摆纪磷石膏渣场回采边坡的稳定性分析

张建博，葛小博

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081;2.三峡大学，湖北宜昌443002)

磷石膏是化工厂用磷灰石与硫酸作用湿法生产磷酸的副产品。随着我国经济和技术快速发展，化工产品磷酸需求的不断增大，产生了大量的磷石膏不能及时有效利用，目前普遍采用堆置处理。然而，磷石膏堆放处理存在着许多弊端:(1)磷石膏堆放占用大量土地，渣场运行管理成本也相应增加;(2)长时间堆放会使磷石膏砂化，减少了单位面积的堆放量[1－2]。所以，面临土地资源严重短缺的形势，为了减少环境风险_，降低渣场的维护费用，回采磷石膏对充分利用不可再生资源具有非常重要的意义。

然而，在磷石膏回采过程中，随着对磷石膏的开采，坝体高度会逐渐降低，原坝坡和新形成的开挖边坡的稳定性会发生变化，从而引发很多的安全问题，形成了磷石膏渣场生产中的隐患[3－4]。而目前为止，关于磷石膏回采过程中坝体稳定性的研究还较少，本文主要针对这个问题，从传统岩土工程原理出发，利用Geo－studio软件，对回采过程中磷石膏渣场的稳定性问题进行研究。

1 摆纪渣场基本情况

摆纪磷石膏渣场位于马场坪镇东北部摆纪村山谷。渣场主要由初期坝、堆积子坝及坝体导排系统组成，坝体主要是在磷石膏沉积滩上取磷石膏干渣填筑子坝，再在子坝所形成的渣库内排放磷石膏渣浆，由粗颗粒磷石膏在子坝前沉积形成堆积坝;当堆积坝和沉积滩上升至一定高度后，再在堆积坝上填筑子坝，依次逐级向上填筑而成。

渣场初期坝顶高程为901 m，960 m高程以下为山谷型，即渣场只有一个地形缺口，平行于初期坝轴线方向向上收坡形成磷石膏渣场;960 m高程以上为贴坡型，即渣场以东侧山体为依托，其余三面收坡最终形成磷石膏渣场[5]。渣场堆积坝现状平面布置如图1所示。

图1 摆纪磷石膏渣场堆积坝现状布置图

摆纪磷石膏渣场自2000年投产使用以来，经过了铺膜防渗、加高扩容改造，现堆积终了高程为985 m，相应库容为3 347.6万m3，最大堆积坝高84 m。根据坝高和库容确定摆纪渣场工程等别为Ⅲ等[6]。

瓮福集团磷石膏综合利用所需的渣料采用摆纪渣场及原料堆场(紧邻摆纪渣场东北部)轮换排放磷石膏及取渣的方式，根据原料堆场总库容、磷石膏回采量设计的初期和后期供应量，以及满足取渣的同时而不破坏975 m高程导渗系统和940 m高程的全库盆HDPE防渗膜的原则，确定初期取渣高程为976 m和后期回采终了高程960 m。

2 摆纪渣场渗流计算分析

渣场堆积体内渗流状态是控制堆积坝坝坡稳定性的决定因素，磷石膏沉积层的渗透性直接影响到渣场堆积体内渗流状态、水位和尾矿坝的浸润线。通过渗流场的分析，可以模拟浸润线和水位的变化情况，寻求有效的技术措施，保障渣场回采的安全进行。

2.1 渗流分析的基本理论

渗流控制方程问题求解的泛函和有限元法的代数方程为式(1)和式(2)，当已知实际渗流域的大小后，式(2)的解{h1}即为渗流场的真解[7]。

式中:Π(h)为水头量函数h的泛函;Ω1为渗流实域;[K1]，{hi}和{Qi}分别为渗流实域的总传导矩阵、结点水头列阵和结点等效流量列阵。由于事先不知道自由面的确切位置和逸出面的大小以及实际渗流域的大小，因此饱和无压流渗流场是一个边界非线性渗流问题，需通过下式迭代求解。

其中:[K]，{h}和{Q}分别为计算域Ω =Ω1+Ω2(Ω2为位于渗流自由面以上的渗流虚域)时的总传导矩阵、结点水头列阵和结点等效流量列阵{Ω2}为渗流虚域贡献的结点等效流量列阵;{ΔQ}=[K2]{h}为渗流虚域中虚单元和过渡单元所贡献的结点虚流量列阵。

2.2 磷石膏渣场现状边坡渗流分析

2.2.1 计算工况

根据规范[6]规定，渗流计算应考虑尾矿库运行中出现的各种不利条件，而本次渣场回采涉及两种工况，即正常运行工况和极端降雨工况。正常运行工况下认为坝顶排水系统良好，坝顶将不出现水位。所以现状边坡渗流计算只进行极端降雨工况复核。

