綦江铁矿尾矿库加高扩容的稳定性研究

吕志涛 靳晓光 李亚勇 王洪科

(1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400031)

綦江铁矿尾矿库加高扩容的稳定性研究

吕志涛1,2靳晓光1,2李亚勇1,2王洪科1,2

(1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400031)

为研究尾矿库加高扩容以及浸润线升高对其稳定性的影响，以重庆綦江铁矿尾矿库为研究对象，利用瑞典条分法分别计算现有尾矿库及其加高扩容后在正常水位及洪水位状态下的安全系数。计算结果表明，现有尾矿库在正常水位及洪水位状态下安全系数分别为1.90、1.63，均大于规范所规定的最小安全系数1.1，洪水位状态下安全系数较正常水位降低14.21%；尾矿库加高扩容后在2种水位下安全系数分别为1.27、1.17，尾矿库加高扩容引起安全系数降低。尾矿库加高扩容及浸润线高度升高，导致尾矿库安全系数有较大降低，几乎没有安全储备，滑动面深度及滑体半径有显著增大。因此，建议尾矿库加高扩容后应控制尾矿库浸润线位置，同时增强保护措施，加强监测管理，规范运行，防止尾矿库发生垮塌事故。

尾矿库 浸润线 瑞典条分法 安全系数

尾矿库是用以贮存金属非金属矿山矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是矿山三大控制性工程之一[1]。我国尾矿库数量多、规模小、安全度水平低，许多中小尾矿库未经过正规设计[2]。据统计资料，我国在已经确定安全度的1 035座尾矿库中，正常库共643座，占总数的62.1%；非正常库共392座，占总数的37.9%，其中危库61座，占总数的5.9%；险库共69座，占总数的6.7%；病库共262座，占总数的25.3%[3]。大量资料表明，自建国以来，我国发生较严重的尾矿库灾害事故有11例，累计造成654人死亡(含失踪)，经济损失严重[4]。我国安监局对2001年以来尾矿库事故发生的原因情况统计得出：洪水漫顶引起的事故占事故总数的23%，为尾矿库发生破坏的主要诱因。随着矿山的快速发展，许多已有尾矿库都面临加高扩容的情况。因此，研究尾矿库加高扩容及库区浸润线升高对其稳定性的影响具有十分重要的现实意义。

极限平衡法和数值分析法是尾矿库稳定性分析的主要方法。极限平衡法[5]是目前最经典的确定性分析方法，1916年由彼德森提出。极限平衡分析方法具有分析模型简单、计算公式简单、可以解决各种复杂剖面形状和考虑各种加载形式等优点，在工程中获得广泛应用[6-7]。尾矿库的浸润线有尾矿库的生命线之称[8]，我国尾矿库设计规范中规定：在作坝体抗滑稳定分析时，浸润线须按正常运行和洪水运行2种工况分别给出。许多学者研究了浸润线位置对尾矿库稳定性的影响[9-11]。

为研究綦江尾矿库加高扩容的可行性，利用瑞典条分法分别计算现有尾矿库在正常水位和洪水位下的安全系数，以及加高扩容之后尾矿库在正常水位和洪水位下的安全系数，为尾矿库安全运行管理提供参考依据，具有重要的工程意义。

1 工程概况

綦江铁矿原尾矿库工程始建于20世纪70年代初，尾矿库周围有重要的交通设施和居民聚集居住区，一旦发生事故影响重大。为满足现阶段尾矿库存放尾矿的条件和根据业主的要求，需要对尾矿库进行加固、加高扩容。扩容后延长尾矿库的服务年限15～20 a，最终堆积标高达555 m，届时总坝高达118 m。根据《ZBJ1—90 选矿厂尾矿设施设计规范》，綦江尾矿库为三等库。

2 尾矿库浸润线位置

綦江铁矿尾矿库位于陡峭狭长的沟谷内，地形蜿蜒曲折，对堆积坝坡稳定有利。稳定计算剖面经过分析比较，最终选定相对最不利于稳定的Ⅰ-Ⅰ剖面进行分析(如图1)。

图1 稳定分析断面平面

根据《ZBJ1—90 选矿厂尾矿设施设计规范》，坝体上游最高水位位置可依据上游式尾矿坝最小安全超高与最小滩长的规定确定，下游自由溢出点位置根据现场观测确定，经观测尾矿库下游自由溢出点位于初期堆石坝坝脚部位。由于尾矿场内部地形起伏、沟谷曲折，在确定现状剖面的浸润线时，考虑到渗流水流的主流还是沿主河沟方向流动，所以渗流计算断面选取通过初期坝而沿主河沟的断面，根据地质剖面图绘出现状条件相应确定坡面的浸润线。现有尾矿库和其加高扩容后在正常水位和洪水位状态下的浸润线位置分别如图2、图3所示。

图2 现有尾矿库浸润线示意

图3 尾矿库加高扩容后浸润线示意

3 极限平衡分析

3.1 计算荷载及安全系数取值

根据《选矿厂尾矿设施设计规范》确定不同运行状态下尾矿库极限平衡所采用的荷载。本文选用最不利状态荷载组合进行尾矿库极限平衡计算。根据相关规范规定，三级尾矿库正常水位和洪水位状态下最小安全系数分别为1.20和1.10。

