基于GeoStudio灌木修复下尾矿坝稳定性分析

侯永莉，曹明杰，郝 喆,*，周素航

(1.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110013；2.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036)

0 引言

随着对矿产资源需求的日益增加，矿山开采逐渐过度，据统计我国每年尾矿产量超过6亿吨，堆存量已超过200亿吨，现存尾矿超过2万余座[1-4]。随着矿山生产的进行，尾矿容量随之增大，进而导致尾矿库稳定性极差，尾矿库一旦失稳发生滑坡将对矿区及周围居民造成极大损害，造成难以估量的损失[5-8]。因此尾矿库稳定性及其安全系数成为众多学者研究的课题，国内外众多学者对尾矿坝稳定性及根系固坡效果做了大量研究。李强等研究了基于流固耦合理论尾矿坝失稳特性及稳定性分析[9]；陈建宏等研究了基于 PCA-BP 神经网络的尾矿库坝体稳定性分析，并得出结论可以使用 PCA-BP 神经网络模型分析坝体稳定性[10]。董红娟等研究基于3DEC的尾矿坝边坡监测[11]。李嫣绮等基于强度折减法对尾矿坝稳定性数值进行模拟分析，发现分析结果与瑞典圆弧法计算结果一致[12]。张年龙使用GPS技术对尾矿库进行在线监测[13]。但鲜有学者研究植物生长年限对尾矿坝安全系数的影响，因此研究开展基于GeoStudio灌木修复下尾矿坝稳定性分析，从尾矿坝采集不同年限的修复植物及根系土，进行根土复合剪切实验，进一步建立尾矿库模型，开展GeoStudio模拟安全系数计算。本研究旨在为提高尾矿坝安全系数提供理论依据。

1 研究方法

1.1 采样点的确定

尾矿砂与修复灌木均采集自本溪歪头山尾矿库尾矿坝外坡，歪头山尾矿库共有6级台阶，修复灌木为沙棘，本次实验采样根据歪头山尾矿库生态修复的实际效果，确定对修复年限分别为1 a、4 a、10 a的台阶作为实验对象进行采样。

1.2 采样方式

修复植物沙棘需连根取出，并保证根部完整，沙棘取出后迅速将根部包裹以防水分蒸干[14]，所取沙棘为其所在台阶的平均大小，不能过大或过小。对应在所取沙棘处的根部取扰动土样，使用铝盒装好后编号带回实验室。沙棘与根际土每个采样点取3个重复，采集样品见图1。

1.3 实验参数的测定

取样现场进行灌水试验，测定土壤天然密度，利用环刀取原状样，测定含水率和孔隙比，用来计算土的天然重度。

进行根土复合剪切实验，测量加根后尾矿砂的内聚力(c)与内摩擦角(φ)，不同修复年限的尾矿砂加根量，根据对应沙棘的生物量确定，加根量分别设置为 2.0 g(1 a)、3.5 g(4 a)、7.6 g(10 a)，实验结果如表1所示。

表1 根土复合剪切实验结果

2 模拟计算结果及分析

2.1 分析方法

(1)尾矿库模型建立：对尾矿坝建立几何模型，主要对坝体剖面进行研究。分析尾矿砂粒级分布特征，分层特征相近归并为同一层，进而建立计算模型与地质结构分层图。针对平面应变问题进行分析，进一步将计算模型转变为二维数值模型，并统一采用三角形单元，使用网格检验的方法优化网格。

(2)修复尾矿土修复模型建立：测量不同修复年限台阶植被修复深度。通过剪切实验测量根-土复合土的相关力学指标，包括内聚力与内摩擦角等；测量植物生长状态等相关指标，包括植株高度、主根长等指标。据此建立表层生态修复区的根-土复合土模型和修复植物结构模型。复合土定义为实体有限单元、主根为锚固单元、上部修复植物为点荷载、草本植物为分布荷载。

(3)渗流数值模拟计算：① 正常水位浸润线：初期坝为堆石透水坝，并选择适合的渗透参数，将堆积坝面作为自由透水面，施加水头边界后进行相关计算。对比、拟合实测浸润线与计算浸润线，进而验证、反演渗流参数。如实测浸润线与计算浸润线拟合不好，需重新选择参数。② 洪水位浸润线：施加最小干滩长度所对应水位的水头边界，其他边界条件不变的条件下进行洪水位浸润线计算。③ 计算正常水位与洪水位浸润线下的尾矿坝体孔隙水压力和渗流速度，分析其对坝体稳定性的影响。

