某上游式尾矿坝安全性评价方法分析研究

段伟强，崔世新

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

某上游式尾矿坝安全性评价方法分析研究

段伟强，崔世新

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

尾矿库安全性评价在尾矿库运行中是一项至关重要的工作。本文借助实际工程实例，使用规范规定的计算方法和公式，结合工程力学和流体力学基础理论知识，研究了尾矿库坝坡稳定性和尾矿渗流稳定性的评价方法和计算过程，对现有的尾矿库安全性进行了评价。同时，通过实验室重塑性试验取得了尾矿体的各项参数，应用二维边坡稳定性和渗流稳定性计算软件对尾矿库的稳定性进行了计算，对比解析法和数值法计算结果的异同，分析了产生差异的原因，为尾矿库安全性评价工作提供借鉴。

尾矿库 稳定性 安全性 渗流量

Duan Wei-qiang, Cui Shi-xin. Methodology of the safety evaluation for tailings dams[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(4):0783-0788.

0 前言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或工业废渣的场所(AQ2006-2005，2005)。它的安全性不仅影响到矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产及周边环境紧密相关。我国是一个矿业资源大国，现有尾矿库2600多座，尾矿库垮塌事故时有发生，给国家和人民生命财产造成重大的损失(刘恋等，2013)。鉴于此，河北省安全生产监督管理局下发文件，要求河北省内现有的运行矿山每三年要进行一次尾矿库稳定性及安全性评价，已关闭和将要关闭的尾矿库要进行闭库安全性评价。本文的尾矿库安全性分析评价研究课题就是在此背景下进行的。

1 评价内容、方法及解析法计算

1.1 规范要求

尾矿坝是尾矿构筑物的主体，影响尾矿堆积坝稳定的因素很多，如坝体内浸润线的高低、沉积滩长度、尾矿堆积坝坡度、排洪系统等(常士骠等，2006)。

根据《尾矿库安全技术规程》(以下简称《规范》)的要求，尾矿初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定性应根据坝体材料及坝基岩土的物理力学性质，考虑各种荷载组合，经计算确定。计算方法宜采用瑞典圆弧法。当坝基或坝体内存在软弱土层时，可采用改良圆弧法。考虑地震荷载时，应按《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定进行计算(DL5073-2000，2000)。尾矿坝应进行渗流计算，以确定坝体浸润线、逸出坡降和渗流量。浸润线出逸的尾矿堆积坝坝坡，应设排渗设施，1、2级尾矿坝还应进行渗流稳定研究(ZBJ1-90，1990；AQ2006-2005，2005)。

1.2 解析法渗流计算

某尾矿库位于生产区背面山沟内，与生产区相距400 m，利用自然山沟筑坝而成，形成选厂的尾矿堆积场所，为山谷型尾矿库。初期坝为碾压堆石坝，筑坝方式采用上游法。设计初期坝内、外边坡均为1∶1.6，设计坝高20 m，坝顶宽4.0 m，坝顶高程546.0 m，坝基高程为526.0 m。尾矿坝内坡面设400g/ m2土工布反滤层一道和0.3 m厚干砌石护面，以保护初期坝内坡面和防止堆石坝发生尾砂渗漏。尾矿坝外坡面设干砌石护面。设计总库容131.48×104m3，总有效库容量105.18×104m3。

图1 下游坝坡部分浸润线计算简图Fig.1 Sketch showing calculation of dam downstream saturation line

通过实际勘察，现阶段堆积坝由尾矿砂分散堆积放矿而成，分期填筑子坝。堆积坝已完成10级子坝，高20 m，坝顶高程566 m。内边坡1∶2，外边坡1∶3，干滩长度150 m，干滩平均坡度2%，正常水位标高563 m。

