基于圆弧型滑动法的某尾矿渣稳定性分析

张再望

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司/自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075)

1 引言

我国矿产资源具有单一矿少、矿石成分复杂的特点，矿业生产活动中的原矿需要经过破碎、磨矿、选矿，在选出精矿的同时也会排出大量尾矿渣[1]。20世纪80～90年代中后期我国矿业秩序十分混乱，无序开采、非法开采、乱采滥挖，或因资源枯竭矿山闭坑、或因企业破产、政策关闭及重组等原因，导致了严重的矿山地质环境问题[2]。由于选矿过程中尾矿经受反复研磨，故尾矿渣通常相对密度较小，比表面积大，堆积中易发生流动、坍塌事故，特别是暴雨条件下，尾矿渣堆积体极易产生滑坡或泥石流灾害[3]。尾矿渣堆积体发生滑坡的潜在威胁不仅在矿区生产作业期间持续存在[4]，即便矿区废弃、采矿活动停止，尾矿渣滑坡的威胁仍然存在。为此，加强尾矿渣滑坡灾害的防治工作对于保证尾矿渣边坡的稳定性及安全运行极为重要。

堆渣体的稳定在一定程度上不亚于高边坡稳定，需要得到高度关注。王旭旺[5]通过向铁尾矿渣中加入不同剂量的水泥和粉煤灰用作半刚性路面基层，并分析了5个级配的混合料掺入剂量的水泥抗裂性，进一步提升了铁尾矿废渣混合料的抗裂性。赵黔义[6]利用XRD和SEM等方法观察、分析混合料固化体的结构特征，表明铁尾矿渣在掺入石灰和粉煤灰后，其稳定性和强度得到进一步提升。乔高勇[7]等通过对堆渣体边坡稳定性计算分析与加固力进行计算，制定出滑坡总体加固治理方案并验证了边坡加固后的安全系数，在堆渣体自身强度增加的基础上，进一步关注了堆渣体高边坡稳定问题。蒋平[8]等通过采集堆渣体不同坡位的弃渣样品，并对其含水率、饱和含水率、饱和导水率、容重和机械组成等物理指标进行测定，同时以直剪试验对堆渣体边坡稳定性特征进行分析，最终给出了拦挡措施的建议。苏楠[9]等通过对杨柳青电厂液态渣的化学成分、物理力学性能进行的系统研究，得出了其主要化学组成、颗粒级配静力应力应变参数等重要的化学物理力学指标，为液态渣的综合利用及堆渣体的稳定提供了技术参考和科学依据。

在前人研究的基础上，本文结合某尾矿渣，选取一些典型剖面的计算参数，采用定性分析与定量计算相结合的方法，定性分析野外勘测资料的综合判断，定量计算实测断面，开展该尾矿渣的稳定分析。

2 研究区概况

治理区河段长约2700 m，目前河水以青灰色矿浆水为主。河道两侧堆积了大量选矿、氰化尾矿渣河道，最大的堆渣面积约2.18×104m2，堆渣体厚度约1.5～16 m。堆渣在挤占河道、加大河流弯曲度的同时，不但浪费大面积土地资源，同时对流域环境产生了显著的重金属污染。该尾矿渣堆积体的最厚处约6 m，平均厚度约2 m，堆积体挤占耕地，破坏植被。堆渣体的位置可分为3种，全部堆积于阶地上，堆积于阶地及河漫滩上，全部堆积于河漫滩上，其规格(颜色、形状及堆积位置)见图1。

图1 堆积体规格统计

3 材料与方法

3.1 各层土的物理力学指标

根据室内土工试验成果和现场密度试验，将各层土的物理力学指标进行了统计，其结果见表1及表2。

表1 治理区矿渣物理力学指标统计

表2 治理区粉质粘土物理力学指标统计

地基土(卵砾石)的承载力特征值fak系野外动力触探试验结果，分别按照《岩土工程勘察规范》[10]、《工程地质手册》[11]综合确定的，其评价结果详见表3。

表3 卵砾石层承载力特征值

3.2 计算方法及计算工况

根据边坡土体岩性主要为杂填土，可以认为坡体为均质土体，计算可按圆弧型滑动法对边坡进行稳定性验算。

经钻孔可知，边坡岩土组成以杂填土和粉质粘土为主，推测滑动面均为圆弧形，用不平衡推力传递系数法计算边坡稳定性系数。

稳定性系数可表达为[12]：

(1)

