多种工况下尾矿坝稳定性分析

张海满，袁 颖，李绍康

（河北地质大学勘查技术与工程学院，河北石家庄 050031）

多种工况下尾矿坝稳定性分析

张海满，袁 颖，李绍康

（河北地质大学勘查技术与工程学院，河北石家庄 050031）

尾矿坝的稳定性是评价一座尾矿库安全的重要指标，然而尾矿坝的坝高、坡比以及尾矿渣的不同状态是影响尾矿坝稳定性的重要影响因素。在分析尾矿坝稳定性影响因素的基础上，通过FLAC3D软件内嵌的强度折减法计算分析了同种条件下某尾矿坝的坝高、坡比对尾矿坝稳定性的影响，计算并对比了尾矿渣在自然和饱水状态下尾矿坝的安全系数。结果表明：在相同坝高下，坡比对稳定性影响较大，而在相同坡比下，坝高对稳定性影响相对较小；饱水状态下的尾矿渣更容易使尾矿坝体发生破坏。

尾矿坝；稳定性；影响因素；强度折减法

0 引言

尾矿库是指用来储存在矿山开采过程中经过筛选出有用的矿石而剩下的废弃矿石－矿渣的储存场所。我国是矿产资源需求大国，并有着丰富的矿产资源，随着矿山企业的急剧增加，尾矿库的数量也是越来越多。据相关统计，我国现有尾矿库12万余座，其中正常库仅有不足7745座，由此可见，我国尾矿库安全形势不容乐观［1］。所以对尾矿库稳定性的研究有着重要意义。

尾矿坝的稳定性是评价一座尾矿库安全的重要指标。目前尾矿库的稳定性分析方法仍沿用土力学的传统分析方法，以极限平衡法为主。极限平衡法是依据刚体极限平衡理论所发展的一种最早也是最常用的计算方法，由于其理论简单，所需参数少，所以得到了普遍应用。但这种方法往往需要引入一些假设：如需给定滑裂面的形状和位置，不考虑滑体的应力－应变关系等。随着计算机功能的日益强大，强度折减法逐渐成为了岩土工程数值模拟的热点。它的优点是不用事先假定破坏面的形状和位置，通过不断的对岩土体强度指标c、ϕ进行折减直至达到临界破坏，从而求得安全系数。目前强度折减法在边坡和土石坝的稳定性分析方面应用较多［2－4］。本文利用FLAC3D软件内嵌的强度折减法，选取典型的工程实例，探究坡比和坝高对尾矿坝稳定性的影响，并对比尾矿渣在饱水和自然状态下尾矿坝的稳定性状况。计算尾矿坝体安全系数，对整个尾矿库进行安全评价。

1 尾矿坝稳定性影响因素

1.1 坝体材料对稳定性的影响

材料固有的物理力学性质是影响坝体稳定性的重要因素［5］，其物理力学性质（包括c、ϕ值，渗透性等）不同，尾矿坝抗滑稳定性也不同。例如初期坝采用粘土坝和碎石坝会对尾矿库稳定性有重要影响［6］。黄英华等［7］对尾砂及堆坝材料的c、ϕ值对坝体稳定性的影响进行了研究，得出c、ϕ值越大，坝体越稳定，且c、ϕ之间具有一定的相关性，ϕ值的影响大于c值。

1.2 坝坡比对稳定性的影响

坡比的大小对尾矿坝的稳定性及受力形态有显著影响。孙国文等［8］探讨了细粒尾矿坝安全稳定性影响因素并通过试验得出：堆积坝坡度每增大10°，其坝体承载能力至少减至原来的1／5～1／6，表明堆积坝的坡度对尾矿坝的稳定性影响较大。坡比的大小对坝体材料掉落的位移距离也有着较敏感的影响［9］。

1.3 坝高对稳定性的影响

随着尾矿排放量的增大，现今尾矿库堆筑越来越高。随着坝顶高度的增高，尾矿坝抗滑稳定性随之降低，但降低趋势较缓慢，降幅很小［10］。宋传旺［11］用FLAC软件模拟堆积坝高度对尾矿坝稳定性的影响，得出尾矿坝的安全系数随堆积坝高度升高而降低。

1.4 其他因素

影响尾矿坝稳定性的因素有很多，例如浸润线位置的高低也是影响坝体稳定性的重要因素之一［12－13］。浸润线较高使得库区干滩长度变短，坝体的孔隙水压力上升，尾矿难以固结，降低了坝体的抗滑稳定性。另外地震、降雨以及坝基地质工程条件等外在因素对坝体稳定性也有影响，尾矿库事故的发生也往往是多种因素共同作用的结果。

