琅琊山铜矿尾矿坝稳定性分析

陈其付

(安徽省琅琊山矿业总公司, 安徽滁州市 239011)

琅琊山铜矿尾矿坝稳定性分析

陈其付

(安徽省琅琊山矿业总公司, 安徽滁州市 239011)

以琅琊山铜矿尾矿坝为例,对堆石尾矿坝进行稳定性计算分析,并探讨了堆石尾矿坝的安全稳定性计算分析方法。

尾矿库;堆石砌石坝;破坏模式;稳定性计算

1 概 况

琅琊山铜矿尾矿库位于滁州市区上游,三面环山,一面临空,为山谷型库,总库容307万m3,汇水面积0.8km2,现全库容282万m3,库内已堆积尾矿200万m3。尾矿坝设计最终坝顶标高90m,坝高43.5m,现坝顶标高88.50m,坝高42.00m,为堆石砌石不透水型坝。初期坝为堆石砌石坝,后期坝采取分期心墙垂直升高,坝后利用井下出窿废石随心墙和库内尾矿堆积而加高加固(见图1)。尾矿库为4级库,由于位置重要提高一级,按3级进行设计和管理。

图1 坝体结构

该尾矿库坝体的安全稳定关系到下游滁州市民的安全,对坝体进行稳定性计算分析,全面了解坝体安全状况,发现坝体存在的隐患和问题,以便及时采取措施,确保尾矿坝安全运行。

2 坝体破坏模式分析

琅琊山铜矿尾矿坝为堆石砌石不透水型坝,坝体由初期坝、砌石心墙坝及废石堆坝构成,其中,初期坝和心墙坝为中线坝。根据坝体构筑型式,中线坝内侧受尾矿和静水压力作用,外侧废石对坝体起到支撑和反压作用,而废石堆坝下的尾矿层及第四纪土层,相对废石和基岩属于软弱层,废石堆坝沿其下软弱层滑动,造成废石堆坝体破坏,使中线坝失去支撑而产生剪切滑动破坏。

当废石堆坝保持稳定,它对中线坝体起到强力的支撑和反压作用,此时整个尾矿坝坝体在侧压力的作用下沿其内薄弱层面和坝基层面产生滑动破坏。

3 稳定性计算分析

根据坝体破坏模式的分析,废石堆坝边坡稳定是坝体稳定的关键。稳定计算分析先从废石堆坝边坡的稳定计算分析入手,然后对坝体进行力学分析和稳定计算。

3.1 废石堆坝坝坡稳定性计算分析

废石堆坝下为尾矿层及第四纪土层,相对于废石和基岩而言,堆坝之下属于软弱层。根据《尾矿库安全技术规程》推荐,坝边坡稳定性计算分析采用改良圆弧法。

(1)坝坡滑弧分析。如图2所示,A、B、C、D为任意滑裂面,其中AB及CD为圆柱面,BC为平面,土体ABB′的滑动力Ph和土体DCC′的抗滑力Pk分别作用在BB′和CC′面上,BC面的抗滑力为S。则废石堆积坝边坡稳定系数K为:

图2 改良圆弧法计算简图

(2)选用的各土层物理力学指标。根据工程勘察及《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)附录中所提供的参数,结合尾矿坝实际情况,选取各土层物理力学指标如表1。

表1 土层物理力学指标

(3)计算分析。假设一滑弧ABCD,将滑动土体ABB′和抗滑动土体BCC′分条,用力的多边形作图求Pk和Ph,并求得BC直线抗滑力S,计算出坝坡稳定系数,同理计算其他滑弧稳定系数,从中找出最小安全系数,其结果见表2。

表2 最小安全系数

3.2 坝体稳定性计算与分析

废石堆坝坝坡稳定性分析表明,它对中线坝起到支撑与反压作用,在计算坝体稳定时,把中线坝和坝后废石坝视为一个整体考虑,采用重力坝的原理进行分析。

(1)坝体的受力分析。作用在坝体内侧的侧压力有土压力和水压力。根据对长期观测资料的分析,心墙坝水平位移量很小(达不到0.001H),在没有发生位移或位移较小时,作用在坝体内侧的侧压力是静止土压力(E0),其合力值为:E0=1/2rH2K0,其中,r为尾矿的天然容重,kN/m3,水位以上采用天然容重,水位以下采用水下容重;H为计算坝段的高度,K0为静止土压力系数,K0=1-sinΦ。水压力为静水压力(Ew),其合力值Ew=1/2rwH2,其中,rw为水的容重,9.8kN/m3。两力的合力为Ex=E0+Ew,方向水平,而坝体自重G的合力产生的抗滑动力∑N·f与坝体内侧的作用力相反,如图3所示。

(2)库内尾矿分层及物理力学性能指标,见表3。根据《公路挡土墙设计与施工技术细则》,心墙与初期坝顶的摩擦系数0.5;初期坝与地基之间的摩擦系数取0.5。

图3 坝体受力分析

表3 库内尾矿分层及物理力学性能指标

(3)稳定性计算与分析。重力坝主要依靠坝体自重产生的抗(剪)滑力来维持稳定。其坝体的抗滑动稳定性即抗滑动稳定系数(Kc)是作用于坝体的最大可能的抗滑力(∑N·f)与实际滑动力(Ex)之比,即Kc=∑N·f/Ex。根据该尾矿坝的特点,心墙坝与初期坝顶的接触面是坝体断面突变、应力集中部位,对整个坝体而言,该接触面为薄弱层面,而坝与基岩的接触面抗剪强度较低,水平合力较大。坝体在侧压力作用下极易沿这两个层面产生滑动破坏。另外尾矿库水位对坝体的稳定性影响较大,计算分析时考虑正常水位和最高洪水位两种运行状态,其结果见表4。

表4 抗滑动稳定系数Kc计算结果

4 结果分析

(1)该尾矿坝是一种堆石、砌石不透水型坝,坝体结构复杂,单纯按照边坡稳定计算分析,不能反应各因素对坝体安全稳定性的影响。通过废石堆坝的稳定性计算分析,反应筑坝材料、坝坡及其下软基对坝体稳定性的影响,通过坝体的稳定计算分析反应库内尾矿堆积、水位等因素对坝体安全稳定影响。

(2)废石堆坝坝坡的稳定是整个坝体安全稳定的关键,如废石堆坝发生深层滑动破坏,中线坝失去支撑而破坏。增大废石堆坝的密实度,降低废石堆坝坡度,确保坝基排渗体排水畅通,及时维护坝坡,是预防坝坡滑动破坏,确保坝体安全稳定的关键。

(3)尾矿库水位的控制是影响坝体安全稳定的另一个重要因素,如库内水位长期处于高位状态,势必使库内尾矿处于饱水状态,这就增大了坝体的侧压力,侧压力过大,对坝体的安全稳定是不利的。加强水位控制,迅速排去洪水,是确保坝体安全稳定的重要措施。

[1]《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料[M].北京:冶金工业出版社,1980.

[2]王福来,陈洪天.土石坝变形与稳定性分析[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3]刘成宇.土力学[M].北京:中国铁道出版社,2006.

[4]颜宏亮.水工建筑物[M].北京:化学工业出版社,2007.

2009-10-06)

陈其付(1958-),男,安徽临泉人,工程师、国家注册安全工程师,主要从事尾矿库安全技术管理。