降雨工况下，堆渣体的最小干滩长度为70 m，即堆渣顶水位距离堆场顶马道(宽15 m)内侧坡脚处70 m。

2.2.2 计算断面及计算参数选取

为了解大坝现状的实际渗流情况，本次复核选取A－A断面进行渗流计算(图2)。该断面为大坝最大坝高断面，据多年运行情况及现场检查情况，坝脚处存在明显渗漏溢出点(区)。因此，选择该断面进行复核计算，可基本反映磷石膏堆体的整体渗流性态。

图2 磷石膏堆场现状渗流计算典型A—A剖面图(简化)

磷石膏堆体地质参数选取见表1。

表1 磷石膏堆体各层渗透系数参数取值表

2.2.3 渗流分析模型建立

磷石膏中的细粒含量越多，其渗透系数就越低，经过一段时间的压缩固结，尾矿砂的渗透性也会降低;在自然沉积过程中，磷石膏尾矿砂和磷石膏尾矿泥互层出现，因而垂直和水平方向上的渗透系数Kx和Ky存在差异。根据资料[8]表明Kx和Ky的比值为2。本分析计算在不影响渗流分析的结果的情况下对模型做以下简化:

(1)模型按稳定渗流考虑;

(2)考虑到磷石膏堆场做了全库盆防渗，初期坝及地基视为不透水，磷石膏渗透系数K1远大于初期坝及地基渗透系数K2(K1≥100K2)，可视初期坝坝顶标高以下为不透水地基进行渗流计算。

2.2.4 计算结果及分析

极端降雨工况下计算断面渗透比降值及渗流量值见表2，流网分布见图3。

表2 极端降雨工况计算断面渗透坡降值及渗流量值

图3 极端降雨工况磷石膏堆体流网分布

(1)临界水力比降的确定:

临界水力比降根据公式

式中:JCr为土的临界水力比降;GS为土的颗粒密度和水的密度之比;n为土的孔隙率。

根据资料[9]其破坏比降从细粒级到粗粒级为0.70 ～0.87。

(2)最终磷石膏的允许比降:

根据工程的重要性取安全系数为2.0，最终磷石膏的允许比降为0.70/2 ～0.87/2=0.35 ～0.43。

结合计算结果表明，由于HDPE膜防渗效果较好，故有两条浸润线在下游坝坡出逸，HDPE膜上方的浸润线出逸点不高，渗透比降不大。

2.3 磷石膏渣场回采边坡渗流分析

2.3.1 初期回采边坡渗流分析

为了分析堆场初期开采时，稳定渗流场和铺设导渗系统对堆场渗流场的影响，本次选择堆场初期开采时的2个计算工况，分别为:极端降雨工况(水位位于堆场顶内侧坡脚处)，正常洪水工况(水位距离堆场顶内侧坡脚处70 m)，具体见图4初期开采渗流计算典型剖面图。磷石膏渗透系数取值为表1。

磷石膏堆场初期回采，两种工况下计算断面渗透比降值及渗流量值见表3，流网分布见图5。

图4 磷石膏堆场初期开采渗流计算典型剖面图(简化)(单位:m)

表3 磷石膏堆场初期回采断面渗透坡降及渗流量值

图5 磷石膏堆场初期回采流网分布

结合计算结果表明，初期开采的两种工况渗透比降不大，发生渗透变形破坏可能性小。

2.3.2 后期回采边坡渗流分析

磷石膏堆场后期回采渗流计算考虑的计算工况与前期回采渗流计算工况相同。根据摆纪渣场后期回采方案比选，当后期回采到终了高程960 m时磷石膏堆场后期最大开采高度由初期开采形成的9 m变为25 m，为最不利工况，故后期开采渗流计算典型剖面图见图6。

图6 磷石膏堆场后期开采渗流计算典型剖面图(简化)(单位:m)

磷石膏堆场后期回采，两种工况下计算断面渗透比降值及渗流量值见表4，流网分布见图7。

结合计算结果表明，后期开采的两种工况渗透比降不大，发生渗透变形破坏可能性小。

表4 磷石膏堆场初期回采断面渗透坡降及渗流量值

图7 磷石膏堆场后期回采流网分布

3 摆纪渣场稳定性分析

磷石膏渣场的稳定性分析在堆场的设计和日常生产管理中具有非常重要的作用。稳定性分析从总体上定量评价和预测坝体的工作状态，以确定规划中或正在运行中的尾矿库是否安全、安全程度如何、有多大的富余，评价坝体是否能满足规范要求的安全值，为磷石膏回采顺利进行提供科学依据。

