尾矿库的渗流与稳定性分析

段志刚

【摘 要】尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是矿山开采的三大控制性建设工程之一，一旦失事，将影响矿山正常生产，严重时还破坏下游地区的生态环境，造成巨大的生命财产损失。本文即结合实例详细阐述了基于渗流理论的尾矿库稳定性分析。

【关键词】尾矿库；渗流；稳定性；浸润线；参数

一、尾矿库稳定性分析的现状

尾矿坝作为矿山安全生产的重要设施，能否安全运行直接关系到尾矿库的稳定，并对下游村庄及整个矿山的生产起着至关重要的作用。因此，准确评价尾矿坝的稳定与否是防止尾矿库失稳溃坝、威胁人民生命财产安全的前提，并为尾矿库灾害防治提供依据。关于尾矿库坝体稳定性分析的计算方法很多，边坡工程中广泛应用的稳定性计算方法是极限平衡法。它是一种比较成熟的边坡稳定性分析方法；该方法的特点在于原理简单、计算简便、易于理解。

首先，较为经典的方法是 Bishop提出的 Bishop 法；该方法提出了安全系数 F 的定义。同时，通过假定土条间的作用力为水平方向求出土条底面的法向力。后来学者们又提出各种方法，如 Spencer 法、Mogrenstme-Price 法和 Janbu 法等。

其次，数值分析法（以有限单元法为代表，安全系数是采用强度折减方法来确定，其意义是指强度折减至尾矿坝体达到临界状态时的折减强度）是通过建立数学模型，然后选择坝体的材料本构模型来模拟、求解坝体的应力图，再按照准则判断坝体的稳定性；概率分析方法则是在计算结果的基础上进一步给出坝体失稳的概率。

二、矿山尾矿库稳定性分析流程

（一）安全系数的确定

尾矿坝的抗滑稳定安全系数，在《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1—90）和国家经济贸易委员会第20号令《尾矿库安全管理规定》（2001年11月颁布）等相关法律法规以及规程规范中都作出了明确规定。在尾矿库（坝）稳定性分析中，一般先按照尾矿库的设计坝高和库容大小确定尾矿库的安全等级，再根据尾矿库的安全等级查表确定尾矿坝抗滑稳定的安全系数。

（二）荷载工况的确定

根据《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1—90）中要求，尾矿坝稳定性计算（静力分析与拟静力分析）的荷载分为5大类，即：①筑坝期正常高水位的渗透压力；②坝体自重；③坝体及坝基中的孔隙水压力；④最高洪水位有可能形成的稳定渗透压力；⑤地震荷载。根据尾矿库不同运行情况及现场实际状况，可按表1进行组合。

表1 尾矿库稳定性分析的荷载组合

（三）确定计算剖面

确定计算剖面很重要，在稳定性分析之前，应将工程地质勘察作为整个坝体稳定分析的一部分。尾矿坝的工程地质勘察是为稳定性分析提供基础资料。所以，在布置勘探工作时应综合考虑，使获取的勘察资料不仅全面真实可靠，而且要实用。例如，勘探剖面应尽量与尾矿坝轴线垂直，一般布置3个勘探剖面，其中1个为主剖面。

三、基于渗流理论的尾矿库稳定性分析

（一）尾矿库的浸润线

1、影响浸润线的因素

浸润线是反映坝体渗流的特征线，浸润线的位置是坝体排水性能的综合反映。在影响尾矿坝稳定的诸因素中，浸润面位置的高低是极为重要的因素之一。由于浸润线位置的高低取决于矿渣的物理力学特性、渗透性能、排水设施的布置等要素，在实际工程中，为了降低浸润线位置，降低坝体渗透压力，提高上游式尾矿坝的动力稳定性，对于浸润面高低的控制主要从渗透系数、干滩长度、坝体分块材料的各向异性以及排渗设施等要素进行控制。