现场的观测管未见水位，坝体背坡未见渗水，尾矿水均由坝体底部的排水管排除，故认定坝体初期坝上游10 m以上排渗层长期有效。

根据尾矿库库容及坝高，参照《规范》规定，确定该尾矿库为四等库。根据《规范》规定，3类以下尾矿坝的渗流计算可按规范附录A进行。该计算分为两部分：(1) 将计算条件下的滩长换算为化引滩长，从而得到高于计算库水位的化引库水位。按化引库水位和化引滩长，用二相均质渗流计算方法确定浸润线。取其下游坝坡范围内的线段作为坝下游坡部分的浸润线。(2) 从下游坡浸润线上端点至计算库水位水边线用对数曲线连接成光滑曲线，即为沉积滩部分的浸润线(AQ2006-2005，2005)。

(1) 根据现场实际情况，放矿水覆盖绝大部分滩面，下游坝坡部分浸润线计算简图和过程见图1：

化引库水位：566-36.56×2%=565.27 m

计算水头：H=565.37-536=29.37 m

渗透长度：L=20×3-10×1.6+36.56=80.56 m

浸润线截距：

坝体单宽流量：

表1 下游坝坡浸润线埋深计算结果表

图2 下游坝坡浸润线Fig. 2 Dam downstream saturation line

从表1可以看出，在坝体下游坡段的浸润线均位于外坝坡面以下，埋深最大为10.14 m，这与现场的坝体水位检测孔监测的坝体渗透水位基本一致。浸润线没有溢出，说明现阶段，初期坝上游上部10 m有效排渗能满足要求，还不需要设置反滤层。但是，随着尾矿坝的进一步运行，坝体和水位不断升高，下游坝坡浸润线埋深将会变化，必须对尾矿坝的浸润线进行长期观测和定期评价，及时做好防渗措施。

(2) 《规范》要求从下游坡浸润线上端点(x=44，y=557.99)至计算库水位水边线端点(x=194，y=563)，用对数曲线连接成光滑曲线，见图3。

图3 沉积滩浸润线计算简图Fig.3 Calculation of deposition beach saturation line

表2 沉积滩部分浸润线坐标点

图4 沉积滩部分浸润线Fig. 4 Deposition beach saturation line

从图2和图4可以看出，尾矿堆积坝浸润线在下游坡段和沉积滩部分变化规律是不一致的，下游坝坡浸润线接近直线，而沉积滩部分浸润线呈对数曲线变化。在滩顶断面位置浸润线的变化趋势出现了突变。现阶段，两部分的浸润线都是低于坝坡面标高，浸润线没有溢出，这说明坝坡面不会出现渗流破坏，而且计算渗流的浸润线较低，浸润线最后溢出的部位在初期坝的上游中部位置，渗流的水流将从初期坝的底部位置流出，这和现场观测的水流从初期坝底部位置流出，背部坡面没有水流溢出的情况是一致的。

2 数值模拟法评价

2.1 坝体稳定性分析

对于稳定性评价数值模拟中采用的参数，我们通过现场勘察取样，在试验内进行尾砂的重塑试验，再结合《规范》中给定的参考值，确定如表3。

表3 各计算参数取值

稳定性计算采用二维极限平衡理论，在geo-slope中建立模型，分别对正常和洪水位工况和特殊工况下进行计算分析，按照瑞典圆弧法进行方法计算其最不利滑动面的抗滑安全稳定性系数，并按照《规范》规定的不同工况下坝体抗滑稳定性最小安全系数的要求，评价坝体的抗滑稳定性。本库区抗震设防烈度为7度，地震加速度取值为0.10 g(GB50011-2010，2010)。

图5 尾矿坝稳定性计算模型Fig.5 Calculation model of tailings dam stability

本次计算分为三种工况，(1) 正常运行，即天然状态下，尾矿坝干滩长度150 m，正常水位标高563 m。尾矿坝的有效应力组合为筑坝期正常高水位的渗透压力、坝体自重、坝体及坝基中孔隙压力。(2) 洪水运行，即在洪水情况下，尾矿坝水位抬升，干滩长度减小，此时尾矿坝干滩长度50 m，水位标高565 m。尾矿坝的有效应力组合为坝体自重、坝体及坝基中孔隙压力、最高洪水位有可能形成的稳定渗透压力。(3)特殊运行，即在洪水加地震情况下，此时干滩长度50 m，水位标高565 m，地震力影响系数0.1。尾矿坝的有效应力组合为坝体自重、坝体及坝基中孔隙压力、最高洪水位有可能形成的稳定渗透压力、地震惯性力。

