矿山尾砂坝体的变形监测与稳定性研究

孙业伟

摘要：从尾矿坝安全稳定出发，并针对其给下游人民的生活带来的威胁，通过对尾矿坝的浸润线、位移、干滩面长度、等物理量的监测并采取有效的预警措施，达到安全监测、安全预警的目的。

关键词：变形监测；稳定性；尾砂坝体

一、前言

尾矿坝是一种高潜力的人工泥石流源，用于金属或非金属矿山尾矿的存放。倘若发生变动便会引起滑坡泥石流等特大灾难，并且将对库区下游百姓的性命及资产安全产生极大损失，并对库区周围的环境形成大面积的污染。同时尾矿坝事故造成的危害又是世界各种事故灾害中最严重的危害之一，它在世界93种事故、公害中排名14位，非常靠前。根据初步估算，中国现存的尾矿库有1万多座，其中险库、危库、病库占总数的39%，在其所占的比例及其高。因此，尾矿坝致使很多的人员伤亡及严重财产损失的状况不足为奇。所以要加强尾矿坝的安全监测、安全预警至关重要，尤其是极易产生灾害的部位应当加大监测及管理强度。

二、尾矿坝的灾害及监测

尾矿坝的初始位置通常选择上游、河谷坝，通常来说，施工简易，稳定安全。但是一旦发生事故对下游居民威胁较大，往往尾矿坝又会伴随泥石流、滑坡等，逃生时间较短，产生灾害巨大。但尾矿坝发生最后破坏前有一些明显的前期表现，也就是所谓的病灾。及时对坝体病害进行监测，为坝体施工、稳定性分析、加固措施等提供依据及数据资料。

坝体的主要灾害有：（1） 坝体的失稳施工不当或安全性较低，但主要是在外界不稳定因素刺激下使得整个坝体滑动，库内泥石沖向下游。（2）早期施工的堤坝渗漏或排水不好，应立刻采取措施。（3） 雨水或矿浆回流造成坝面溃决主要是坝体内浸润线升高，使得坝体稳定性降低。 （4）库内滑坡喀斯特等坝址问题地基不能抵抗尾矿库对坝体的作用力，使地基剪切破坏，坝体整体开始向外移动。（5）坝坡、坝基、坝局部等渗水、管涌、流沙、坝体沼泽化可能是排水系统不顺畅或施工不合理等引起的。

三、尾矿坝的监测及预警

由于尾矿坝发生的灾害繁杂多变，目前对尾矿坝采用安全监测主要用以下监测实现：库内水位监测、浸润线监测、位移监测、干滩长度监测、应力应变监测、环境量监测等。

1、位移监测。坝体的水平位移及竖直位移是监测坝体位移的主要问题。水平位移的监测主要是采用经纬仪、全站仪测量，并在坝体上设置观测点在两侧选择两个基点，但监测点及位置的选择应当恰当，特别是基于钢筋混凝土结构的基础上。同时可以采取全球定位系统进行监测，在观察点安装一个消息发射装置，在办公地方装有信息接受并配合信息分析系统，起到对大坝的水平位移，垂直位移监测作用。

2、应力应变监测。在坝体内架设应力应变器，其目的是对大坝的土压力及水压力进行测量，和内部土壤蠕变监测。

在测斜管的安装及应力应变测量装置的测绘中，测斜管的倾斜，对坝体的内部应力监测及监测的坝体饱和线采取了测量。

3、库内水位监测。使用水位计对库内水位进行监测，把水位计与测量装置连接，剖析库内水位的情况。

四、坝体稳定性分析

1、渗流稳定性。渗流理论经过了有限差分法数值模拟、非饱和渗流的Richards方程、非稳定渗流有限元计算法的发展与引入有限元分析法，逐步形成了适合尾矿坝渗流稳定分析的理论基础。

在采取渗流稳定性剖析过程中，浸润线的位置是影响渗流稳定相当主要的部位，倘若浸润线溢出尾矿坝面或有浸润线处在临界状态，就能够确定此尾矿库处于非稳定状态；通常浸润线的安全部位主要根据尾矿库设计文件确定，倘若设计高度高于浸润线位置，以此可以确定该库渗流处于稳固状态。目前对于尾矿坝渗流稳定性钻研的方式，除了工程实际勘测外，渗流分析手段其中还包括理论求解、半工业试验以及数值分析三种形式。

对于前两者分析方法的比较，数值分析方法的理论基础是完整、高精度、低成本等特点自20世纪六七十年代在国内就得到较为广泛的应用。常用的数值分析方法有：差分法、有限元法和边界元法等。差分法采用一系列差分公式求解微分方程的估算方法，具有代表性的就是有限差分法。有限元法，是以物质能量作为基础，把渗流问题转化为变分问题，再经过离散化从而得到计算解。由于有限元方法简单、灵活，在边界条件下不能进行特殊的处理，可以随意改变单元的形状。伴着数值分析方法的日新月异，渗流分析软件慢慢得到普及，目前比较通用的渗流数值计算软件有：Geo-Studio、FLOW-2D、ANSYS-APDL等。

2、坝体静力稳定分析。当尾矿坝处在非地震时期或是无猛烈震动时，则可以认定尾矿坝处在静力形态，在包含水土体的边坡稳定性剖析时与尾矿坝体静力稳定剖析相近，所以尾矿坝静力稳定分析论证的基础同样是极限平衡理论。

工程设计与评价中时常采用极限平衡法（条分法）对粘性土边坡稳定性分析。方法基本原理：将滑动土垂直分为几种土，作为刚性体的土，分别为在土体中的作用和抗滑力矩的中心，并要求边坡稳定安全系数。

对土条进行方程求解过程时采用条分法，该方程为未知数多于方程组的超静定方程，因此须要对超静定方程进行假设已知状况。按照假定已知条件的区分，极限平衡方法可以分为简化Bishop法、瑞典法、Janbu法以及不平衡推力的各种方式。以我国边坡计划与稳定性评估为参照标准。

当前，有很多数值分析方式被应用于尾矿坝的静力稳定分析，不仅包括一般的有限元法（FEM），离散单元法（DEM）和粒子流分析（PFC），非连续变形分析（DDA），边界元法（BEM），无界元（同上），遗传算法和人工神经网络评价方法也包含在里面，其代表性应用程序主要有ANSYS、北京理正、PFC以及FLAC（FLAC-2D、FLAC-3D）等。

3、坝体动力稳定分析。尾矿坝静力稳定分析与动力稳定性分析不同，需注意的是饱和砂土在振动条件下的液化、孔隙水压力的变化、不规则波的影响以及岩石和土壤的动态参数。长此以来，成功地采取天然沉积砂尾矿置换的动力学，提出了在尾矿中的有效应用非线性动力学模型和弹性塑料模型。在不断地钻研与探索动荷载作用下孔隙水压的发展及饱和砂土液化对尾矿坝抗震影响机理中，逐渐累计了尾矿坝体动力稳定分析的岩土体研究基础。

参考文献：

[1]潘东； 尾矿坝稳定性的研究现状与发展 - 《安全与健康》- 2012-04-15

[2]谢孔金；李亮亮；王启耀；戴文彬；卢士涛； 尾矿坝稳定性监测及预警措施研究-《2012年2月建筑科技与管理学术交流会论文集》- 2012-02-27

[3]何金保（导师：盛建龙）锡冶山尾矿坝渗流场模拟分析-《武汉科技大学硕士论文》- 2008-05-30

[4]朱君星；李彩丽；不确定型层次分析法在尾矿库安全评价中的应用 - 《金属矿山》- 2010-08-15