废石中线法在强震区高尾矿坝建设中的应用

崔 旋，周汉民，甘海阔

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

废石中线法在强震区高尾矿坝建设中的应用

崔 旋1，2，周汉民1，2，甘海阔1，2

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

针对强震区高堆尾矿坝建设的特点，在总结分析国内尾矿坝抗震经验的基础上，提出了一套以废石中线法为主、多种加固措施为辅的筑坝思路。从渗流、稳定等方面，对拟建于云南某沟谷内的高堆尾矿坝的抗震能力进行了研究和分析。研究结果表明，废石中线法具有浸润线低、稳定性好、不易液化等特点，9级地震设防条件下坝体最小安全系数为1.096，能够满足相关规范要求。该成果对于今后地震区特别是强震区高尾矿坝的设计、建造以及抗震加固等具有指导意义。

尾矿坝；强震区；废石中线法；稳定分析

地震灾害作为一种严重的自然灾害，一旦发生便会带来惨重的损失。纵观国内外尾矿库工程，因地震遭受破坏的事例屡见不鲜。如1978年日本的Mochikoshi 1＃尾矿坝由于地震液化破坏，2＃尾矿坝在地震后约24 h倒塌［1］；1965年智利La Ligua地震中Cobre尾矿坝溃坝［2］；2008年我国四川汶川地震中也出现了大量尾矿坝震害，需及时加固的实例。据统计［3］，截至2012年底我国共有尾矿库12 273座，绝大多数为上游式堆坝的尾矿坝。Vick指出［4］迄今所报道的所有在地震中发生流动破坏的尾矿坝都是用上游法建造的，这种堆坝方法坝体沉积密度一般偏低，浸润线偏高，渗流难以控制，大部分坝体处于饱和状态。文献［5-6］试验证明，饱和尾砂具有不稳定结构，对振动荷载非常敏感，在地震中很容易发生液化和破坏性变形。国外对在强震区修筑上游法尾矿坝表示怀疑，从稳定性考虑认为大型尾矿坝最好不要采用上游法［7］。因此，开发安全高效的高震区尾矿堆存技术一直是国内矿业界追求的目标。位于云南省境内的某尾矿库，由于地处9度地震烈度区及高堆坝的要求，其坝体抗震措施决策及抗震稳定性成为了工程建设成败的关键。为此，本文在分析以往工程经验的基础上，提出了一种应用废石中线法的尾矿坝建设方案，并通过稳定性计算验证了该坝型抗震的有效性及边坡的稳定性。成果可为今后高地震烈度区高尾矿坝的建设决策提供指导。

1 工程背景

该尾矿库位于云南省东川区境内东北部一沟谷内，库区沟底平均坡降约3%，沟谷上游窄、下游宽，呈“V”字型结构，最窄处仅为27m，最宽处约为130 m。谷底和沟谷两岸分水岭高差200～400m，两侧地形坡度均较陡，坡度大多在45°～55°，局部形成坡度大于65°的陡壁，属构造剥蚀中等切割中低山地貌。坝址处为第四系泥石流堆积卵砾石含砂，松散—中密状态，厚度0.00～47.50m，两侧薄，中间厚，不均匀夹薄层砾砂。两侧坡脚出露古生界二叠系上统玄武岩组（P2β）玄武岩。

根据选厂生产工艺及尾矿库服务要求，该尾矿库的建设存在三方面的特点：1）入库尾矿粒度细，其中粒径d＜0.019mm的含量为31.4%，粒径d＞0.037mm的含量为45.3%，粒径d＞0.074mm的含量为21.8%；2）生产规模大，选厂生产规模为15 000t/d，年产尾矿量367万m3；3）地震烈度高，9度地震区。为满足选厂生产要求，尾矿坝还需设计为高堆坝，最大坝高为110m。为此安全、合理、有效地堆坝抗震措施决策成为了尾矿坝建设的关键问题，必须开展相关研究分析，以保证坝体稳定性的要求。

2 国内强震区尾矿筑坝经验

一般来说，地震对尾矿坝的破坏具有以下方面的特点［8］：1）尾矿坝的破坏是尾矿的液化引起的；2）尾矿坝的破坏形式表现为流滑；3）遭地震破坏的尾矿坝，其坝坡坡度大都在30°～40°；4）停用或不用的尾矿坝的地震稳定性比正在使用的要高一些。基于以上特点，在我国高地震烈度区尾矿坝建设中也积累了一些经验：

