连续降雨对尾矿坝稳定性的影响分析

刘余欣，易飞，徐裕华，樊莉

（1.南昌大学第一附属医院，江西 南昌 330006；2.江西工业贸易职业技术学院，江西 南昌 330038）

1 引言

尾矿坝作为一种矿石尾料堆积形成的工业构筑物，一旦发生溃坝破坏力极强。相关统计结果表明[1]，尾矿坝溃坝造成的损失在世界范围内的各类灾害中排名第18位。例如，发生在1997年圭亚那的尾矿坝溃坝事件造成了20多人死亡的严重后果[2]；发生在2008年的陕西临汾尾矿坝溃坝事故累积造成128人死亡，35人受伤[3]。由此可见，尾矿坝溃坝造成的危害性极大。以往的研究表明[4-5]，尾矿坝的失稳溃坝往往发生于连续降雨期间，连续降雨会增加坝体的饱和度，降低土体的基质吸力，使得土体抗剪强度下降，最终导致尾矿坝失稳破坏。鉴于上述原因，对连续降雨期间尾矿坝失稳的机制进行分析并采取有针对性的措施进行预防是极为有必要的。

本文从某尾矿坝实际工程案例出发，利用GeoStudio软件分析了连续降雨条件下该尾矿坝总水头、浸润线以及坝坡稳定性的变化情况，为降雨入渗条件下的尾矿坝渗流及稳定性分析提供了参考，结论可供类似工程参考应用。

2 渗流及稳定性计算原理

2.1 渗流计算原理

尾矿坝的渗流问题属于连续介质的饱和-非饱和非恒定渗流问题，连续介质饱和-非饱和非恒定渗流理论问题的描述及其求解概要叙述如下。

2.1.1 渗流控制方程

假设水在非饱和土体中仍旧能满足达西定律，水流在满足连续性原理的同时孔隙气压力不随时间变化，在忽略不同流体流动同土结构平衡条件之间的相互作用条件下，饱和-非饱和区土地地下水的非稳定渗流控制方程可以写成：

当（1）式中总水头H恒定不变时，地下水稳态流控制方程可以写成：

上式中，H为总水头，h为压力水头，y为位置水头，总水头为压力水头和位置水头之和，即H=h+y。当处于饱和区时，渗透系数为饱和值，与h大小无关；当处于非饱和区时，渗透系数是压力水头的函数；kx、ky分别代表x与y方向的渗透系数；Q为微元体边界流量；mw代表体积含水量变化系数，其值为土水特征曲线的斜率；γw为水的容重。

2.1.2 边界条件

在水位变动的条件下，尾矿坝渗流问题的边界条件可以写成：

上式中，H（x,y）表示在二维条件下尾矿坝的某一边界S在t时刻的水头，根据尾矿坝的库水位变动条件，可确定边界S的水头边界值H1(x,y,t)。

2.1.3 有限元计算方法

由式（1）和（3）构成渗流问题的定解条件，由该定解条件，通过适当的数学方法可求出尾矿坝满足边界条件（3）的唯一水头分布的解。

2.2 稳定性计算原理

本次边坡稳定性计算采用的方法为刚体极限平衡法，以简化Bishop法为主。为了便于对结果对比分析，同时采用瑞典圆弧法以及摩根斯坦-普莱斯法对边坡稳定性进行计算。简化Bishop法的基本原理为条分法，其假设条块间的作用力方向只为水平方向，以此建立整体力矩平衡方程并进行求解。简化Bishop法在忽略条块间的竖向剪力并简化安全系数的求解过程同时，精度却几乎没有降低，在工程中被广泛运用，该法已被写入各国的相关规程中。

3 工程实例

3.1 数值模型的建立

本次研究的尾矿坝坝体材料主要包括尾细砂、尾粉砂、粉质黏土、填土以及块石棱体等，根据其典型剖面建立有限元网格模型，见图1，该网格模型共有7486个节点，7293个单元。

图1 计算模型网格图

3.2 材料的参数

通过一系列室内土工试验并参考相关勘察报告，最终确定了尾矿坝坝体中各个材料计算所需的力学参数数值，如表1所示。

3.3 计算工况

本次计算选取的计算工况为尾矿坝在上游正常水位运行条件的前提下，同时以50mm/d的降雨强度（暴雨）连续降水3天，计算此时尾矿坝的渗流及坝坡稳定性。由于坝体材料中尾砂的渗透系数较低，雨水不可能完全渗入到坝体内部材料，大量雨水集结于坡体表面形成径流被排出，因此本次计算不考虑径流对计算结果的影响。

材料物理力学参数表 表1

稳定性计算成果汇总表 表2

3.4 计算结果

3.4.1 渗流计算结果

利用Geostudio软件的渗流模块对上述建立的模型进行渗流计算，获得尾矿坝在上述工况下的渗流计算结果，如图2所示。

由图2可知，连续降雨3天后坝体的总水头相较于降雨一天后的总水头有明显提升。随着雨水不断渗入到坝体内部，坝体的饱和度持续增加，坝体材料的渗透系数也随之增加。降雨3天后坝体内部浸润线的高度相较于第一天有明显增加，坝体失稳的可能性也随之增加。

3.4.2 稳定性计算结果

图2 连续降雨条件下尾矿坝总水头图

将上述渗流计算结果导入到GeoStudio软件的稳定性计算模块，利用软件内置的简化bishop法对坝体的稳定性进行计算，结果如图3所示。

图3 连续降雨一天后尾矿坝坝体稳定分析图

由图3可知，在连续降雨一天后坝体的安全系数为0.919，明显小于《尾矿设施设计规范》（GB 50863-2013）[6]规定的最低安全系数1.25，尾矿坝坝体会发生失稳。为了便于比较分析，同时给出了连续降雨2天、3天以及3种不同算法计算得出的安全系数值，见表2。从表2可以看出，随着降雨时间的增加，尾矿坝坝体的稳定系数进一步下降，连续降雨3天后，由简化Bishop法计算得出的安全系数仅为0.766，明显小于规范规定的最低安全系数，极易发生溃坝。

4 结论

本文运用GeoStudio软件内置的渗流及稳定性计算模块对连续降雨条件下的尾矿坝渗流及稳定性情况进行分析，得出的主要结论如下：

①连续降雨条件下，坝体的总水头明显上升，坝体材料逐渐趋于饱和，浸润线明显抬升，进而导致坝体失稳，且随着降雨时间的增加，坝体的安全系数进一步下降；

②在连续降雨条件下，应做到对尾矿坝位移的24小时监测，及时采取措施应对发生的突发情况，避免溃坝现象的发生。