三种工况尾矿坝稳定性计算结果如表4。

图6 特殊运行下边坡稳定性计算图Fig. 6 Slope stability calculation chart under special situation

安全系数ordinaryBishopJanbuGLE正常运行2292229222872298洪水运行2085208920812094特殊运行1359136213551371

从表4可以看出，正常运行，洪水运行和特殊运行时，坝坡抗滑稳定系数均大于《规范》规定的1.15、1.05、1.00，说明现阶段尾矿坝处于稳定运行状态。

从图6中可以看出，特殊运行状况下，坝坡的滑移面位于下游坡面表层的浸润线附近，滑移面贯穿尾矿砂和初期坝，但是滑移面的平滑程度不一样，这是由于尾矿坝和初期坝的堆积材料不同造成的。在尾矿砂中的滑移面基本和水位浸润线一致，这是由于尾矿砂的强度极易受水的影响，水位浸润线上下尾矿砂的强度存在极大的差异，水位浸润线相当于一个软硬岩土体的分界面，坝坡的滑移会沿着软硬分界面进行，这和我们的理论研究认识是一致的。而在初期坝中的滑移面就较浅，这是由于初期坝是由碾压块石堆积的透水坝，水对初期坝的稳定性无影响，同时坝体的材料强度大于尾矿砂的强度。

从表4计算结果可以看出，特殊运行状况下，坝坡稳定性系数降低的幅度特别大。这是由于堆积的尾矿砂和原有初期坝形成了新的边坡，尾矿砂成为影响边坡稳定性的重要因素。尾矿砂主要是粉细砂，由于尾矿砂的堆积，洪水导致的地下水位升高，尾矿砂大部分都处于地下水位面以下，处于饱和状态。在受到地震震动时有变紧密的趋势，这种趋于紧密的作用导致孔隙水压力骤然上升，在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，产生沙土液化现象。液化后使得原本物理力学参数就很小的尾矿砂物理力学参数进一步急剧降低和丧失，c、φ趋于0，造成尾矿砂和原有初期坝产生较大规模的滑移。

2.2 坝体渗流稳定分析

堆积坝已完成10级子坝，高20 m，坝顶高程566 m。内边坡1∶2，外边坡1∶3，干滩长度150 m，干滩平均坡度2%，正常水位标高563 m。按照规范计算所得，化引滩长36.56 m，化引库水位565.27 m。按照上述参数建立的坝体的渗流模型如图7。

图7 尾矿坝渗流模型Fig. 7 Calculation model of tailings dam seepage

由于坝体材料存在饱和区域和非饱和区域，在一定的正负压力值范围内定义合适的渗透系数方程来反映不同饱和度的变化是一种非常好的处理方法。尾矿砂的渗透性与孔隙压力呈曲线关系，随着孔隙水压力的消散增加，渗透系数范围位于1×10-5～1×10-6m/s之间。

计算得到该尾矿库正常运行期间和洪水运行期间的浸润线、总水头、单宽流量、流线等分布，计算结果见图8、9。

从图8和图9可以看出，正常运行时浸润线的变化曲线和埋深与解析法计算的结果是一致的，浸润线分为两部分，下游坝坡曲线和沉积滩曲线，初期坝初始渗流点在初期坝上游10 m处，这和解析法根据现场实际情况确定的渗流位置是一致的。正常运行和洪水期运行尾矿坝浸润线均没有溢出下游坝坡，满足《规范》要求。浸润线在初期坝和尾矿堆积坝交界面处有明显的变化，这是由于尾矿砂和初期坝材料不同的渗透系数造成的。洪水期浸润线埋深小于正常运行浸润线，这是由于洪水期运行时由于降雨导致尾矿坝蓄水量增加，水位抬升，干滩长度减小，渗流的水头高度增加导致的。