1）干堆。与常规的尾矿处理方式相比，其最大特点是尾矿入库的水分很少或者没有，库内不存积水，坝体内没有浸润线，地震时不会产生液化现象，抗震安全度较高。但其尾矿运行成本过高，细粒尾矿压滤效率低，且不适用于多雨地区［9］。

2）中线法。采用旋流器分离粗粒级尾矿筑坝，其抗震性能主要表现在两个方面：一是粗尾矿渗透性强，坝体浸润线低；二是研究表明［10］细粒尾矿（-0.074mm）含量在25%～35%时材料的抗液化能力最强，与中线法筑坝尾砂粒径要求基本一致。但目前在中线法的实践中也出现了一些问题，如砂量不足、下游坝体坡面上陡、下缓，暴雨时坝面拉沟严重，存在一定的安全隐患。

3）一次性堆坝。多采用分期建设堆石坝堆存尾矿。由于它自身的筑坝孔隙率在20%～28%，号称“柔性坝”，因此其适应地基变形能力很强，能较好地抵抗地震波的震荡作用。但其坝体体积相对较大，坝体建设成本高，使得该坝型在实际应用中使用较少。

4）其它抗震加固措施。如加强排渗降低坝体浸润线，采用分级冲积筑坝法形成足够宽的坝硬壳，放缓坝坡或施加反压体提高坝体稳定性，土工格栅或碎石桩加固坝体等。

3 废石中线法在强震区高尾矿坝中的应用

针对本工程所处9度地震区堆高坝的实际情况，综合分析以上抗震措施：一是利用碾压堆石坝优良的抗震效果；二是中线法堆坝浸润线低、抗震性能好；三是各项抗震措施的加固作用。本文结合库区下游已形成的充裕泥石流堆积料（卵砾石料）及现场工程地质地貌特征，提出该尾矿坝可采用以废石中线法为主、多种加固措施为辅的筑坝思路，形成的废石中线法尾矿坝最大坝高为110m。具体情况如下：

1）初期坝采用碾压废石坝，坝高50m，坝顶宽8 m。上游坡脚及基底设置防渗设施以防止尾矿库运行初期发生跑混。其后采用废石中线法分级加高，每级坝高15m，顶宽10m，自下而上分层碾压。上游坡比1︰2，坝基尾砂部分采用块石分层碾压夯实至承载力达300kPa以上。下游坝坡比1︰2.5，设“之”字形上坝公路，筑坝工艺如图1所示。

图1 废石中线法尾矿坝剖面图Fig.1 Sketch of centerline embankment tailings dam by using waste rock

2）为加速库内尾砂固结，降低坝体内浸润线，于每级中线法坝前设多层排渗盲沟。

3）大坝对地震波具有放大效应，坝顶加速度较大。在大坝遭遇强震作用而发生破坏时，破坏将首先从坝顶部开始。为此，在中线法坝体外坡设置土工格栅加筋，格栅水平铺设于坝体内，竖向间距为2 m，加筋层数23层，最大加筋长度50m。

4）在每期中线法加高堆坝，坡脚外侧设置长50 m、高10m的压载平台，平台外坡坡比为1︰2.5。

4 坝体稳定性计算分析

4.1 计算模型及参数

为充分论证该坝型在9度地震区的适用性，根据尾矿库地质资料及库型条件，选取尾矿坝典型剖面开展渗流计算及坝体稳定性分析，计算范围：左右宽共1 300m，底部取至基底玄武岩层。采用4节点等参单元，模型共3 772个单元、3 776个节点。计算参数根据工程地质勘查报告及相关试验获得，如表1所示。

表1 尾矿坝体物料及地基物理力学参数Table 1 Physical and mechanical properties of foundation and materials in tailings dam

4.2 计算结果

利用有限元计算软件对尾矿坝不同运行工况进行渗流数值模拟，计算中考虑初期坝内坡脚防渗及坝体内部排渗设施，得到正常水位及洪水位运行工况下的渗流场如图2、3所示。

图2 正常水位运行坝体压力水头等值线（单位：m）Fig.2 The distribution of water head line in tailings dam under normal production level

从图中看到，由于尾矿与废石坝体材料渗透参数差异性较大，浸润线由尾矿进入坝体后迅速下降至坝体底部。比较洪水位工况计算结果，浸润线在废石坝体内部上升幅度不明显。坝体内部浸润线埋深较大，最高处距坝底约15m，之后沿坝体下游下降至库底排出。