本文采用《碾压式土石坝设计规范》[10](SL274－2001)有效应力法计算公式(简化毕肖普法)对摆纪渣场边坡的稳定性进行分析。

式中:w1在坝坡外水位以上的条块实重;w2在坝坡外水位以下的条块浮重;u为作用于土条底面的孔隙压力;α为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角。φu、cu土条底面的强度指标(°)、(kPa);b为土条宽度。

3.1 磷石膏渣场现状边坡稳定复核

3.1.1 计算工况

根据《尾矿设施设计规范》[6](GB50863 －2013)的规定以及现状渗流计算的结果，按极端降雨工况下形成最小干滩(70 m)时形成稳定渗流期的下游坡稳定。

摆纪渣场磷石膏堆体可视为均质坝堆体，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法和满足力和力矩平衡的Morgenstern－Price法分别进行计算。稳定渗流期下游坡稳定计算采用总效应力法，土层参数选用c、φ指标。

3.1.2 计算断面及地质参数的选取

根据摆纪渣场磷石膏堆体的结构情况，磷石膏堆体坝坡整体抗滑稳定计算断面的选择总体参照渗流所选取的A－A断面(图2)。各土层物理力学参数取值见表5。

表5 磷石膏堆积体各层物理力学参数取值表

3.1.3 计算结果及分析

各工况下计算断面抗滑稳定安全系数见表6。图8给出了极端降雨工况下现状边坡形成的滑裂面。

计算结果表明，现状坝坡在极端降雨工况下边坡稳定为最不利状况，但该工况的现状边坡抗滑稳定采用计及条块间作用力的简化Bishop法和满足力和力矩平衡的Morgenstern－Price法计算的安全系数都是符合规范要求的。

表6 磷石膏堆积体坝坡抗滑稳定安全系数计算结果表

图8 磷石膏堆场现状极端降雨工况边坡滑裂面

3.2 磷石膏渣场回采开挖边坡稳定计算

3.2.1 磷石膏堆体初期回采边坡稳定计算

(1)初期回采开挖边坡稳定计算工况、计算模型和前面渗流计算相同，边坡稳定计算参数见表5。

(2)计算结果及分析

各工况下不同开挖高度计算断面抗滑稳定安全系数见表7。

表7 磷石膏堆积体初期回采边坡抗滑稳定安全系数计算结果表

由表7可知，回采开挖深度为9 m时，边坡的抗滑稳定系数远远满足规范要求值，即磷石膏初期回采设计方案中的磷石膏堆体边坡是稳定的。

3.2.2 磷石膏堆体后期回采边坡稳定计算

(1)后期回采开挖边坡稳定计算工况、计算模型和前面渗流计算相同，边坡稳定计算参数与初期回采开挖边坡稳定计算参数相同。

(2)计算结果及分析

各工况下不同开挖高度计算断面抗滑稳定安全系数见表8。

由表8可知，回采开挖深度为25 m时，边坡的抗滑稳定系数满足规范要求值，即磷石膏后期回采设计方案中的磷石膏堆体边坡是稳定的。

4 结语

结合工程实例，对摆纪渣场堆积体的渗流和稳定进行了分析，为工程的实施奠定了一定的指导作用。

表8 磷石膏堆积体开挖边坡抗滑稳定安全系数计算结果表

(1)通过对磷石膏渣场现状边坡的渗流分析和稳定复核，认为渣场现状边坡不会发生渗透变形破坏，在正常运行条件下渣场边坡是安全的。

(2)对磷石膏渣场初期回采和后期回采方案确定的开挖边坡进行了渗流和稳定分析，认为回采方案确定的开挖深度在稳定性方面是满足要求的。

[1]李光明，李 霞，贾 磊，等.国内外磷石膏处理与处置概况[J].无机盐工业，2012，44(10):11-13.

[2]葛祖元.磷石膏渣场的规划建设与运行管理[J].磷肥与复肥，2009，24(5):25-31.

[3]张 明.尾矿手册(上、下册)[M].北京:冶金工业出版社，2011.

[4]陈 青.尾矿坝设计手册(上、下册)[M].北京:冶金工业出版社，2007.

[5]中国五环化学工程公司.磷石膏渣场初步设计报告[R].武汉:中国五环化学工程公司，1995.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50863－2013.尾矿设施设计规范[S].北京:中国计划出版社，2013.

[7]毛昶熙.渗流计算分析与控制(2版)[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[8]南京水利科学研究院.磷石膏物理力学性质研究[R].南京:南京水利科学研究院，2013.

[9]南京水利科学研究院土工研究所.瓮福磷石膏堆场工程土工试验及数值分析[R].南京:南京水利科学研究院，2014.

[10]中华人民共和国水利部.SL274－2001.碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社，2001.