2 工程实例

2.1 工程概况

河北省某尾矿库位于一条呈“V”字形的山间沟谷中，属于山谷类型尾矿库，采用上游法筑坝。尾矿库所在矿区属于低山丘陵区，地形有些沟谷，地表出露基岩为强风化砂页岩，库区地表无常年性积水，周围由山前逐渐过渡到平原地区，库区下游有小型村庄。

该尾矿库现总坝高约为48m，堆积坝平均外坡比约为1∶3，初期坝为粉质粘土坝，坝高28.3m，坝顶宽约4.0m，内外坝坡比均为1∶3，总坝长506 m，正常运行下的干滩长度在300m左右，最小干滩长度在290m左右，在汛期干滩长度会有所减小。在初期坝坝趾处位置设有排渗棱体，排渗棱体为碎石组成。根据尾矿库的等级划分，该尾矿库级别为三等。尾矿库纵断面示意图，如图1所示。

图1 尾矿库纵断面示意图Fig．1 The sketch map of vertical section of tailing pond

2.2 计算工况

为了分析不同状态下的尾矿坝的稳定性以及坝高、坡比对尾矿坝稳定性的影响，本文共取4种工况进行计算。工况一为干燥状态下尾矿渣的稳定性分析；工况二为在现状坝坡比下，加高20m，以研究坝高对尾矿坝稳定性的影响；工况三为在坝高相同情况下，改变堆积坝坝坡比为1∶2，以研究坝坡对稳定性的影响；工况四为尾矿渣在饱水状态下，以研究不同状态的尾矿渣对尾矿坝稳定性的影响。

本次计算采用FLAC3D软件建立模型并计算，模型选取该尾矿库的主断面，在垂直断面方向（y方向）取单位厚度，其网格模型如图2所示。本次建模主要采用brick和wedge网格模型，共756个单元，1634个节点。在进行网格剖分时，要考虑到尾矿库不同地段库体的变化，基于在不同单元接触处以及形状变化剧烈地段以及可能最危险滑动面，进行较密划分（增加size数），平稳过渡的原则。网格建立时，按材料将模型分为4个组，分别为基岩、堆石体、粘土坝和尾粉砂，以利于赋予材料参数。

根据尾矿坝材料的物理力学性质，可将其视为连续的弹塑性介质，计算本构模型采用Mohr⁃Column模型，尾矿库相应的材料参数如表1所列。

图2 力学模型Fig．2 Mechanical model

表1 物理力学参数Tab．1 Physic⁃mechanical parameters

3 计算结果及分析

图3和图4为各种工况下强度折减后x方向计算应力云图和位移云图。

图3 各种工况下的应力云图σxxFig．3 Contour stress of σxxin different conditions

利用FLAC3D软件求解安全系数时主要是依据数值计算不收敛作为判据，几种工况下计算均收敛。从应力云图和位移云图可以看出，在自然状态下σxx整体受力较均匀，在初期坝内坝坡与基岩交汇处出现小部分应力集中，导致原因可能是地形起伏变化较大，此处网格划分较密造成。从图4（a）可知位移最大值发生在初期坝排水棱体处，整个尾矿坝的潜在滑移面从初期坝底部排水棱体处至堆积坝顶部，滑动面呈圆弧形。在加高20m后，其受力形态与工况一基本相同，局部位置，特别是与基岩交界位置处出现张拉和剪切破坏区，总体来看，破坏区域较微小，并且没有形成贯通（图3（b））。由图3和图4中c图可以看出，在坝坡比改为1∶2后，σxx没有发生太大变化，除上述初期坝外坝坡坡脚处，其他位置没有出现应力集中现象。滑动面形态发生变化，位移由初期坝向堆积坝转移，主要破坏面由堆积坝坡底到坡顶形成的圆弧区域，由于坡度变陡，形成的滑移面较浅。图4（d）是尾矿渣在饱水状态时的位移状况，尾矿库各部分参数值选取为饱水时的参数，可以看出坝体整体位移量增大，尤其在初期粘土坝表现明显，由于在饱水状态下其粘聚力和内摩擦角的减小使得抗剪强度降低，导致位移增长较大。

