喀左县长皋铁矿尾矿库坝体整改后稳定性评价

辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013

我国是世界上尾矿库数量最多、灾害事故发生率最高的国家之一，年排出尾矿约6亿t，大部分堆存于尾矿库，一旦坝库区体失稳溃坝，将给人们的生命财产造成巨大损失，并引发严重的环境问题。

国内外关于尾矿库坝体稳定性的研究主要包括传统的物理基本性质、施工工艺技术、现状及渗流工况、监测预警技术以及水体污染防治等。然而在现状不稳定条件下，结合整改措施验证整改后多种工况下的坝体稳定性却是提升坝体安全评价最为实际的工程化应用方法。目前，评价尾矿库坝体稳定性的定量分析方法主要是数值模拟法和极限平衡分析法。

文章针对坝体的稳定性评价综合了数值模拟法和极限平衡分析两种方法，既考虑了数值模拟中坝体破坏后的应力应变变化规律，又定量地采用了瑞典圆弧法和简化毕肖普法给出了坝体的安全稳定系数，并且结合工程现状，进行了整改设计前后的稳定性评价对比计算，在现状、渗流、地震三种工况下实现了数值分析法和极限平衡分析法的耦合，获得了尾矿库坝体最小安全评价系数，从定性、定量的角度指导了尾矿库的安全生产。

1 工程概况

喀左县中三家镇长皋铁矿尾矿库位于辽宁省喀左县中三家镇豆腐房村，该尾矿库三面环山，一面筑坝，谷口呈“U”字形，属山谷型尾矿库。该尾矿库初期坝筑坝材料采用风化料堆筑，初期坝长120m，坝高5m，坝顶宽3.5m，内外坡比均为1∶2；其现状坝高约35m，最大坝长约160m，坝顶宽约4m，坝体外坡比为1∶1.6～1∶2.0，筑坝方式采用上游式筑坝方法，坝坡坡度不均匀，坡面裸露且不规整，易受雨水冲刷形成冲沟，不利于坝体稳定。在尾矿堆积坝不同标高处设有宽约12m、5m、4m的马道，并在坡面上设置竖向排水沟，坝坡外侧无排水防冲刷设施，坝脚处有渗水。正常生产时尾矿沉积滩的干滩长度约60m，干滩坡度约为1.0%，库容约为40×104m3。该沟下面不压矿，下游溃坝波及范围内有村民居住。

2 稳定性分析基本原理

文章采用有限元法对该尾矿坝进行渗流和应力应变有限元数值模拟，并使用规范推荐的瑞典圆弧法和简化毕肖普法对坝体的稳定性进行评价，有效地耦合了数值分析法和极限平衡分析法，综合具备了数值分析法和极限平衡分析法的优势特点，在得出尾矿坝坝体内部应力应变关系的同时，得到了坝体最小稳定性系数，实现了稳定性安全评价。

2.1 瑞典圆弧法

该法假设条块之间的作用力对圆弧形滑动面上的法向应力分布没有影响，其抗滑力与下滑力之比即为安全系数Fs：

式中：i为第i条块；r为圆弧半径；αi为条块地面中点切线与水平线夹角；Ui为条块地面中点处孔隙水压力；Wi为条块重量；Qi为作用在条块重心处的水平向地震惯性力；Q'i为作用在条块重心处的垂向地震惯性力（向下为正）；Mc为Qi对圆心的力矩之和；Li为条块底部长度；ci和φi为条块地面中点处的内聚力和内摩擦角。若不计地震作用，则Qi=0、Q'i=0、Mc=0。

2.2 简化毕肖普法

简化毕肖普法仍是条分法，只是在改进的基础上考虑条块间存在水平作用力，但忽略剪应力。通过迭代反推，得到坝体边坡的安全系数k：

式中：i为第i条块；αi为条块地面中点切线与水平线夹角；Ui为条块地面中点处孔隙水压力；Wi为条块重量；Qi为作用在条块重心处的水平向地震惯性力；li为条块底部长度；ci、fi为条块地面中点处的内聚力和内摩擦系数。若不计地震作用，则Qi=0。

3 尾矿库坝体整改

在尾矿坝特殊运行条件下（最高洪水位+坝体自重+地震的荷载组合），分别采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法对该尾矿坝的稳定性进行计算，结果处于不稳定状态，因此考虑进行整改设计。

尾矿库坝面整治工程包括尾矿坝贴坡加固、外坡面修整、完善坝面排水沟、坝体护坡等。

依据《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）要求，改造治理设计在尾矿坝外坡进行石料贴坡加固，控制孔隙率不大于0.28，具体情况依据现场试验来确定，加固顶标高统一。贴坡加固前对坝外坡面尾矿砂等松散覆盖物进行清理，同时对贴坡基底进行清理，并将清理后的坝基表面土层压实。

按照尾矿坝现有剖面现状，设置3条马道，控制各段坝体外坡比为1∶2，坝顶和马道以1%的坡度坡向下游。外坡面采用浆砌石网格挂网植草护坡，并设置上坝人行踏步。为保护坝坡，在外坡面设置坡面排水沟及坡脚排水沟。

4 尾矿坝稳定性分析

4.1 数值模型的建立

该尾矿坝体经过整改后，在岩土工程勘察的基础上，对坝体剖面进行等比例地层呈现，形成以初期坝和堆积坝及库区为一体的地质模型，文章计算均按二维建立模型，按平面应变问题进行分析，单元统一采用三角形单元，并通过网格检验达到网格最优化。最终，坝体计算模型被划分为849个三角形单元，1551个节点（见图1）。

图1 坝体有限元计算模型

4.2 参数的选择及边界条件的确定

依据岩土工程勘察提供的各土层参数，并结合原尾矿库尾砂性能参数，此次尾矿库现状及渗流工况下的稳定性分析选取参数见表1。

表1 坝体整改后稳定性评价所选计算参数表

边界条件：模型左右两侧加水平向约束；模型底部加固定约束。

4.3 尾矿坝稳定性分析结果

文章通过对尾矿坝坝体的数值进行分析，得出了该坝体在正常运行、洪水工况、特殊工况下坝体内部的应力变化状态，并在数值分析的基础上，采用条分法计算出了三种工况下坝体的稳定性系数（见图2～图4），此处只列出了采用瑞典圆弧法的计算滑弧图。各种工况下的计算安全系数见表2。

图2 正常工况稳定性（瑞典圆弧法）计算滑弧图（k=1.197）

图3 洪水工况稳定性（瑞典圆弧法）计算滑弧图（k=1.051）

图4 特殊工况稳定性（瑞典圆弧法）计算滑弧图（k=1.014）

表2 稳定分析计算结果

计算结果显示，按设计要求进行整改的尾矿库，在各个时期各种工况下坝体均能满足规范规定的最小抗滑稳定安全系数的要求。

5 结束语

尾矿坝在现状下有不稳定的状况，哪怕只是在特殊工况下不稳定，其他工况下稳定，都需要按照规范采取一定的措施进行安全整改。通过分析以上尾矿坝的渗流稳定及坝体抗滑稳定性计算结果，其安全系数均大于《尾矿库安全技术规程》（AQ 2006—2005）规定值，为尾矿坝的安全运行奠定了坚实的基础。只有施工企业严格按照设计及规范要求加强尾矿坝的施工、运行管理，才能够保证尾矿坝的安全运行，同时尾矿坝的安全稳定也能为企业生产、度汛、堆存尾矿及回水等奠定坚实的基础。