以渗流计算为基础，参照《尾矿设施设计规范（GB50863-2013）》要求，分别采用瑞典圆弧法以及简化Bishop法对尾矿库运行的正常工况、洪水工况以及地震工况等开展稳定性分析，其中地震工况选取工程场地50年超越概率5%时水平向地震加速度为0.48g。计算结果见表2，图4为各工况下坝体最小安全系数计算结果。

图3 洪水位运行坝体压力水头等值线图（单位：m）Fig.3 The distribution of water head line in tailings dam under flood level

表2 坝体稳定性计算结果Table 2 The results of dam stability calculation

图4 坝体最小安全系数计算结果Fig.4 Minimum safety factor calculation results of tailings dam

从以上计算结果来看，坝体抗滑稳定计算滑弧主要穿过中线法废石坝体及地基两部分，对库内尾砂力学强度影响不大。比较各工况计算结果，地震作用下的坝体稳定性安全系数最小，两种方法计算出来的最小安全系数分别为1.098、1.163，均能满足规范的要求，尾矿坝的稳定性是有保障的。

5 结论

本文在总结国内强震区尾矿坝建设经验的基础上，提出了以废石中线法为主的尾矿坝筑坝思路。并运用有限元分析软件对该尾矿坝进行了渗流场模拟及稳定性分析。通过上述计算及分析，有下列几点认识：1）废石中线法结合中线法与碾压堆石坝良好的抗震性能，不直接采用尾砂筑坝，能够较好地解决高地震烈度区高尾矿坝建设所面临的问题。

2）从坝体渗流计算及稳定性分析来看，废石中线法具有浸润线低、稳定性好、不易液化等特点，在9度地震情况下各项指标均能满足要求。

3）废石中线法坝体稳定性主要受中线法坝体及地基条件制约，实际应用中可通过控制筑坝材料粒径及碾压指标、坝体土工格栅加筋、加固地基等措施提高尾矿坝综合抗震能力。

4）从拟静力法的角度分析了废石中线法坝体在地震作用下的稳定性，但尚未考虑坝体在连续地震荷载作用下的动力响应、孔压增长规律及液化区范围，其具体情况还有待开展相关试验及理论研究进行确定。

［1］Ishihara K.Post-earthquake failure of a tailings dam due to liquefaction of pond deposit［J］.International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering，Stolouis，Geotechnical Engineering，1984，3：1129-1143.

［2］Harper T G，Mcleod H N，Davies M P.Seismic assessment of tailings dam［J］.Civil Engineering，1992，62（12）：64-66.

［3］Vick S G.Risk based approach to seismic stability and inundation hazard for upstream tailings dams［C］//Proceedings of International Symposium on Safety and Rehabilitation of Tailings Dams.Australia：ICOLD，1990.

［4］阮元成，郭 新.饱和尾矿料静、动强度特性的试验研究［J］.水利学报，2004，35（1）：67-73.

［5］陈敬松，张家生，孙希望.饱和尾矿砂动强度特性试验结果与分析［J］.水利学报，2006，37（5）：603-607.

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［7］《中国有色金属尾矿库概论》编辑委员会.中国有色金属尾矿库概论［R］.北京：中国有色金属工业总公司，1992.

［8］惠学德，谢纪元.膏体技术及其在尾矿处理中的应用［J］.中国矿山工程，2011，40（2）：49-54.

［9］张 超，杨春和.细粒含量对尾矿材料液化特性的影响［J］.岩土力学，2006，27（7）：1133-1137.

Application of centerline embankment by using waste rock in tailings dam located in strong earthquake area

CUI Xuan1，2，ZHOU Hanmin1，2，GAN Haikuo1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

Based on the analyzing of aseismic experience of tailings dam in China，the damming method composed of centerline embankment by using waste rock and various strengthening measures is proposed considering the characteristics of high tailings dam located in the strong earthquake area.The aseismic capability is studied and evaluated by focusing the emphasis on the seepage and stability of high tailings dam in Yunnan Province.The study shows that centerline embankment by using waste rock has the following characteristic：low seepage line，well stability，difficult liquefaction and so on.The minimum safety factor is 1.096 under earthquake withM＝9.0，which can meet the need of specification.The results can be applied to guide the designing，construction and seismic strengthening of high tailings dam located in the strong earthquake area.

tailings dam；strong earthquake area；centerline embankment by using waste rock；stability analysis

TD854＋.6

Α

1671-4172（2015）06-0104-03

崔 旋（1987-），男，工程师，硕士，水工结构工程专业，主要从事矿山尾矿库方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.022