表2为采用FALC3 D内置的强度折减法计算得到的不同工况下的安全系数值。

图4 各种工况下的位移云图Fig．4 Nephogram of displacement in different conditions

表2 不同工况安全系数Tab．2 Safe factors in different conditions

从安全系数来看，尾矿库加高和减小坡比都会降低尾矿坝的稳定性，但坝高影响较微弱，而坡比更为敏感。与自然状态相比，在饱水状态下，由于矿渣在饱水后容重增加，内摩擦角和粘聚力有所降低，所以坝体整体稳定性变差。根据《尾矿库安全技术规程（AQ2006—2005）》可知，正常运行下三等尾矿库按瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定的安全系数不得小于1.20，洪水情况下不小于1.1。因此，表2的计算结果表明，该尾矿库在不同工况下均处于安全状态。

4 结论

采用FLAC3D软件内嵌的强度折减法对不同工况下的尾矿坝稳定性进行多种模拟，结果表明：

（1）在自然状态和饱水状态下该尾矿库都较为安全，潜在位移主要由初期坝承受，尤其在排水棱体处存在较大位移量，建议在排水棱体处做加固处理。

（2）加高坝高和减小坝坡比都会降低尾矿坝的稳定性，但坝高影响较小，而坝坡比更为敏感。

（3）在自然和饱水状态下计算所得安全系数分别为1.68和1.44，安全系数下降14%，可见处于饱水状态的尾矿渣更容易发生坝体稳定性破坏。

［1］ 于广明，宋传旺，潘永战，等．尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势［J］．岩石力学与工程学报，2014，33（S1）：3238－3248．

［2］ 郑颖人，赵尚毅，孔位学，等．岩土工程极限分析有限元法［J］．岩土力学，2005，26（1）：163－168．

［3］ 连镇营，韩国城，孔宪京．强度折减有限元法开挖边坡的稳定性［J］．岩土工程学报，2001，23（4）：407－411．

［4］ 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等．用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］．岩土工程学报，2002，24（3）：343－346．

［5］ 尹光志，魏作安，许江．细料尾矿及其堆坝稳定性分析［M］．重庆：重庆大学出版社，2004．

［6］ 李强，张力霆，齐清兰，等．基于流固耦合理论某尾矿坝失稳特性及稳定性分析［J］．岩土力学，2012，（S2）：243－250．

［7］ 黄英华，徐必根，刘小林．尾矿坝抗滑稳定性及影响因素敏感度分析研究［J］．有色金属（矿山部分），2009，（4）：41－44．

［8］ 孙国文，余果，尹光志．影响细粒尾矿坝安全稳定性因素及对策［J］．矿业安全与环保，2006，（1）：63－65．

［9］ 袁颖，王帅伟，刘珊珊．落石落距的影响因素敏感性分析［J］．防灾科技学院学报，2015，17（4）：49－55．

［10］ 胡明鉴，陈守义，郭爱国，等．某上游法尾矿坝抗滑稳定性浅析［J］．岩土力学，2003，（S2）：254－258．

［11］ 宋传旺，曹善忠，于广明．子坝布置优化对尾矿坝稳定性影响分析［J］．青岛理工大学学报，2012，（5）：18－22．

［12］ 张力霆，周国斌，谷芳，等．库区水位急剧变化对尾矿库坝体稳定的影响［J］．金属矿山，2008，08：119－122．

［13］ 尹光志，魏作安，万玲．龙都尾矿库地下渗流场的数值模拟分析［J］．岩土力学，2003，（S2）：25－28．

Stability Analysis of Tailings Dam under Different Conditions

Zhang Haiman，Yuan Ying，Li Shaokang
（School of Prospecting Technology and Engineering，Hebei GEO University，Shijiazhuang050031，China）

The stability of tailings dam is an important indicator to evaluate the safety of a tailings pond．However，dam height and slope ratio of the tailing dam，and the different states of tail slag are important factors affecting the stability of tailing dam．On the basis of analyzing the factors influencing the stability of tailing dam，strength reduction method embedded through FLAC3D software is adopted to calculate and analyze the effects of the dam height and slope ratio on the stability of one tailings dam under the same condition，and moreover，safety factors of tail slag under natural and saturated condition are calculated and contrasted．As indicated by the result，slope ratio has greater influence on stability on condition of the same dam height，whereas the influence of dam height on stability is relatively small on condition of the same slope ratio．And tail slag in saturated state is more likely to cause damage to the tailing dam．

tailings dam；stability analysis；affecting factors；strength reduction method

TV649

：A

：1673－8047（2017）01－0042－05

2016－07－29

河北地质大学科技基金科研重点项目（KAG201602）．

张海满（1990—），男，硕士研究生，主要从事地质灾害防治方面研究学习。

袁颖（1976—），男，博士，教授，主要从事地质灾害防治设计、工程地质的教学和科研工作。