关于我国尾矿坝稳定设计标准的探讨

沈楼燕，王汉强

(1.武汉大学经济与管理学院，湖北 武汉 430072; 2.中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330002)

《世界有色金属》期刊2008年第2期发表了《美国矿山企业的尾矿管理》一文[1]，该文作者在对比中、美两国尾矿库工程设计标准后提出：“①(美国)尾矿库的洪水设计标准高。最低标准为百年一遇洪水，大中型库均需按最大可能洪水(PMF)或二分之一最大可能洪水进行设计。②(美国)尾矿坝设计稳定性安全系数高。规定标准系数为1.5，大于我国的标准”。该文还建议“结合我国国情，修订尾矿库安全技术标准，主要是洪水标准和尾矿坝稳定性标准，适当提高洪水标准和加大尾矿坝稳定性系数”。 2009年国家有关部委在发布的《尾矿库隐患综合治理方案》中，论述我国尾矿库事故频发和安全生产形势严峻的主要原因时，认同并引用了该文献的观点，故发布的文件中第一条就是：“安全设计标准低。尾矿库防洪抗震及坝体稳定等安全设计标准与发达国家相比相对偏低”。

上述观点可以概括为：我国尾矿库的设计洪水标准和尾矿坝稳定设计标准偏低,应予以提高。适逢笔者正在参与我国新的尾矿库设计规范的编制工作，认为很有必要对这个观点进行商榷。其中，笔者对“我国尾矿库设计洪水标准是否偏低” 已在文献[2]进行了专题论述，本文仅对“我国尾矿坝稳定设计标淮是否偏低”的问题予以探讨。

1 科学认识因中、美尾矿坝稳定计算方法不同而导致的安全系数数值的差异

美国矿山安全卫生局(MSHA)下属的丹佛技术中心(DTSC)制定的《矿山废渣堆及尾矿坝设计准则》[3]，规定尾矿坝的静力稳定和动力稳定安全系数标准分别为1.5及1.2。我国现行的行业标准《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ 1-90)[4]规定的尾矿坝稳定设计标准见表1,其最大值为1.3,比美国标准值1.5小。如果仅从数字来对比，似乎美国标准更高，其实这是一个误解。

表1 尾矿坝坝坡抗滑稳定最小安全系数

国内外的研究成果和工程实践经验都表明：对于同一土石坝边坡，用瑞典圆弧法和考虑条块间作用力的简化毕肖普法方法，分别计算得到各自的最小安全系数，后者要比前者大很多，平均约大9%[5]。尾矿坝的工程实践也反映了同样的情况。我国《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ 1-90)是参照我国《碾压式土石坝设计规范》(SDJ 218-84)[6]的标准来规定其稳定安全标准的，采用的是瑞典圆弧法,最大安全系数为1.3。而美国标准则是采用简化毕肖普法等方法，其规定的最大安全系数为1.5。其后我国的1984年版《碾压式土石坝设计规范》(SDJ 218-84)己于2001年修订为《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)[7]，采用的基本方法是毕肖普法等方法，其最大安全系数也规定为1.5(表2)。但是，由于《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ 1-90)没有及时相应跟进予以修订,其安全系数最大值仍为1.3。

表2 土石坝坝坡抗滑稳定最小安全系数(SL 274-2001)

根据尾矿坝的实践经验，我们建议新的尾矿库设计规范规定：采用毕肖普法和瑞典法同时进行尾矿坝稳定计算，并比较其计算结果。尾矿坝稳定设计标准分别采用表1和、2的数值(可个别调整)。实际上，将表1的数值按瑞典圆弧法和毕肖普法相差的百分数平均值放大后，并将尾数取0或5,就成了表2中的数值。这样就有两个最大值，瑞典法为1.3、毕肖普法为1.5，二者是相对应的。在新的尾矿库设计规范施行前的过渡期，可执行《尾矿库安全技术规程》[8](AQ 2006-2005)的规定：在采用简化毕肖普法计算时，可按SL 274-2001规范的规定选定安全系数标准值，最高值也达1.5。可见，现行的《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ 1-90)中，尾矿坝稳定安全系数1.3和美国标准的1.5二者的安全度是相当的。因此，仅从1.3小于1.5而不考虑计算方法不同，就来判断安全标准孰高孰低是一种误解。

2 国内外土石坝稳定安全设计标准对比分析

尾矿坝属于土石坝中的水力冲填坝类型，因此，国内外制订尾矿坝的稳定安全设计标准时，都是以土石坝的稳定安全设计标准为主要参照标准的。所以，对比国内外土石坝的稳定安全设计标准，对评价尾矿坝的稳定设计标准很有意义。

土石坝边坡稳定安全设计标准是如何制定的呢? 首先按边坡级别、工作条件规定出基本的最小稳定安全系数标准。最小稳定安全系数标准，应在大量工程实践的统计基础上，尽量与国内其他行业标准、国外本行业技术标准相协调，同时考虑士石坝边坡工程特点，以及国内经济发展水平等来确定。在确定了基本的最小安全系数标准的基础上，再根据边坡类型、稳定计算方法等不同因素分别做出补充规定。比如当采用不考虑条块间作用力的方法时，其最小稳定安全系数标准应与考虑条块间作用力方法的标准有所区别。在确定最小稳定安全系数标准时，根据相关的专题研究成果，考虑与国外同类技术标准接轨，适当引入风险分析的内容，结合工程失事所造成的危害，提出对安全标准的修正条款(例如升、降级条款等)。综上所述，稳定安全系数标准值的合理规定，涉及了所采用的计算理论(例如刚体极限平衡)、计算方法(例如瑞典法)、计算工况(运用条件)，主要是参照相关标准，并将已建边坡的实际取值统计，作为制定土石坝稳定安全系数标准的主要依据。