图8 正常运行尾矿坝渗流图Fig. 8 Calculation results of tailings dam seepage under normal situation

图9 洪水期运行尾矿坝渗流图Fig. 9 Calculation results of under flood situation tailings dam seepage

正常运行和洪水期运行的总水头都是由坝体上游向下游依次减小，在初期坝和尾矿堆积坝交界面处有明显的突然变小的趋势，这是由于两种材料的不同渗透系数造成的。

正常运行时的单宽流量为4.33×10-5m3/s，这和解析法的计算结果接近。洪水期单宽流量为5.32×10-5m3/s，正常运行比洪水期单宽流量小，说明在洪水期尾矿坝更易发生管涌、流沙等破坏性极大的溃坝风险，应加强洪水期尾矿坝的检查监测工作。正常运行时从标高565 m左右，到530 m左右，总水头高约35 m，渗流路径长约242 m，洪水期运行时从标高575 m开始，到530 m左右，总水头高约45 m，渗流路径长约242 m，洪水期的水利梯度比正常运行时大，流速快，在面积相同的条件下，洪水期的流量比正常运行期的流量大。

正常运行和洪水期运行的渗流流线变化趋势是一致的，在尾矿砂中从高水位到低水位平稳降低，在初期坝上游10 m的位置突然变化，流线都位于初期坝的底部，这是由于在初期坝上游10 m的位置存在排渗管道，建模时进行了处理，水沿着排渗管道从初期坝的底部直接排除了坝体，这和现场实际情况是一致的。

3 小结

本文借助具体的工程实例，依据《规范》对尾矿坝的安全性进行了评价分析，主要分析了尾矿坝坝坡稳定性和渗流稳定性，尤其是利用解析法和数值模拟法对渗流稳定性进行的计算分析，互相验证了解析法和数值模拟法计算结果的正确性，得出了以下结论：

(1) 尾矿坝在运行过程中，随着堆积高度的不断增加，坝体稳定性会越来越低，必须在运行的过程中对坝体采取相应的支护加固措施。

(2) 特殊运行情况下，尾矿坝受水和地震力双重作用，尾矿坝稳定性急剧减小，极易失稳。因此，在尾矿坝设计中，应该充分考虑特殊运行情况，同时，在尾矿坝运行时，应该及时排出尾矿库中的水，降低库内水位，必要时采取尾矿坝加固措施。

(3) 水对尾矿坝的稳定性具有极大的影响作用，水的渗流容易对尾矿坝造成破坏，尤其是在洪水期，尾矿坝的浸润线、渗流量、水利梯度都会增大，对尾矿坝的危害性增大，所以洪水期要对尾矿坝进行重点的检查监测，做好尾矿坝的防护工作。

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[附中文参考文献]

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Methodology of Safety Evaluation for Tailings Dams

DUAN Wei-qiang, CUI Shi-xin

(1.NorthChinaNonferrousEngineeringInvestigationInstitute，Shijiazhuang,Hebei050021)

The safety evaluation of tailing dams is a piece of important work in tailings dam operation. Using the data from real project cases and standard calculation methods and formulas, as well as engineering mechanics and fluid mechanics basic, this work analyzes calculation and evaluation methods of the tailings dam slope stability and seepage safety. Meanwhile, ore body parameters are measured by laboratory reshape tests, and the tailings dam slope stability and seepage safety are calculated by the analytical method and numerical simulation, separately. Then this paper compares the differences of the two methods, analyzes their causes. These results provide some references for safety evaluation of tailing dams.

Tailings dam, stability, safety, seepage

2014-01-15；

2014-04-20；[责任编辑]郝情情。

段伟强(1983年-)，男，2008年毕业于北京科技大学，获硕士学位，工程师，长期从事地质灾害、工程地质、环境地质的施工和研究工作。E-mail: dwqcl198247@163.com。

TD76

A

0495-5331(2014)04-0783-6