多条件下二道沟金矿尾矿库坝体稳定性研究

刘海洋，郝 哲，，杜研岩

（1.沈阳大学 建筑工程学院，辽宁 沈阳 110041；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110013）

我国是一个矿业生产大国，但富矿少，贫矿多，矿石品位较低，因此在开采出大量精矿的同时，矿山行业每年产生尾矿约6亿吨，保有尾矿库12 000～15 000座［1］，居世界之最.尾矿库是一种具有高势能的人造泥石流危险源，一旦发生滑坡、溃坝等事故，后果不堪设想.因此，积极开展尾矿库坝体稳定性研究，提高工程实践活动的科学性，对于保障库区人民群众生命财产安全，促进矿山行业平稳、健康、可持续发展具有重要意义.

中国黄金集团二道沟金矿地处辽宁省北票市，其所属尾矿库由沈阳有色冶金设计研究院设计，1997年建成并投入运行至今，现总坝高约为45.0m，库容约为237.7万 m3，为Ⅳ等库；设计尾矿堆积坝终期标高▽631m，现已堆积到坝顶标高▽625m.由于该地区地理条件复杂，地质灾害多发，为满足安全生产、科学开发的要求，本文对该尾矿库坝体进行稳定性评价，以消除安全隐患，提高事故防范和灾害预警能力.

1 尾矿库坝体稳定性的影响因素

尾矿是一种具有非均质各向异性且具有流变特性的复杂介质，其性状十分复杂，加之尾矿库的运行是和矿山生产同步的，因此尾矿坝受到各种内外力作用的共同扰动和持续影响.通常，影响尾矿库坝体稳定性的因素有以下几方面：

（1）坝基地质条件.当坝基存在软弱夹层和褶皱、断层等不良地质条件时，在加高过程中，堆积载荷不断增大，尾矿坝极易产生滑动失稳.

（2）坝体结构.包括尾矿坝的规模、几何尺寸；筑坝尾矿粒度成分、堆筑质量；干滩长度、内外坡比等.统计资料表明，坝体越高、坡度越大、干滩长度越短、尾矿粒度越细，则坝体的稳定性越低.

（3）水的影响.由于尾矿通常是以尾矿浆的形式进行排放，所以尾矿库内不仅堆积了大量的尾矿，同时积存了大量水体，包括尾矿澄清水和大气降水.水会降低尾矿的抗剪强度，同时软化尾矿，影响其渗透固结，尤其在地震时，受到地震波的冲击，大量尾矿极易发生液化，导致管涌、流沙和坝面沼泽化甚至溃坝；而外部的水流冲刷特别是暴雨冲击也极易形成冲沟、水土流失等，破坏尾矿坝表面的结构整体性，影响坝体稳定.

（4）排洪设施.排洪系统是尾矿库的生命线，但尾矿库防洪标准过低、泄洪能力不足或发生堵塞、损毁时，极易造成大量洪水积压库内，造成洪水漫顶，甚至溃坝［2］.

（5）其他因素.一些库区不良地质灾害的影响，如滑坡、地震的冲击；不合理的人为活动，如坝下取土、违规放矿、盲目加高等均会造成尾矿坝的失稳.

2 尾矿坝稳定性分析基本原理

尾矿技术起步较晚，相关理论研究也甚不完善，到目前为止，依然沿用土力学的基本理论和方法对坝体稳定性进行分析.同时，也有学者探索了利用岩土工程其他领域的方法进行稳定性研究，如时序分析、神经网络模型［3］等.但应用最为成熟的还是基于极限平衡理论的抗滑稳定性分析，其基本思想极限平衡法把待分析滑体视为刚体，将之划分为彼此无变形的条块，然后建立条块的受力平衡方程来求解坝体的稳定系数.安全系数Fs定义为滑动土体总抗滑力与总滑动力的比值，显然，当比值为l时，坝体是处于临界稳定状态，但是考虑到抗震和防洪要求，安全系数必须有一定的安全储备，即安全系数必须大于1［4］.目前，对于尾矿坝抗滑稳定性评价方法中，以瑞典圆弧法和Bishop法最为常用.