其中：

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+cili

(3)

Ni=Qicosθi

(4)

Ti=Qisinθi

式中:y i，n为样品气中碳数为n的i组分的摩尔分数，%;y C4为标准气中丁烷的摩尔分数，%;A i，n为样品气中i组分的峰面积，p A·s;A C4为标准气体混合物中丁烷的峰面积，p A·s;n为重烃组分的碳数。

(5)

式(1)～(5)中：K为边坡稳定系数，Ri为作用于第i块段的抗滑力，Ti为作用于第i块段的滑动分力，Qi为第i块段坡体受的重力，Ni为第i块段坡体重力的滑动法向分力，φi为第i块段土的内摩擦角，ci为第i块土的粘聚力，li为第i块段滑动面长度，ψj为第i块段剩余下滑力传递至i+1块段的传递系数(j=i)，θi为第i块段滑面倾角。

3.2.2 计算工况

降雨使边坡饱水是影响边坡稳定性的主要因素，重点考虑持续降雨工况及坡体饱水情况的稳定系数，因此计算工况考虑以下两种：工况1：天然自重状态；工况2：自重及暴雨。

3.3 计算参数的确定

计算参数主要在统计土工试验数据基础上，根据边坡物质物理力学性质，结合区内地质环境条件、坡体结构特征、性状、坡体变形及其空间变化情况，再结合反算结果综合确定。

3.3.1 室内试验值

由土体室内试验参数统计表1～表3可得，土样试验结果平均值计算，边坡杂填土天然重度为20.7 kN/m3，饱和重度为21.5 kN/m3；粉质粘土天然重度为19.3 kN/m3，饱和重度为20.13 kN/m3。

3.3.2 经验值

给出天然状态下的参数为：γ=20.4 kN/m3，c=9.5 kPa，φ=7.6°，饱和状态下的参数为：γ=21.0 kN/m3，c=9.0 kPa，φ=7.0°。

3.3.3 反分析值

根据对现场边坡的变形特征及现所处的稳定性状态的定性评价，各边坡在天然状态下均处于稳定和基本稳定的状态，所以其FS值均大于1；考虑到人工边坡岩土体物理力学性质的变化，由于人工边坡坡体物质主要以杂填土为主，选择坡体抗剪强度参数时，内聚力较小，而内摩擦角则相对较大，故以实验数据中的内摩擦角为反演依据，主要对抗剪强度进行反演。反演公式根据《滑坡防治工程勘查规范》[13]参数反演公式进行计算，如下：

(6)

(7)

式(6)、(7)中：φ为坡体物质的内摩擦角，c为坡体物质的内聚力，F为根据计算工况给定的稳定系数，L为滑带的总长度。反演工况分为天然工况和暴雨饱和工况，其结果见表1。

3.3.4 参数的综合取值

经对岩土室内试验结果及代表性剖面的反演分析，综合确定各边坡计算参数为表4。

表4 各边坡计算剖面C/φ值参数反演计算结果表

4 结果与分析

经计算，选取部分剖面稳定性计算成果见表5。

表5 部分剖面边坡稳定性计算成果汇总

根据《滑坡防治工程勘查规范》[13]规定，斜坡稳定状态应根据其稳定系数如表6确定。

表6 斜坡稳定状态分级表

由定性和定量评价结果可以看出，在天然状态下，大部分边坡处于欠稳定～稳定状态；在暴雨饱和条件下，大部分边坡均处于不稳定～欠稳定状态，易产生失稳下滑。个别边坡会发生浅层的滑动，导致边坡失稳，其稳定性计算与综合观测分析吻合。

5 结论

治理区内矿渣的随意堆放，对附近环境及当地居民的正常生产生活产生严重的影响，为改善人居环境，尽量减少污染，应对矿渣堆积体进行处理。通过计算分析得出以下结论。

(1)由于堆渣体的堆积和河流的冲刷造成治理区内堆渣体的局部呈现不稳定状态，除此之外并无不良地质作用。

(2)通过对堆渣体定性和定量稳定性综合分析，在天然状态下，堆渣体基本处于稳定状态；在暴雨饱和条件下，堆渣体处于欠稳定或不稳定状态；水(降雨和河流)以及人为活动是致使堆渣体发生失稳的主要诱发因素。