尾矿坝干滩长度确定方法及影响因素分析

李 权，党发宁，郭振世，任 吉力

（1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安710048；2.金堆城钼业集团有限公司，陕西华县714102）

尾矿坝干滩长度确定方法及影响因素分析

李 权1，党发宁1，郭振世2，任 吉力1

（1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安710048；2.金堆城钼业集团有限公司，陕西华县714102）

针对目前尾矿坝干滩长度无统一控制标准的现状 ，提出了根据允许水力坡降、允许最大流量、浸润面埋深以及边坡稳定性等判据确定尾矿坝干滩长度的方法。分析了尾矿渗透系数、尾矿填筑速度、排渗设施以及尾矿坝坝高等因素对尾矿坝干滩长度的影响：当尾矿的渗透系数较小、尾矿填筑速度较快、排渗设施效果较差以及尾矿坝坝高较高时，应适当增加尾矿坝的干滩长度。分析表明 ，依据文中所提判据可以很好地确定尾矿坝的干滩长度，相对于传统方法提高了计算精度 ，该方法具有一定的可行性可靠性。

尾矿坝；干滩长度；确定方法；影响因素

尾矿坝工程中，干滩长度是指堆积坝坝顶到库内水边线的距离，是评价尾矿库安全稳定的一个重要参数［1］。《尾矿库安全技术规程》［2］（AQ2006－2005）明确规定了各等级尾矿库的最小干滩长度。尾矿坝工程是一项非常复杂的系统工程，其生产、服务年限通常比较长，尾矿料的渗透固结特性比较复杂，坝体排渗设施的效果难以预测，浸润线埋深受干滩长度的影响比较大。而实际工程中的干滩长度，大多是设计者在规范的基础上依靠经验而定，由于影响坝坡稳定性的因素很多，因此，准确尺度往往很难把握。

本文在此背景下，从规范规定、坝面水力坡降、坝体渗透流量、浸润面埋深及边坡稳定性等几个方面提出了确定尾矿坝干滩长度的方法，并探讨了影响尾矿坝干滩长度控制标准的影响因素，对实际工程有一定的指导意义。

1 干滩长度确定方法

1.1 《尾矿库安全技术规程》［2］（AQ2006－2005）标准

规程规定二等上游式尾矿坝的最小安全超高为1.0m，最小滩长为100m。

1.2 允许水力坡降判据

渗透稳定是尾矿坝安全控制中最重要的问题之一，在筑坝材料和排渗设施已定的情况下，干滩长度直接影响坝体的浸润线埋深，进而影响坝体各关键位置的水力坡降，为了保证尾矿坝的安全稳定，要求将尾矿料各关键位置的逸出水力坡降 ie限制在允许水力坡降［i］之内［3］，即：

式中：icr为临界水力坡降；Fs为安全系数，常取2.0～2.5。

1.3 允许最大流量判据

尾矿坝渗流量的控制以降低坝体的浸润线为目的，但其值不宜过大，否则容易发生渗透破坏。可按下式估算坝体的总渗流量［4］：

式中：k为尾矿料的平均渗透系数（m／s）；A为尾矿坝的最大过流断面（m2）。

通过模型预测，对比不同干滩长度下坝体的渗流计算结果，以尾矿坝中各关键位置的水力坡降和坝体的总渗透流量两个量值为判据，结合坝体内孔隙水压力、浸润线埋深进行综合分析，可给出坝体的安全干滩长度。

1.4 浸润面埋深判据

文献［5］规定尾矿坝的浸润面最小埋深为6 m～8m。为确保坝体安全稳定，浸润面埋深应留有足够的富余。浸润面离坝坡距离越长，对坝体安全稳定越有利，但过分追求浸润面的埋深会增加对排渗设施的投资。

1.5 边坡稳定性判据

规程［2］规定尾矿初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定性计算宜采用瑞典圆弧法，当坝基或坝体内存在软弱土层时，可采用改良圆弧法。

瑞典圆弧法假定滑动土体为一个刚体，当边坡失稳时，土体绕一圆心发生转动。土体的安全系数定义为抗滑力矩与滑动力矩的比值［6］，如下式所示：

式中：MR为抗滑力矩；MS为滑动力矩。

规程同时规定二等尾矿库正常运行时的坝坡最小安全系数为1.25。

2 影响干滩长度控制标准的因素分析

2.1 尾矿渗透系数的影响

由上游式尾矿坝的沉积规律［7］可知，堆积尾矿的渗透系数呈现库前大、库尾小、坝面大、坝底小的特点。因此，尾矿库的上部为主要渗透区，当干滩长度较短时，尾矿放水的渗透程度高，容易抬高浸润面，坝体趋于不稳定。适当增加干滩长度后，尾矿放水的入渗点位于渗透系数较小的堆料区，从而可以减小尾矿堆积坝的渗透量，也能减小坝体的平均水力坡降，坝体趋于稳定。

