尾矿库坝外排土压坡对其稳定性影响的数值分析

2014-04-02吕淑然赵学龙

中国矿业 2014年5期

吕淑然，赵学龙

(1.首都经济贸易大学，北京 100070；2.承德正通环境工程设计有限责任公司，河北承德 067002)

矿山在开采过程中必然产生大量废弃岩土，其堆存不仅占用大量土地、农田，而且还将影响和破坏环境，大量堆存废石的排土场由于管理及工程技术原因还会引发滑坡、泥石流等安全问题[1]。随着矿山的多年开发，在矿区附近寻找适宜建造排土场的场所越来越困难。为了解决排土问题，矿山企业拟在运行的尾矿库坝外排土压坡。其目的在于在增强尾矿坝抗滑稳定性的同时，解决矿山部分排土问题，降低矿山经营成本。但是，排土压坡方案是否可行以及由其涉及到的安全问题则亟待论证。

尾矿库坝外排土压坡不同于尾矿坝及其他一般滑坡工程整治中的压坡，大量排土压坡的适用条件和要求在我国《尾矿库安全规程》(AQ2006-2005)中并无相关规定，同时国内外也无相关类似工程经验可共参考。因此，急需对尾矿库坝外排土压坡涉及到的安全问题进行研究与论证，以探讨尾矿坝外排土压坡的安全性和可行性。

1 尾矿库坝外排土压坡方法简介

压坡方法一般用于治理边坡，即用废石和表土压住高陡边坡的坡脚，使之形成稳定的缓坡，消除边坡滑塌的安全隐患[2]。在尾矿库运行过程中，由于种种原因，尾矿坝抗滑稳定安全系数不能满足《尾矿库安全规程》相关规定的要求。按照规定应对尾矿坝进行整治，其中压坡是最为常见的工程措施之一[3]。

尾矿库坝外排土压坡不同于尾矿库整治工程的压坡。在压坡材料的选择方面：前者选用露天矿山剥岩的土石，材料成分复杂，其排水性能较差，施工方式与常规排土方式作业相同；而后者一般要求选择较规则的块石，自下而上施工，其目的是提高尾矿库基础坝的强度，规则块石形成的压坡体具有良好的排水性能。在对坝体结构影响方面：前者不仅是加固尾矿坝，而且还要解决矿山采矿大量排土问题，其实质是建造一座位于尾矿坝之上的排土场，从本质上改变了尾矿坝坝体的基本结构；而后者主要是自尾矿库初期坝开始，压坡数个子坝，其压坡厚度及高度均由设计给出，且量不大，不会从本质上改变尾矿坝坝体基本结构。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本文以顺达尾矿库为例进行研究。目前尾矿坝堆积坝标高782.0m，自初期坝坝顶710.0m标高起算的尾矿堆积高度为72.0m，自初期坝坝底692.0m标高起算的现状坝高为90.0m，现状尾矿库全库容为1000万m3，三等库。

初期坝(已被排土场废石掩埋)坝顶标高710.0m，坝基轴线处坝底标高692.0m，坝高18.0m，坝顶宽约6.0m，坝顶全长约166.0m，外坝坡坡比1∶2.5，内坝坡坡比1∶2.0。初期坝上下游坡脚处设置排渗棱体，坝基底部通过排渗盲沟将其连通。

尾矿堆积坝坝顶长约750m，呈不规则折线形，自初期坝坝顶710.0m标高起算的现状尾矿堆积高度为70.0m。由于该库初期坝和710～734m标高之间的尾矿堆积体已被废弃土石掩埋(现已不可见)。从坝体稳定性角度上讲，这种填埋压坡对初期坝体及尾矿坝部分堆积坝体起到了很好的压重加固作用。

矿山企业拟在尾矿库坝外排土压坡，压坡台阶高程740m，压坡高度为87m，坡脚至基础坝为220m，坡比1∶5，坡角11°。

2.2 排土压坡对尾矿坝稳定性影响的数值分析

尾矿库坝外排土压坡的土石在增加尾矿坝下游抗滑稳定性的同时，又在尾矿坝外增加了一道排水过滤坝体，增加的排水过滤坝体势必对尾矿坝原有排渗系统产生一定影响。另外，大量岩土堆积形成的压坡体实际上又是坐落在尾矿库上的排土场，由于尾矿坝内有持续性渗水排出到压坡体底部，导至压坡体的运行状况与常见排土场也有所不同。因此，为了更清楚地了解排土压坡对尾矿库渗流场及稳定性的影响，下面采用由加拿大Geostudio公司出品的软件Geostudio/slope/seep有限元分析软件进行计算分析。