2.1 瑞典圆弧法

该法假设条块之间的作用力对圆弧形滑动面上的法向应力分布没有影响，则作用于各垂直条块上的力如图1所示，其抗滑力与下滑力之比即为安全系数Fs如式（1）所示：

式中，i为第i个条块；r为圆弧半径；αi为条块地面中点切线与水平线夹角；Ui是条块地面中点处孔隙水压力；Wi为条块重量；Q为作用在条块重心处的水平向地震惯性力，Q′为作用在条块重心处的垂向地震惯性力（向下为正），Mc为Q对圆心的力矩之和；Li为条块底部长度；ci和φi是条块地面中点处的内聚力和内摩擦角.在不考虑地震影响时，公式中的Q、Q′和Mc均取为零.

图1 瑞典圆弧法中垂直条块受力情况示意图Fig.1 Force condition of vertical strip in Sweden arc method

2.2 Bishop法

Bishop法其实是一种改进的条分法，该法假定条块间有水平力的存在，但条块间不存在剪应力（见图2），此时坝体边坡的安全系数见式（2）：

式中各项参数含义均同式（1）.

图2 Bishop中垂直条块受力情况示意图Fig.2 Force condition of vertical strip in Bishop method

3 多条件下二道沟尾矿库坝体定性计算

依据《选矿厂尾矿设施设计规范》《尾矿库安全技术规程》和《碾压式土石坝设计规范》，定性评价主要采用瑞典圆弧法进行，同时采用Bishop法进行对比评价，对于四等尾矿库，坝体在各种运行情况下的载荷组合及最小安全系数见表1［5］：

表1 各种工况下的最小安全系数Table 1 Minimum safety factors under different conditions

3.1 计算参数的选取

尾矿坝抗滑稳定性分析成果的可靠性在很大程度上决定于土的抗剪强度指标的选择.本次稳定性分析所用岩土物理力学参数是按照室内土工试验结果并结合以往经验综合选取，其计算参数见表2.

表2 尾矿坝各类土体物理力学参数Table 2 Parameters of soil layers in tailings dam

3.2 渗流计算

3.2.1 计算条件预设

在本次稳定性评价中，对于正常运行情况下的稳定性计算将以勘察期间的实测浸润线为准；对于洪水工况和特殊工况下的稳定性计算，最高洪水位取为最小干滩长度（50m）所对应水位，据此得出计算浸润线作为进一步分析的依据.

3.2.2 渗流计算结果

（1）首先进行坝体浸润线的计算，将计算结果与勘察描绘浸润线进行比对，以校核，如图3所示.

图3 实测与计算浸润线对比示意图Fig.3 Comparison of actual saturation line and fitted saturation line

可见，计算结果与实测结果基本吻合，说明参数选择合理，可为后续洪水位运行和特殊运行浸润线的推算分析所采用.浸润线在初期坝脚逸出，属于透水坝体正常排水现象，不会造成渗流破坏.

图4 洪水位下计算浸润线Fig.4 Fitted saturation line under flood condition

（2）洪水位及特殊运行条件下浸润线，计算结果如图4所示.从图中可以看到，在洪水位情况下坝体浸润线比正常运行工况下进一步提高，必须引起足够的重视，在此情况下进行坝体稳定性计算极为必要.

3.3 多条件下坝体稳定性计算

3.3.1 正常运行条件下（现状干滩长度约150.0 m）稳定性计算结果

正常运行时坝体稳定性计算结果分别见图5、图6及表3.

在正常运行（现状干滩长度约150.0m）的情况下，坝体稳定性计算结果显示，计算最小稳定性系数大于规范要求的最小安全系数.因此，该尾矿坝在现状情况下运行是安全稳定的.

3.3.2 洪水位运行条件下稳定性计算结果

洪水条件下（最高洪水位＋坝体自重）坝体稳定性计算结果分别见图7、图8及表4.