2.2 尾矿坝填筑速度的影响

尾矿堆积初期，尾矿坝的填筑速度通常比较大，但此时尾矿料的渗透系数较大，坝体内超静孔隙水压力下降较快，较短的干滩长度也可以满足坝体的稳定要求；当尾矿堆积至中后期，坝体高度相应增高，前期堆积的尾矿由于固结作用渗透系数有所减小，此时坝体的超静孔隙水压力消散较慢，在一定的干滩长度下应适当的控制尾矿的填筑速度。

2.3 排渗设施的影响

排渗设施对尾矿坝浸润面的埋深影响非常大，尾矿坝的排渗设施主要有水平排渗、竖向排渗和竖向水平组合排渗三种基本类型［8］。排渗设施排渗效果较好时，坝体的浸润面埋深可以控制在安全范围内，干滩长度可以适当减小；排渗设施的排渗效果较差时，坝体的浸润面会有所抬高，此时只能通过增加干滩长度来增加坝体的稳定性。

2.4 尾矿坝坝高的影响

尾矿坝坝内的浸润面会随着尾矿堆积子坝的不断堆筑而抬升，可能在堆积坝面形成渗流出口，影响坝体的稳定［9］；另外，尾矿坝坝高越高，其上下游水头差越大，坝体的饱和区越大，如果尾矿坝干滩长度不足，尾矿砂液化的产生和发展将对坝体的安全稳定极为不利［10］。由此可见，当尾矿坝坝高较高时，为保证坝体安全，应适当增加干滩长度。

3 数值计算验证

3.1 工程背景

该尾矿坝为上游式山谷型尾矿坝，初期坝为透水堆石坝，坝底标高1 012.0m，坝顶标高1 080.0m，初期坝高68.0m，尾矿最终堆积标高1 203.0m，尾矿堆坝高度123.0m，总坝高191.0 m，堆积坝平均外坡比为1∶5.0，沉积滩平均坡比为3∶100，设计库容为2.35×108m3，设计有效库容为2.0×108m3，服务年限24.3 a。为二等尾矿库，构筑物级别为二级，其平面位置布置图如图1所示。

图1 某尾矿坝平面位置布置图

该尾矿坝坝高较高，库容较大，为保证大坝的稳定安全，欲联合采用沿坝体铺设水平竖直排渗管和控制干滩长度的措施。排渗管受施工技术、颗粒淤堵［11］等的影响，其效果常常难以预测，本文即在此基础上探索该尾矿坝的干滩长度控制标准。

3.2 材料分布与计算参数

本文根据上游式尾矿坝的沉积规律，按分区选取尾矿料渗透系数的方法［12－14］，自下游至上游依次将尾矿分为尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉土和尾粉粘五种材料，将上述五种尾矿料按沉积时间的不同，又各自分为A、B、C、D四个区。计算模型的材料分区和渗透系数见图2和表1。

图2 典型剖面及材料分区示意图

表1 渗透系数选取表

3.3 排渗管的处理

本文按面积等效原则［15］，将圆形的排水孔简化为矩形截面在模型中进行实体建模，为了真实地反映排渗管的排水效果，采取赋予较大渗透系数的方法，本文取1 cm／s。

3.4 数值模型与网格划分

利用Seep－3D有限元渗流计算软件按图1及剖面详图建立数值计算模型，按六面体八节点单元进行网格剖分，共划分单元95 446个，节点105 546个，计算模型与网格划分见图3。

图3 计算模型与网格划分图

3.5 干滩长度结果分析

本文在三维有限元渗流计算结果的基础上，利用强度折减法计算了该尾矿坝在不同干滩长度下的边坡最小安全系数。尾矿坝堆积至1 203 m高程时各种计算参数随干滩长度的变化规律如图4所示。

（1）随着干滩长度的增加，尾矿坝坡面的最大水力坡降有明显的减小。为保证大坝的安全稳定，本文的允许水力坡降按0.12考虑。干滩长度为100 m时，坝面最大水力坡降为0.14，坝体处于不稳定状态；干滩长度超过150 m后最大水力坡降小于0.12，坝体处于稳定水平，说明干滩长度超过150m后均能满足渗透稳定性要求；

（2）按表2取各尾矿料的平均渗透系数 k为2.88×10－4cm／s，允许水力坡降［i］按0.12考虑，尾矿坝沉积滩最大过流断面进行地形概化后断面面积A为3.80×105m2，按式（2）估算的坝体总流量为：

图4 各计算参数随干滩长度的变化曲线

由图4（b）可以看出，随干滩长度的增加，坝坡的总渗流量有明显的减小。干滩长度为100m时渗流量为174.26 L／s，渗透流量偏大；干滩长度为150 m时渗流量为155.04 L／s，略大于估算值，认为干滩长度应控制在150m以上；

（3）干滩长度由小到大变化时，尾矿中的浸润线至大坝坡面的距离由10.41m增加到65.06m，说明干滩长度对浸润线的位置影响很大，浸润线的退后对大坝的稳定安全有利；干滩长度为50m、100m、150m时的浸润面埋深分别为10.41 m、13.86 m、18.70m，均能满足文献［5］规定的6 m～8 m的要求，但浸润面的埋深应留有一定的富余，如按15 m埋深考虑，该尾矿坝的干滩长度应控制在150 m左右；