不同坝体位置处，筑坝材料对浸润线的影响也各有差异。一般来说，尾矿坝筑坝材料的渗透系数在100-4cm/s左右。对初期坝而言，渗透系数越小，受坝体的不透水性影响，浸润线会抬高，易造成渗流沿坝顶逸出，对坝体造成严重破坏。对于坝体人渗区，渗透系数越大，浸润线越高。对于由不同渗透系数的矿渣填筑的尾矿坝，对浸润线的影响也有所差异。上下层渗透系数之比越大，下层阻水能力加强，浸润线就会有抬高趋势，且由上向下延伸，使得下层的阻水作用在上游发展。在尾矿坝出口区，浸润线会随渗透系数的降低而明显抬高，且随着渗透系数的逐步减小，浸润线将从下游向上游延伸。

（二）浸润线的计算

根据《选矿厂尾矿设施设计规范》，结合实际的勘察资料，在合理分析各项因子对浸润线影响机理的基础上，对不同运行条件下的坝体浸润线进行计算。

首先根据尾矿坝的相关参数确定坝体的等级，在确定化引滩长和化引库水位之后，就可以得到浸润线方程。以坝基不透水、无排渗措施的均质尾矿坝为例，其浸润线方程为：

式中：hi为化引库水位，且，其中H为实际库水位；Lc为实际滩长，即干滩长；m为下游坡度系数；m0为沉积滩坡度系数；L为化引滩长；a为出逸点高度，且。

选取不同工况下的水位，如正常运行水位、校核洪水位等，根据上式即可推求尾矿坝的浸润线，将求得的浸润线与勘察观测的实际浸润线进行对比分析，来验证所求浸润线的合理性，如果二者之间能有较好的吻合，说明影响浸润线的各参数选择合理，否则，应该结合各项因子对浸润线的影响关系，调整参数或者设置排水措施，使得二者能够较好的吻合。

（三）稳定性分析

1、计算模型及参数选取

（1）计算模型的选取

某尾矿库为山谷型，坝轴线只有150m，随着尾矿库坝体的逐渐堆高，轴线也会增加，但由于山谷两边山坡坡度大，横剖面为“V”字型，总体而言，坝轴线不能增加太长。计算选择的主剖面坝址处标高1135.5m，坝顶标高1300m，库内水位标高1290m，尾矿库沉积滩分别按700m和150m进行计算。计算采用 STAB2005二维分析软件。

（2）计算参数的选取

在上游式尾矿库坝体稳定计算分析时，坝体各种材料的物理力学参数是基础性数据，因此选取合理的计算参数至关重要。根据中国地震区划分，该尾矿库属于地震活动强烈的华北地震区汾渭地震带，地震基本烈度为 7 度。尾矿物理力学指标按照工程地质资料提供的参数进行计算。

由于该尾矿库初期坝坝体是透水堆石坝，因此按照类似坝体选取参数。各物理力学指标取值： 容重为21.0g/cm3，内摩擦角为38°，内聚力为0。

2、坝体稳定性计算

（四）结果分析

1、通过计算可得，各种方法的安全系数均大于1.25，满足《尾矿库安全技术规程（ AQ 2006—2005） 》中的最小安全系数要求。计算剖面图显示最危险滑面从初期坝体坝顶穿过，主要是由于堆积尾矿形成的坝体坡度较缓，稳定性较好。

2、通过稳定性分析，当浸润线超过 6.0 m时，坝体在动力状态下不能满足规范要求，坝体稳定状态较差，因此为了增大安全储备，提高尾矿堆积坝稳定性，必须加强排渗，降低坝体浸润线高度（应将坝体浸润线控制在6.0m以下）。

3、要保证坝体安全系数满足规范要求，必须保证坝体排渗设施安全有效运行，及时降低坝体浸润线高度。如果排水设施失效，将导致初期坝附近孔压增大，坝体安全系数降低。因此，控制坝体浸润线高度，保证排洪系统和排渗设施运行正常，对尾矿坝稳定性非常重要。

参考文献：

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[2]冯志刚，朱俊高，陈晓明.堆石坝加筋坝坡稳定性数值模拟研究[J].防灾减灾工程学报，2008.28.

[3]祝进兵，孙亮，郑小毅，卢雪松.某尾矿坝抗滑稳定性分析[J].中国水运，2007.5.