2.2.1 尾矿坝计算模型

计算模型长度取尾矿坝外坡面投影长的三倍，分别建立无排土压坡的尾矿库模型(图1)和有排土压坡的尾矿库模型(图2)，其中图2中排土压坡的外坡比1∶5，坡角11°，压坡土体下部透水大石块层厚2～3m。尾矿库库区各岩土层计算参数见表1。边界条件为：尾矿库后侧即库区尾水澄清区取为定水头边界，水头高度为计算模型高度；尾矿水的渗流出逸点取为尾矿库初期坝的外坡脚处，该处边界条件也取为定水头，水头高度与初期坝外坡脚平齐。计算类型为稳定渗流。

图1 无排土压坡的尾矿库有限元模型

图2 有排土压坡的尾矿库有限元模型

表1 有限元模型材料计算参数

2.2.2 计算结果及分析

选取坝体坡比最大的断面即最危险断面作为坝体稳定性的计算断面，即只要此断面满足安全要求，则可认为整个尾矿库都处于安全状态。

2.2.2.1 排土压坡对坝体浸润线影响分析

图3为有、无排土压坡时的尾矿库坝体浸润线图。从图3中可以看出，由于排土压坡的存在，改变尾矿坝原有排渗结构，从而改变了尾矿库原本的渗流场，使得原尾矿坝坝体的浸润线的埋深有了较大升高，浸润线已经位于基础坝之上。但由于压坡土体底部2～3m厚石块透水层的存在，尾矿库的积水可以从石块透水层中排出，不会造成压坡土内的大量积水。

图3 两种不同工况下的尾矿库坝体浸润线

2.2.2.2 排土压坡对坝体孔隙水压力影响分析

图4为有、无排土压坡的尾矿库坝体孔隙水压力图。无排土压坡的尾矿库坝体孔隙水压力范围为-503.4kPa～882.6kPa，而有排土压坡的尾矿库坝体孔隙水压力范围变为-535.8kPa～882.6kPa。即，尾矿坝外排土压坡后，坝体底部所受到的压力明显增高，但是坝体表层的压力却明显减小，这表明矿坝外排土压坡提高了尾矿坝砂体部分的稳定性。

图4 两种不同工况下的尾矿库坝体孔隙水压力

2.2.2.3 排土压坡对坝体抗滑安全系数影响分析

图5为有、无排土压坡的尾矿库坝体整体抗滑安全系数以及压坡土体自身稳定性分析结果。从图5可知，排土压坡后，尾矿坝坝体的抗滑安全系数由1.225增加至1.915，整个坝体的稳定性有了较大提高。压坡土体自身的抗滑稳定性系数为1.496，高于《金属非金属矿山排土场安全生产作业规则》(AQ2006-2005)[4]对正常排土场抗滑安全系数1.15的要求。

2.2.2.4 压坡土体对坝体渗透性影响分析

排土压坡后，尾矿坝的整体排渗取决于压坡排土体底层的排渗效能，为了提高排土压坡体的排渗性能，要求在清理排土体底层第四系腐殖土的基础上，铺设2～3m大块石层。如若出现压坡土体底层的排渗效果较差或坝体底部第四系土清理不彻底时的尾矿库渗流及坝体稳定性计算结果如图7所示。

图5 两种不同工况下的尾矿库坝体抗滑稳定性

图7 尾矿坝抗滑稳定性分析

图7为排土体排渗效果较差时的坝体稳定性分析结果，可以看出当排土体排渗效果较差时，尾矿坝整体安全系数下降为1.564，压坡土体的抗滑稳定系数降低为1.028。实际上，此时的压坡土体已具备发生滑坡、坍塌的可能。

以上分析表明：压坡土底部的石块层的排渗效果较差或坝底第四系腐殖土清理不彻底时，则极易造成压坡土体内的含水量增加，渗润线升高，最终可能引发排土体坍塌、滑坡，甚至诱发尾矿坝发生垮坝的危险。为了使压坡排土体有着良好的排渗效能，应清理底层植被和第四系软弱层土(《金属非金属矿山安全规程》(GB16423-2006)[5]第5.7.2规定)，并在其上铺设2～3m大块石层是保证压坡成功的关键。