冶金矿山尾矿库坝体稳定性影响因素分析

李文海

（中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁 沈阳 110169）

1 尾矿库分类及事故原因统计分析

1.1 尾矿库分类

目前，根据尾矿库地形不同将其分为3 类：（1）山谷型尾矿库。山谷型尾矿库充分借助山区（丘陵）地形，在下游处筑坝，形成拦截式库区。山谷型尾矿库具有筑坝工期短、成本低、容量大、管理方便等优点，是较为理想的库型，也是目前我国应用最多的库型［1］。（2）傍山型尾矿库。傍山型尾矿库在丘陵及湖湾地区存在较多，其利用山坡洼地，依山两面或三面筑坝，形成围截式尾矿库。该型尾矿库具有筑坝长度大、坝体高度小、库容小、防洪控制差等缺点，在我国南方地区较为常见。（3）平地型尾矿库。由于受地形限制，平地型尾矿库集中在平原地区，只能建在平底或凹坑处，人为在四面筑坝，工程量大、管理困难，且随着尾矿越来越多，库区面积、调洪能力等均减弱。平地型尾矿库占地面积大，但坝体高度低，一般不会发生事故［2］。

1.2 尾矿库事故原因统计分析

通过统计和分析全球范围内近百起尾矿库事故，制作了柱状图（见图1）。

图1 尾矿库事故原因柱状图

由图1 可知：（1） 坝体失稳占尾矿库总事故比例的34%，是最常见的事故原因；（2）边坡失稳占尾矿库总事故比例的18%，一般情况下边坡失稳会最终造成库坝裂缝，渗漏加剧，所以也是坝体失稳的重要原因［3］。

2 尾矿坝稳定性影响因素分析

2.1 瑞典圆弧条分法原理

为分析尾矿坝力学稳定性，在此采用“瑞典圆弧分条法”分析。为简化计算，假设滑动条体均为刚体，通过分析条块受力平衡来求解坝体抗滑稳定性安全系数。在此取其中任一条块，从X、Y 两个方向分析其力矩平衡方程，其抗滑稳定性安全系数F 的计算表达式见式（1）［4］。

式中：φ—第i 条块内摩擦角，°；β—第i 条块坡角，°；ci—第i 条块粘聚力，kN；li—第i 条块粘聚力力矩，m；Wi—第i 条块重量，kN；

通过分析计算公式可知：坝体抗滑安全稳定性系数F 主要和坝体筑坝材料、角度等因素有关，因此从这些参数分析可指导筑坝施工，提高坝体抗滑稳定性。

2.2 尾矿坝稳定性影响因素分析

2.2.1 尾矿渣物理力学特征对坝体稳定性影响分析

尾矿渣不同于水体，其一般以浆液或固体形式堆积在库区，其对坝体的冲击挤压力是影响坝体安全稳定性的重要因素，而尾矿渣堆积层的抗剪强度τ 则直接决定了其冲击挤压力大小，其计算公式见（2）。

式中：σ—作用在尾矿滑动面上的正应力，kN；φ—尾矿堆积层内摩擦角；°。c—尾矿堆积层粘结力，kN。

由式（2）可知：内摩擦角φ 与抗剪强度τ 呈正比关系，进而可知也和安全稳定性系数F 呈正比关系。由此对摩擦角φ 与F 值的敏感性关系进行线性回归，得出式（3）。一般情况下，内摩擦角角φ 每增加1°，安全稳定性系数F 增加5%～10%。

此外，尾矿堆积层粘结力c 也与F 紧密相关，c 值越大，F 值也越大。对c 和F 值的敏感性关系进行线性回归分析，得到公式（4）。一般情况下：粘结力c 每增加5 kPa，F 平均增加0.05，影响程度较小。

式中：F0—稳定尾矿堆积层安全系数；β—尾矿堆积层坡角，°。

2.2.2 渗流浸润线对坝体稳定性影响分析

尾矿坝体浸润线位置是一个动态变化过程，浸润线是产生管涌、流沙的重要原因，对坝体安全稳定性系数F 有直接影响，表1 是经过统计大量数据得出的结果。由数据可知：（1）浸润线降低值越大，尾矿坝安全稳定性系数F 的值越大；（2）随着水位的增加，尾矿坝安全稳定性系数在逐渐下降。综合分析，浸润线高度每相差1 m 水位，尾矿坝安全稳定性系数F 就相差0.02～0.05，变化率在1.2%～2.5%。

表1 浸润线位置对尾矿坝稳定性影响分析

3 结 语

通过分析可知：尾矿渣堆积层的内摩擦角φ 和尾矿坝体浸润线是影响坝体安全稳定性的主要参数，因此在筑坝施工、矿渣排放、日常巡查中要特别注意检测这些参数的变化，科学管理，将危险因素全部排除。