图5 正常运行时坝体瑞典圆弧法稳定性计算结果图Fig.5 Stability calculation result of tailings dam with Sweden arc method under usual condition

图6 正常运行时坝体Bishop法稳定性计算结果图Fig.6 Stability calculation result of tailings dam with Bishop method under usual condition

表3 正常运行时尾矿坝坝坡稳定性计算结果Table 3 Stability calculation result of tailings dam under usual condition

图7 洪水条件下坝体瑞典圆弧法稳定性计算结果图Fig.7 Stability calculation result of tailings dam with Sweden arc method under flood condition

图8 洪水条件下坝体Bishop法稳定性计算结果图Fig.8 Stability calculation result of tailings dam with Bishop method under flood condition

表4 洪水位条件下尾矿坝稳定性计算结果Table 4 Stability calculation result of tailings dam under flood condition

在洪水位条件下（最高洪水位＋坝体自重），瑞典圆弧法和Bishop法的稳定性计算结果均符合规范要求，计算稳定性系数均大于规范要求的最小安全系数，因此，理论上该尾矿坝在洪水位运行情况下是安全稳定的，但仍需动态观测，不断采集最新数据更新模型，以获取最新稳定性计算结果进一步评价.

3.3.3 特殊运行条件下稳定性计算结果

地震会产生强大的冲击波和动应力，但其对坝体的破坏主要是由水平地震力引起的，因此，本次地震条件下的尾矿坝稳定性计算中仅考虑水平方向地震力的影响.采用《水工建筑物抗震设计规范》［6］所建议的拟静力法来考虑地震力，计算结果分别见图9、图10及表5.

图9 特殊条件下坝体瑞典圆弧法稳定性计算结果图Fig.9 Stability calculation result of tailings dam with Sweden arc method under special condition

图10 特殊条件下坝体Bishop法稳定性计算结果图Fig.10 Stability calculation result of tailings dam with Bishop method under special condition

表5 特殊条件下尾矿坝稳定性计算结果Table 5 Stability calculation result of tailings dam under special condition

虽然地震和洪水的发生都是小概率事件，其耦合出现更是百年不遇，但是鉴于其巨大的破坏力和带来的灾难性后果，依然需要广大学者和尾矿工程人员提高防范意识，时刻警钟长鸣，关注特殊工况下的尾矿坝运行状态.根据本次计算结果，特殊工况下的计算最小稳定性系数大于规范要求的最小安全系数，而且两种方法预测的滑动面基本一致，也进一步反应了数值模拟和参数选取的合理性与科学性.据此，可基本推知该尾矿坝在特殊工况下可以稳定运行，但是计算安全系数仅略大于规范值，安全储备明显不足，因此下一步现场工作的重点仍是采取措施切实提高坝体防洪抗震能力，确保尾矿库安全运行.

4 结 论

坝体稳定性是尾矿库安全的生命线，必须引起相关工程人员和广大学者的足够重视.本文依托二道沟尾矿库工程，对多种运行条件下的坝体进行了有限元数值模拟，结果显示各种工况下的计算稳定性系数均超过规范要求的最小安全系数，表明该库处于良性运行状态，满足安全生产要求，但是安全系数储备略显不足，需要现场工程人员提高安全意识，加强安全监测，并积极采取各项工程措施提高坝体稳定性.

［1］ 陈殿强.尾矿坝加高过程稳定性研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2008：1-2.（Chen Dianqiang.Study on the Stability of Tailing Dam During Heightening Process［D］.Fuxing：Dissertation of Liaoning Technical University，2008：1-2.）

［2］ 刘登高.尾矿坝稳定性分析与研究［D］.北京：中国地质大学，2007.（Liu Denggao.Analysis and Study of the Stability for the Tailing Dams ［D］. Beijing： China University of Geosciences，2007.）

［3］ 李宇楠，郝哲.基于已有矿区工程实例对同一矿区不同工作帮边坡稳定性的分析［J］.沈阳大学学报：自然科学版，2012（2）：75-80.（Li Yunan，Hao Zhe.Based on The BP Neural Network to Analysis The Stability of The Side Slope［J］.Journal of Shenyang University：Natural Science，2012（2）：75-80.）

［4］ 吕庭刚.尾矿库安全现状综合评价［D］.昆明：昆明理工大学，2005.（Lü Tinggang.Safety actuality of tailing pond［D］.Kunming：Kunming University of Science and Technology，2005.）

［5］ 国家安全生产监督管理总局.尾矿库安全技术规程（AQ2006-2005）［S］.2006：5-6.（State Administration of Work Safety.Safety Technical Regulations for the Tailing Pond（AQ2006-2005）［S］.2006：5-6.）

［6］ 中华人民共和国水利部.水工建筑物抗震设计规范（SL203-97）［S］.1997：19-20.（Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.Specifications for Seismic Design of Hydraulic Structures（SL203-97）［S］.1997：19-20.）