某尾矿库坝体稳定性综合判定方法

董贺伟，王 洋，吴永刚2，

(1.首钢集团有限公司矿业公司，河北 唐山 064404；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.北京国信安科技术有限公司，北京 100160)

尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的重要设施之一，同时也是重要的泥石流危险源，一旦发生溃坝事故，不单会造成环境的严重污染，也会给下游人民的生命财产带来巨大损失，甚至对当地经济发展和社会稳定带来严重的负面影响[1]。尾矿库在降雨、地震及人类活动等因素影响下存在坝坡失稳的危险[2-3]。在尾矿库事故类型中，溃坝事故的伤亡人数和经济损失最多，成为尾矿库安全管理的重中之重[4]。

在尾矿库安全管理中，多数企业依靠安全员人工巡查以及在线监测数据的预警功能来发现问题，检查、监测范围涵盖整个库区，没有侧重点，也不清楚最有可能发生溃坝事故的是哪些部位。因此经常出现检查遗漏，导致坝体产生隐患，给尾矿库的平稳运行带来很大不确定性。

本文以一座坝高接近设计最终坝高、即将闭库的尾矿库为例，探讨尾矿库在矿山生产排尾过程中如何针对溃坝事故快速找出“薄弱环节”，并通过定量分析综合判定“薄弱环节”的安全程度，为尾矿库的安全管理提供侧重点依据，从而得出降低尾矿库事故发生几率的一种方法。

1 尾矿库概况

该尾矿库总坝高120.8 m，总库容1.023×108m3，属于二等尾矿库。初期坝由主坝和副坝组成，其中，主坝初期坝采用岩石风化料和新鲜岩块组合堆砌而成，是一座透水坝；副坝初期坝主要采用岩石风化料堆砌，为透水坝。两座初期坝的坝基建于碎石混黏性土(弱透水)和基岩(微透水)之上。

尾矿库堆积坝采用坝上分散冲积放矿，人工配合推土机分级推筑子坝的上游法筑坝工艺。

目前尾矿库设置了人工、在线相结合的安全监测系统，实现了尾矿库坝体位移、浸润线埋深、降雨量、水位、坝顶标高、干滩长度以及滩面坡度等参数的日常监测。

2 坝体稳定性判定

2.1 坝体稳定性数值模拟分析

根据尾矿库闭库工程勘察，主坝各土层构成如图1所示，副坝各土层构成如图2所示。

图1 主坝剖面Fig.1 Main dam section

图2 副坝剖面Fig.2 Auxiliary dam section

本次稳定性分析计算采用摩尔-库伦模型，主坝与副坝的各项土层参数如表1所示。

表1 坝体稳定性分析计算土层参数Table 1 Soil parameters for dam stability analysis and calculation

极限平衡法是尾矿库坝体稳定性分析的基本手段，本次分别采用其中的瑞典条分法与简化毕肖普法，利用数值模拟软件，计算坝体稳定性安全系数。

根据数值模拟计算结果，采用瑞典条分法计算的该尾矿库主坝及副坝的安全系数如图3所示，毕肖普法计算的主坝及副坝安全系数如图4所示。

图3 瑞典条分法计算结果Fig.3 Analysis results of Swedish slice

图4 毕肖普法计算结果Fig.4 Analysis results of Bishop method

通过以上分析可知，该尾矿库副坝整体稳定性均低于主坝。

主坝初期坝高41.5 m，副坝初期坝高18.8 m，子坝高79.3 m。主坝与副坝除初期坝高不同外，坝体形式、筑坝材料、坡比尺寸、施工参数及上部子坝等其它方面均基本相同。因此可得出初期坝与子坝的坝高占比关系如图5所示。

图5 初期坝与子坝在坝体中所占比例Fig.5 Proportion of initial dam and sub dam in dam body

该尾矿库子坝采用尾砂堆筑，相较于初期坝的废石透水坝，尾砂堆筑坝体在抗震、抗液化、抗滑动等方面均较低，从坝体渗透破坏的可能性上看，子坝比初期坝大，且子坝的坝体稳定性也不及初期坝。

因此，通过对此尾矿库的研究可以得出结论：在尾矿库的坝体构成中，如果提升了尾砂堆筑子坝的比例，在其它参数不变的情况下，坝体总体稳定性将会降低。相反，如果降低尾砂堆筑子坝的比例，或者取消尾砂堆筑坝体，直接采用一次性筑坝，将会有效提高尾矿坝整体稳定性[5-7]。

2.2 坝体在线监测数据分析

1)坝体浸润线在线监测数据分析

通过分析该尾矿库某月坝体浸润线在线监测数据显示，该库共计设置了3个浸润线观测剖面，20个在线观测井，剖面A的浸润线埋深如图6所示，剖面B的浸润线埋深如图7所示，剖面C的浸润线埋深如图8所示。

图6 浸润线观测剖面AFig.6 Phreatic line observation section A

图7 浸润线观测剖面BFig.7 Phreatic line observation section B

通过图6、图7、图8三个剖面的浸润线观测图可以看出，剖面A和剖面B的各井浸润线埋深均在35 m以上，剖面C浸润线埋深最高处仅为13 m。因此，以此三个剖面进行比较，剖面C的浸润线较高。

2)坝体位移在线监测数据分析

该尾矿库同一月份14个坝体位移在线监测数据的统计分析结果如图9所示。

通过图9可以明显看到，点ZW150-11的x、y、z轴偏差相比其他监测点位变化较大。

2.3 坝体稳定性综合判定

前两节分别进行了坝体稳定性数值模拟计算以及在线监测数据整理分析，综合整理可得出如下结论：

1)副坝的坝体稳定性低于主坝；

2)浸润线在线观测剖面C的浸润线远高于其他剖面，即剖面C的稳定性低于其他剖面；

3)位移在线观测点ZW150-11的x、y、z轴偏差相比其他监测点均较大，即点ZW150-11附近的坝体稳定性低于其他点。

上述坝体稳定性较低的剖面和观测点的位置如图10所示。

图10 副坝局部平面图Fig.10 Local plan of auxiliary dam

通过图10可知，前面得出的三个结论所揭示的坝体稳定性的薄弱部位均位于副坝东侧，且距离较近，即通过三种方法印证下的坝体稳定性薄弱部位准确程度较高。

因此，综合上述分析，可得出如下结论：该尾矿库坝体安全薄弱环节即是副坝东侧，此处发生溃坝事故的几率大于库区其他部位，对此处加强安全管理可以较大程度地降低尾矿库发生事故的几率，提高尾矿库运行的安全程度。

3 结论

通过对坝体剖面的数值模拟，以及对在线监测数据的图表化分析，可以综合判定尾矿坝稳定性最低的部位。判定结果一方面可以为尾矿库安全管理提供具有针对性的侧重点，加强薄弱环节的治理，在一定程度上提高尾矿库的安全度；另一方面，可将此薄弱部位作为尾矿库安全管理的最低标准，以此做为标准整体提高该尾矿库安全度，可有效降低其他部位发生事故的几率。另外，由于坝体稳定性受多方面影响，不会一成不变，企业可根据本方法，结合自身实际情况合理设置分析频次，从而保证尾矿库的长期安全稳定运行。