(4)静力分析：模型底部加固定约束，左右两侧加水平约束，选择合适参数，分别对正常运行工况和洪水运行工况进行静力稳定性计算。

(5)坝体稳定性计算：采用毕肖普法进行计算，采用《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)的规定的最小安全系数。

2.2 模型建立

尾矿库边坡稳定性分析属于典型的平面应变问题，首先确定模型高度，剖面长度，坡面附加荷载等条件，模拟区域以(0，0)点为起点，在Y轴方向上确定模型高度的点，剖面长度在X轴方向上确定，连线建立边坡模型，见图2，按弹塑性模型考虑，采用Mohr-Coulomb准则[15]。

设置3种试验模型建立条件，分别为坝高、坡比、修复时间。坝高选取15、30、45、60、80 m；坡比选取1∶3、1∶4、1∶5；修复时间选取1 a、4 a、10 a，部分模拟计算结果见图3a～3d(全部计算结果见图4～13)。

2.3 模拟计算结果及分析

2.3.1 修复时间分析稳定性

上述模型分析均采用毕肖普法计算。模拟计算结果见图4～8。由图可知，在坝高一定的条件下，安全系数随着坡比的降低呈现逐渐升高的趋势。坡比为1∶3、1∶4的处理组，其不同修复年限的安全系数无显著性差异(P>0.05)，坡比为1∶5的处理组则呈现一定差异性(P<0.05)，这说明坡比越大，安全系数越小，修复植物根系的固土作用越弱。在坝高和坡比一定时，总体规律为修复时间久的模型安全系数高：修复10 a>修复4 a>修复1 a，且两种修复时间之间增加幅度较小，差值大部分在0.02～0.04之间波动，说明植物生态修复的年限对尾矿坝体稳定性提高效果一般。在坡比与修复年限相同的条件下，随着尾矿坝的增高，安全系数呈降低趋势。无论坡比与坝高的参数如何设定，4 a与1 a相比差异性均不显著(P>0.05)，个别还出现了1a的安全系数大于、等于4a的情况，这可能由于尾矿基质营养成分差，导致沙棘生长缓慢，从而降低了安全系数。所有的模拟计算结果中，尾矿坝安全系数，在坝高为15 m、坡比为1∶5、修复10 a的条件下，达到最高值2.84，分别比相同条件下1 a、4 a安全系数提高了1.45倍、1.42倍，同时是最小安全系数的4.8倍，此条件下稳定性达到最大。

2.3.2 坡比分析稳定性

模拟计算结果见图9～13。在坝高、修复年限相同的条件下，随着坡比的减小其安全系数呈增大趋势，安全系数差值集中在0.2～0.8之间，安全系数计算结果差异均显著(P>0.05)，说明坡比大小是影响尾矿坝安全系数的主要因素。依据毕肖普法计算，3等尾矿坝最小安全按系数为1.30，4等和5等尾矿坝最小安全系数为1.25，由坡比为1∶3的模型可知，当坝高为45、60、80 m时，其安全系数均小于1.25，故为危库或险库；坡比1∶4，坝高为15、30、45 m为安全性能良好的尾矿坝，其余模型为危库或险库；坡比1∶5的模型安全系数均大于规范要求的最小值，为安全性较高的尾矿坝。上述分析说明坡比对尾矿库边坡稳定性影响显著。

3 结论

(1)植物修复尾矿坝模型安全系数的总体规律为：修复10 a>修复4 a>修复1 a，差值大部分在0.02～0.04之间波动。修复4 a与修复1 a效果差异并不显著。只有当坡比为1∶5时，修复10 a与修复1 a、4 a尾矿坝安全系数才有差异性。表明随着坡比的增大，可能会减弱植物根系固土的效果。

(2)在坡比与修复年限相同的条件下，随着尾矿坝的增高，其安全系数呈降低趋势。尾矿坝安全系数，在坝高为15 m、坡比为1∶5、修复10 a的条件下，达到最高值2.84，分别比相同条件下1 a、4 a安全系数提高了1.45倍、1.42倍，同时是最小安全系数的4.8倍。

(3)在坝高、修复年限相同的条件下，随着坡比的减小其安全系数呈增大趋势，安全系数差值集中在0.2～0.8之间，安全系数计算结果间差异均显著(P>0.05)，说明坡比大小是影响尾矿坝安全系数的主要因素。

(4)坡比大小是影响尾矿坝安全系数的主要因素，尾矿坝修复植物可以提高安全系数，但在修复植物生长年限短的情况下效果不明显，且坡比对植物提高尾矿坝安全系数效果的影响极大。