（4）边坡稳定计算结果说明，危险滑弧面位于初期坝与堆积坝接触部位，由于堆积坝坝面坡度较缓，其安全系数较高。干滩长度由小变大时，尾矿坝最小安全系数变化不是很大，均大于规程［2］规定的1.25，主要是因为初期坝部位的浸润面埋深较深，孔隙水压力对坝坡的失稳贡献值不是很大。说明边坡稳定性控制标准不是确定该尾矿坝干滩长度的控制性标准。

由以上分析可知，不同的判据所确定的干滩长度有所差别，这充分说明了尾矿坝工程的复杂性。结合规程［2］规定，确定该尾矿坝的干滩长度为150m。

4 结 论

（1）本文提出了根据允许水力坡降、允许最大流量、浸润面埋深以及边坡稳定性等判据确定尾矿坝干滩长度的方法。

（2）研究了尾矿渗透系数、尾矿填筑速度、排渗设施以及尾矿坝坝高等因素对尾矿坝干滩长度控制的影响。当尾矿的渗透系数较小、尾矿填筑速度较快、排渗设施效果较差以及尾矿坝坝高较高时，应适当的增加尾矿坝的干滩长度。

（3）通过一个实例工程验证了本文方法的可行性和可靠度。根据本文提出的方法，确定该尾矿坝的干滩长度为150m；根据规程［2］规定，该尾矿坝最小干滩长度100 m。为保证坝体稳定，确定该尾矿坝的干滩长度为150m。建议采用本文方法确定尾矿坝的干滩长度。

［1］ 齐清兰，张力霆.尾矿库渗流场的数值模拟与工程应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］ 国家安全生产监督管理总局.AQ2006－2005.尾矿库安全技术规程［S］.北京：煤炭工业出版社，2005.

［3］ 谢小妍.土力学［M］.北京：中国农业出版社，2006.

［4］ 毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京：水利电力出版社 ，1990.

［5］ 尾矿设施设计参考资料编写组.尾矿设施设计参考资料［M］.北京：冶金工业出版社，1980.

［6］ 殷宗泽.土工原理［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［7］ 徐宏达.上游式尾矿坝的沉积规律［J］.有色矿山，2003，32（5）：40－43，49.

［8］ 周汉民.尾矿库建设与安全管理技术［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［9］ 梁 亮，沈振中，王 东，等.尾矿坝排渗墙渗流控制效果计算分析［J］.水电能源科学，2011，29（4）：89－91.

［10］ 胡再强，李宏儒，陈存礼，等.栗西尾矿坝地震反应分析和稳定性评价［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2010，38（9）：215－221.

［11］ Xu Zengguang，Wu Yanqing，Wu Jun，et al.A model of seepage field in the tailings dam considering the chemical clogging process［J］.Advances in Engineering Software，2011，42（1）：426－434.

［12］ 郭振世，速宝玉，仵彦卿，等.栗西尾矿坝三维渗流预测与控制研究［J］.西安理工大学学报，2009，25（2）：160－163.

［13］ 郭振世，仵彦卿，詹美礼，等.高堆尾矿坝堆积特性及三维渗流数值分析研究［J］.水土保持通报 ，2009，29（3）：188－192.

［14］ 郭振世.高堆尾矿坝稳定性分析及加固关键技术研究［D］.西安：西安理工大学，2010.

［15］ 田春亮，赵宏斌，郭 娟，等.某尾矿坝三维有限元渗流分析［J］.水利与建筑工程学报，2010，8（5）：121－123.

Determination Method for Beach W idth of Tailings Dams and Its Influence Factors

LIQuan1，DANG Fa－ning1，GUO Zhen－shi2，REN Jie1
（1.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an，Shaanxi 710048，China；2.Jinduicheng Molybdenum Group Co.，Ltd.，Huaxian，Shaanxi714102，China）

At present，there is no unified standard for beach width of the tailings dams.Taking the allowing hydraulic gradient，allowingmaximum flow，depth of the saturation and slope stability into account，amethod was put forward to determine the beach width.The influences of the permeability coefficient，the filling speed，the drainage facilities and the tailings dam heightof the beachwidthwere analyzed.The resultsof this study showed that the beachwidth should be expandedwhen the permeability coefficient is smaller，tailing filling is faster，effect of the drainage facilities is poor or the heightof the tailings dam is higher.The resultof example analysis indicates that themethod suggested by this study is feasible and reliable.Comparingwith the conventionalmethod，it ismore accurate at determining the beachwidth.

tailings dam；beach width；determinationmethod；influence factors

TV649

A

1672—1144（2014）04—0014—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.003

2014－04－03

2014－04－25

水利部公益性行业科研专项（201201053－03）；陕西省黄土力学与工程重点实验室重点科研计划项目（09JS103）

李 权（1989—），男 ，陕西西安人 ，硕士研究生 ，研究方向为岩土及水利工程数值仿真分析。