某尾矿库在线监测设防阀值确定方法

王旭刚

摘 要：尾矿坝作为矿山生产中重要设施，其稳定性至关紧要。文章从坝体渗流、坝体稳定出发，结合在线监测的技术特点，提出了坝体的分级预警及设防阀值指标，并以实例说明了阀值指标在线监测系统中的应用。设防预警阀值的应用，使在线监测系统能够直接反映出坝体的稳定性状态，使在线监测更自动化。

关键词：尾矿坝；在线监测；阀值；分级预警

目前我国在尾矿库的建设及管理方面越来越重视，投入了极大的精力和财力。近些年，尾矿的在线监测项目得到较大范围的推广，监测项目包括浸润线高度及坝体的位移，这2项指标的监测结果大部分只局限用于对比尾矿坝的运行状态变化上，并没有直接与坝体的稳定性直接接轨，体现到尾矿坝体的稳定性系数上来。本文通过某尾矿库的稳定性计算，结合在线监测设备的现场布置，提出坝体稳定性安全预警级别以及在线监测数据的设防预警阀值，使在线监测系统能够直接反映出坝体的稳定性系数，使在线监测更自动化。

1 尾矿坝体稳定性计算方法

1.1 尾矿坝渗流基本方程

1962年Biot在研究土的固结时，对固结渗流首先进行了研究，其包括描述地下水受外力在土体连通的孔隙通道中运动的运动方程和描述流体质量守恒的连续方程；水为牛顿流体因而达西定律是通用的，因此得到：

上式即为尾矿坝非定量地下水渗流基本方程，也即渗流力学单相不可压缩流体的渗流方程。

1.2 尾矿坝稳定性计算方法

极限平衡法理论体系中的一种规范推荐的计算方法，同时满足力与力矩的平衡条件，滑裂面为任意形状，不局限于圆形滑裂面，计算简图见图1。

将作用在微分条块上的力对条底中点取力矩平衡，考虑地震作用力时，坝体的安全系数为：

式中，Fs为安全系数；li为条块宽度；wi为计入渗透压力后的土条重量，计算时浸润线以上用天然容重，水位以下用浮容重，浸润线以下至下游水位间当计算剪切强度时用浮容重，计算剪切力时用饱和容重；Qi为作用在土条重心处的水平惯性力；Qi为作用在土条重心处的竖向惯性力；Mi为土条水平惯性力对滑动中心的力矩，Ci和φi为土的粘聚力和内摩擦角。

2 尾矿坝预警分级

根据尾矿库运行情况，结合《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB50547-2010），做出以下以预警分级：

正常运行：尾矿库正常运行，各干滩长度、安全超高等各荐指标均满足规范等相关规定的要求。

一级预警：一个效应量（即单项指标）如干滩长度、浸润线高度等发生异常。

二级预警：多个效应量（即多项指标）发现异常，坝体稳定性系数小于洪水期规范要求。

三级预警：多个效应量（即多项指标）发现异常，且其变化速率加大时或遇地震时。

3 实例分析

3.1 工程简介

尾矿坝总坝长为480m，总坝高为60.5m，已堆积尾矿量为4000000m3；坝顶宽度为3.5m，初期坝坝顶标高538m，初期坝坝高为14m，初期坝坝宽为4m，初期坝内外坡比为1：2。依据规范，此坝为三级坝。

3.2 尾矿坝稳定计算结果

对尾矿库分别进行渗流与稳定性计算，结果如下：

第一，当干滩长度小于规范要求时，满足一级预警，此时进行渗流及稳定性计算，得到浸润线及稳定性结果，如图2所示。

将上述计算结果与规范要求对比，虽然坝体稳定性系数大于规范要求，但干滩长度小于规范要求，此时应启动一级报警，观察监测指标（干滩长度）的变化趋势。

第二，当库水位达到或接近洪水位时，干滩长度和安全超高均小于规范要求，此时应启动二级预警，根据库洪水位进行计算，得到浸润线及稳定性结果，如图3所示。

将上述计算结果与规范要求对比，虽然坝体稳定性系数略大于规范要求，但由于坝体此时处于特殊运行状态，因此密切关注坝体位移的变化情况，确保监测设备的运行正常；加强对坝体的监测，加强巡逻，及时泄洪，且对坝体薄弱处应采取加固措施。

第三，除突出地震等外力因素外，当预警系统启动二级预警后，应该密切关注各监测指标的变化情况，当多项指标发现异常，且其变化速率加大时应启动三级预警，及时上报，应由政府出面，通知下游人民撤离，控制事故造成的损失。对于坝体在地震力作用下的稳定性，通过计算，得到浸润线及稳定性结果，如图4所示。

计算结果表明，在地震力作用下，坝体的稳定性处于临界状态，如果遇到大雨等其它不利因素时，坝体随时都有垮坝的危险。

3.3 浸润线各监测点阈值设定

根据尾矿坝各种工况下计算结果，结合在线监测系统的实际布置情况，得出以下浸润线的预警阀值：

4 结语

在线监测系统能够实时监测影响坝体稳定的各项关键指标，本文结合在线监测的技术特点，从坝体渗流、坝体静力稳定和坝体动力稳定出发，提出了坝体的分级预警及评价指标，并以实例说明了各项指标在线监测系统中的应用，总结主要有如下几个特点及有待改进之处：

第一，坝体稳定性计算方法简单明了，可以实现尾矿坝稳定性评价指标的唯一性，即每个尾矿坝都有各自的稳定性评价指标。

第二，同一坝体可以同时对不同剖面设立不同的稳定性评价指标，从而实现监测整个坝体的稳定性。

第三，坝体堆筑新子坝后可以快速有效的调整各剖面的监控指标。

第四，尾矿坝坝体稳定性计算采用极限平衡法，此法没有考虑内部的变形和破坏，同时假定滑面的安全系数为常数，忽略了变形和孔隙水压力的耦合作用，有待改进。

参考文献

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