3.2 物理力学计算参数

根据室内试验及綦江尾矿库地勘资料，綦江尾矿库坝体稳定分析时所采用的物理力学参数见表1。

3.3 计算结果分析

3.3.1 现有尾矿库安全系数

现有尾矿库在正常水位及洪水位状态下计算结果图4所示。可以看出，滑动面呈圆弧形，正常水位状态下现有尾矿库滑动面分布较浅，位于浸润线上方，滑动体体积较小；洪水位状态下，滑动面位置显著加深，位于浸润线位置下方，且滑体体积及半径较洪水位状态有显著增大。同时可以看出，2种水位状态下现有尾矿库的滑动面位于初期坝和一期子坝的交接位置，从堆石体坝体剪出破坏。这主要是由于现有堆积体对尾矿库的初期坝有较大的水平推力，且初期坝为堆石坝，堆填料处于松散状态，受堆积体水平推力初期坝发生剪切破坏。正常水位状态下现有尾矿库安全系数为1.90，滑体半径为32 m；洪水位状态下现有尾矿库安全系数为1.63，滑体半径为57 m。洪水位状态下安全系数较正常水位状态降低14.21%，滑体半径增大78.13%。由此可见浸润线升高使得尾矿库安全系数显著降低，且滑体半径显著增大。现有尾矿库正常水位及洪水位状态下安全系数均大于规范允许值，现有尾矿库处于稳定状态，且具有加高扩容的空间，但应注意浸润线位置对尾矿库稳定性的影响，同时加强堆石坝的加固措施，避免堆石坝处发生剪切破坏。

表1 材料物理力学参数

图4 现有尾矿库的计算结果

3.3.2 尾矿库加高扩容后安全系数

尾矿库扩容后正常水位及洪水位状态下计算结果如图5所示。从中可以看出，滑动面呈圆弧形，尾矿库加高扩容后滑动面位于上部堆积体内，这主要是由于随着堆积体高度升高，堆积体浸润线也提高，浸润线逸出导致初期坝坡渗流、管涌，致使坡面饱和松散，直到堆积体塌滑。

图5 尾矿库加高扩容后的计算结果

此外，正常水位状态下尾矿库安全系数为1.27，滑体半径92 m；洪水位状态下安全系数1.17，滑体半径92 m。洪水位状态下，尾矿库安全系数较正常水位降低7.87%，浸润线升高时尾矿库安全系数有所降低。尾矿库加高扩容后，较现有尾矿库在2种水位下安全系数分别降低33.16%与28.22%，滑体半径分别增大187.5%与61.4%。通过以上分析可知，尾矿库加高扩容后，尾矿库的滑动面位置加深，滑体半径增大；浸润线位置的提高使得尾矿库安全系数降低，但浸润线位置的改变并不对滑动面产生影响。尾矿库扩容后安全系数均大于规范规定的1.1，尾矿库在最终堆积状态下也是安全的，这虽然说明尾矿库进行加高扩容延长服务时间是可行的，但是其安全系数较低，几乎没有安全储备，这种情况下应加强安全监测管理，规范运行，防止事故的发生。

4 结 论

(1)现有尾矿库在正常水位和洪水位状态下安全系数分别为1.90与1.63，浸润线提高使得安全系数显著降低。现有尾矿库安全系数大于规范规定的最小安全系数，尾矿库处于安全状态，具备加高扩容的空间。

(2)尾矿库加高扩容后在正常水位和洪水位状态下安全系数分别为1.27与1.17，尾矿库加高扩容使得安全系数显著降低。滑裂面位于上部堆积体，且滑体深度及滑体半径较现有尾矿库显著增大。

(3)尾矿库加高扩容和浸润线位置提高均会对尾矿库安全系数造成不利影响，现有尾矿库安全系数大于规范允许值，具有加高扩容的空间。尾矿库加高扩容后安全系数仍大于规范规定的最小安全系数，但安全系数较低，几乎没有安全储备。尾矿库加高扩容后，应控制尾矿库浸润线位置高度，同时加强安全监测管理，规范运行，防止尾矿库发生垮塌事故。

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(责任编辑 徐志宏)

Research on Stability of Tailing Pond in Qijiang Iron Mine After Storage capacity Enlarging

Lu Zhitao1,2Jin Xiaoguang1,2Li Yayong1,2Wang Hongke1,2

(1.CollegeofCivilEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing，400045，China;2.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaoftheMinistryofEducation，ChongqingUniversity,Chongqing400030，China)

Qijiang Iron Mine's tailing pond is selected as an object to study the effect of capacity dilatation and saturation line increase on the stability of tailing pond.Safety factors of the orginal tailing pond and the tailing pond after enlarging capcacity under normal water level and flood level are calculated by using Sweden slicing method.As a result，the safety factor of the present tailing pond under normal water level and flood level are 1.90 and 1.63 respectively，which are all greater than 1.1 that is the minimum safety factor stipulated by the corresponding specifications.The safety factor under flood level decreases by 14.21%，compared to that under normal water level.Safety factor of tailing pond after enlarging capacity under two water levels are 1.27 and 1.17，so the enlarging results in the lower safety factor.It can be seen that the safety factor of tailing pond decreases with the increase of storage capacity and saturation line；however，the volume and radius of the sliding body increase largely.Although the safety factor of the tailing pond after enlarging capacity is still greater than the minimum safety factor，it has little emergency capacity.Thus，it is suggested that the saturation line of the tailing should be controlled after enlarging capacity，and the protective measures and monitoring management should be enhanced to avoid the happen of accidents after enlarging the capacity of tailing pond.

Tailing pond，Saturation line，Sweden slice method，Safety factor

2014-11-26

重庆市应用开发项目(编号:CSTC2013YYKFA30003)。

吕志涛(1990—)，男，硕士研究生。

TD21

A

1001-1250(2015)-03-183-04