文献[5] 及文献[7]统计了美国垦务局、加州水务局及陆军工程兵团以及前苏联、印度、日本、加拿大、澳大利亚的土石坝最小稳定安全系数标准，并将之与中国土石坝的最小稳定安全系数标准进行对比，得出了国外的最小稳定安全系数标准与我国采用简化毕肖普法等考虑条块间作用力的方法为基本方法的规范的最小稳定安全系数标准比较接近的结论[7]。因此，可以认为中、外尾矿坝稳定设计标准的基础水平是相接近的。

3 中、美尾矿坝稳定设计标准综合对比分析

3.1 美国对本国的尾矿坝稳定设计标准也是有争议的

美国MSHA制定的尾矿坝安全系数标准仅二个数值：1.5(静力) 和1.2(动力)。不论尾矿库库容大小、尾矿坝的高低和失事后的灾害程度，都是这两个值。对此，美国国内也有不同意见。美国内政部矿山局颁布的《金属与非金属矿尾矿处理设计指南》[9]指出：“每座尾矿坝应按下列几方面的特点来选定安全系数标准：①相对于居民中心的位置；②总库容和使用年限；③区域降水和汇入库内的水量；④尾矿的特性；⑤地形特征。换句话说，一座位于城市范围内或在主要公路或铁路旁的尾矿库，应该取静力稳定安全系数为1.5。当一座尾矿库位于偏僻地区，离都市很远，其安全系数取为1.3就非常安全。”

可见，美国也有相关管理部门认为，尾矿库的安全设计标准，应依据尾矿库的具体情况分级执行，而不是统一采用固定的数值。因此，笔者认为，不必按照美国的作法將所有尾矿坝的安全系数标准都定为一个数值，还是分级规定安全系数为好，这样更符合我国实际国情，更符合工程的技朮经济综合分析原则。

3.2 实践是判别尾矿坝稳定与否的唯一标准

从理论上说，计算的稳定安全系数大于1时，应满足稳定要求。但在实际工程中，有些土坡的计算安全系数虽大于1，却发生了滑坡；而另一些土坡计算安全系数只有0.8，但却一直保持稳定的[10]。那么，如何规定能确保尾矿坝坝坡稳定的允许最小安全系数呢？这只能如前所述，将已建尾矿坝边坡稳定安全系数的实际取值统计，作为制定尾矿规范稳定安全系数标准的主要依据，再参照国內有关边坡规范并与国外尾矿规范协调来规定。这里强调的就是工程实践经验。尾矿坝的边坡稳定标准是否合适，同样也应根据其实践经验来判别。实际边坡工程采用的安全系数标准和实际计算值，可反映目前边坡安全系数的应用现状。作者统计了我国数十座尾矿坝的现状计算安全系数，都是采用现行尾矿坝安全系数标准的。这数十座尾矿坝从2级坝到5级坝都有。应该说明的是，按老规范我国没有评定1级尾矿坝，实际有些2级坝甚至3级坝的安全设计标准己达到1级坝的要求。由于美国尾矿坝静力稳定不分级别和计算方法只有一个标准Fs=1.50，因此，为便于对比，将这些尾矿坝正常运行(静力稳定)的计算Fs值，不论方法，一起统计求其平均值来与之比较。求得的平均Fs=1.48，与1.50相差无几。由此可见，根据我国现行尾矿规范设计建设的已建尾矿坝，其平均安全系数的总体水准是与美国尾矿坝标准相当的。

4 结语

(1) 中、外尾矿坝稳定设计标准制订时，都是以土石坝的标准作为主要参照标准的，而中、外土石坝的稳定安全设计标准是接近的。因此，可以认为，中、外两国尾矿坝稳定设计标准的基础水平是接近的。

(2) 从国内尾矿坝实践经验统计来看，中国尾矿坝安全系数的总体水准与美国的标准是相当的。

(3) 未经充分论证，不应任意提高或降低规范规定的稳定安全系数的允许值，其总体水平宜基本维持在现行规范的历史经验水平上，仅需对个别不合理情况作适当调整。

(4) 建议新的尾矿库设计规范规定，用毕肖普法和瑞典法同时进行尾矿坝稳定计算,并比较其计算结果。尾矿坝安全设计标准，可分别采用表2和表1的数值(可个别调整) 。

[1] 汪贻水. 美国矿山企业的尾矿管理[J]. 世界有色金属，2008(2)：55-58.

[2] 沈楼燕 ,王汉强. 关于我国尾矿库设计洪水标准的探讨[J]. 中国矿业,2010,19(6):14-16.

[3] 美国矿山安全卫生局(MSHA). 矿山废渣堆及尾矿坝设计准则[S]. 冶金工业部南昌有色冶金设计院总图卫技科(译)，1979,4.

[4] 中国有色金属工业总公司.ZBJ1-90，选矿厂尾矿设施设计规范[S] .北京：中国计划出版社，1991：14-15.

[5] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5395-2007 碾压式土石坝设计规范[S]. 北京：中国电力出版社，2008：51，219.

[6] 中华人民共和国水利部.SDJ 218-84，碾压式土石坝设计规范[S].北京: 中国水利水电出版社，1984：51.

[7] 中华人民共和国水利部.SL 274-2001，碾压式土石坝设计规范[S]. 北京: 中国水利水电出版社，2002:135-136.

[8] 国家安全生产监督管理总局.AQ 2006-2005 ，尾矿库安全技术规程[S].北京：煤炭工业出版社，2006：7.

[9] Design guide for metal and nonmetal tailings diposal ，by Roy L. Soderberg and Richard A. Busch,[Washington]:United States Department of the Interior,Bureau of Mines,1977：35.

[10] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京：中国水利水电出版社,1996:302-312.