):69-70.

[4]赵坚,沈振中.尾矿坝复杂排水系统渗流计算方法的改进[J].河海大学学报,1997,25(2):110-113.

[5]祝进兵,孙亮,郑小毅,卢雪松.某尾矿坝抗滑稳定性分析[J].中国水运,2007,5(1):62-63.

[6]林继镛.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2006:233-245.

[7]陈殿强,王来贵,李根.尾矿坝稳定性分析[J].辽宁工程技术大学学报,2008,27(3):359-361.