降雨条件下尾砂干式堆存稳定性研究——以陕西凤县三里河尾矿库为例

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(西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054)

尾砂干式堆存技术初现于1960年前后，由于技术不成熟等原因发展较为缓慢，直至2000年前后，其经济节能的优点才逐渐被重视，进而被各大企业应用。“干式堆存”指尾矿砂经脱水至不可泵送的湿度下，产生的高浓度膏体尾砂，堆存于地表，通过后期压实形成致密稳固的尾砂堆。这种方法投资少、维护简单、提高土地利用率，综合成本低[1]。

如今尾砂干式堆存筑坝工艺已逐渐成熟，实践经验日益丰富，因此对干式堆存的尾矿坝在强降雨条件下形成地表径流入渗使坝体稳定性降低的研究具有一定的实际意义。

本文参照传统筑坝工艺工况，考虑降雨对干式堆存尾矿库的影响，将干式堆存尾矿库运行工况分为正常运行、降雨运行和特殊运行。本文只对正常运行和降雨运行两种工况进行稳定分析。

1 数学耦合模型确定

尾砂是一种多相多孔介质，干式堆存尾砂降雨下属非饱和状态，传统达西渗流定律不再适用，对此，通过多孔介质多相渗流理论，引出适用于尾砂的渗流耦合数学方程[2][3]

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式中：c为存储系数；n为孔隙率；kF水的体积模量；J是孔隙压力P的函数，其计算方程为[4]

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s=1，(p≥0)

式中：s为最小残余饱和率；α为参数。

渗流场中流速满足达西定律：

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考虑非饱和时渗透系数随孔隙水压的变化，其计算方程为：

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式中：kij为完全饱和时渗透系数。

计算过程中定解条件可以为固定水头或恒定水流及降雨量。已知水位观测孔的水位可作为定流量边界[5]。结合应力场的力与位移边界条件，可用离散渗流与应力的耦合方程。

2 稳定分析方法

干式堆存尾矿库在坝体填筑时尾砂含水率约为10%～20%，尾砂处于饱和状态，随着尾砂固结，孔隙水逐渐排除，尾砂由饱和状态变成非饱和状态。现有大多数实际工程中对干式堆存尾矿库进行稳定计算时将坝坡看做干坡进行计算，计算结果偏于不安全，因此，本文将尾矿砂作为非饱和状态介质考虑。采用简化毕肖普法进行分析，降雨作用下，水力浸入引起土条的容重增加，计算使用土的湿容重，计算过程中需要对土条进行分层处理，使每层土的容重为一固定值，依据每一个土条的重量来进行计算，从而分析坡体稳定性。

3 工程分析

二里河铅锌矿三里河尾矿库位于陕西省凤县，库区位于秦岭腹地。年降水量超过600 mm。周边区域无大的活动断裂带，未发现不良地质灾害作用。由于尾矿库所在沟道下游有矿山生产设施，为保证安全最终选择干式堆存筑坝。 依据尾矿坝设计资料，采用有限元数值软件Geostudio对该尾矿坝坝坡稳定性进行数值模拟，共划分单元17 546单元，筑坝材料参数见表1, 渗透系数取值见图1。

表1 筑坝材料及参数

图1 尾砂和堆石渗透系数曲线

3.1 坡面渗流分析

根据《宝鸡地区水文手册》，降雨入渗强度取值为当地最大24 h均值雨量，强度为60 mm/h。每两小时进行一次瞬态渗流分析，列出成果见图2、图3。分析如下：

(1)初始状态下，未进行降雨时尾矿库内尾砂及坝体含水量较小，有较大的基质吸力，有较大的负孔隙水压力，未见明显浸润线。

(2)开始降雨后，分析可见上部尾砂尾砂含水量逐渐增大，下部尾砂趋于饱和，初期坝坝体底部出现明显的浸润线，分析初期坝底部滤水系统水压力变大，水流流速随之增大，这一趋势随着降雨时间的增加而愈加明显。

(3)一段时间后，随着降雨的持续，库区内尾矿砂含水量逐步达到饱和状态，坝体浸润线持续提高直至淹没整个库区。

图2 初始状态坝体孔隙水压力云图

3.2 坝坡稳定性分析

将渗流分析结果与稳定性计算耦合，即可分析得出最危险滑动面和最小安全系数。随降雨时间变化曲线见图4。分析可知：

(1)初始状态下，干堆尾矿坝安全系数为1.512，稳定性较好，在进行降雨计算的初期，尾矿砂的含水量增大，一定程度上提高了部分粘聚力，坝体安全系数最大提高至1.519，短期的降雨对整个坝体的稳定性起到积极作用。

(2)随着降雨作用持续进行，尾砂含水量的增加，坝体安全系数增大至一定水平后开始减小，主要是因为水力的浸入导致尾矿砂之间粘聚力下降，库内尾矿砂自重增大。

(3)降雨一段时间后，尾矿库内尾矿将进入饱和状态，坝体浸润线不断抬高，坝体稳定性进一步降低，安全系数发生骤减。

图3 降雨24h后坝体孔隙水压力云图

图4 安全系数随降雨时间变化的关系曲线

4 结语

本文依据具体的工程实例，对干式堆存尾矿库的渗流稳定性进行了分析，通过控制降雨进行研究，结果表明：降雨作用导致的尾矿含水量、容重的变化会直接引起尾矿砂孔隙水压力、粘聚力之间的变化，进而对尾矿库的稳定性造成影响，少量降雨对尾矿的稳定性起积极作用，降雨量超过一定限度后尾矿坝的安全系数将会迅速降低。

由此可见，对于干式堆存尾矿库，进行稳定性分析时应考虑降雨入渗的影响，防止由于降雨入渗引起坝体浸润线的升高而出现大面积的失稳。