基于Slide的某钨矿尾矿坝稳定性及概率分析

江南，陈玉明（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明650093）



基于Slide的某钨矿尾矿坝稳定性及概率分析

江南，陈玉明
（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明650093）

摘要：尾矿坝的稳定运行是钨矿山安全生产的重要保障。研究结合某钨矿尾矿库的工程地质特征，采用Slide软件建立坝体的概化模型，通过Bishop法计算尾矿坝在正常、洪水及特殊三种工况下的稳定性，结合瑞典条分法对坝体的抗滑稳定最小安全系数进行校核。同时运用概率分析法，对安全系数在服从正态分布及对数正态分布下开展可靠性指数的计算，并得出坝体的失效概率。综合分析坝体的稳定性和概率分析的结果，认为该尾矿坝在三种工况下能正常运行但存在洪水漫顶和地震液化的隐患，并针对隐患提出相应的整改建议。

关键词：尾矿坝；边坡稳定性；Slide软件；概率分析

0引言

尾矿库是矿山生产中的重要设施，尾矿坝则是制约矿山安全生产的重大危险源之一。尾矿库一旦发生事故，造成的人员伤亡、财产损失和环境破坏等后果十分严重[1]。1995年圭亚那阿迈金矿尾矿坝发生溃坝事故，900人因饮用被氰化物污染的水导致死亡[2]；2008年山西襄汾新塔矿业尾矿库发生特别重大溃坝事故，造成277人死亡，34人受伤，先后投入资金1.2亿元[3]。因此保障尾矿库的安全运行成为矿山安全工作中的重点。然而，截至2014年底，据统计，国内库容在100万m3以下的五等库约占尾矿库总数的74.4 %[4]。这些小型尾矿库由于企业规模小、投资小，普遍存在设计不正规、生产管理粗放、安全生产措施落实不到位等问题。因此，对小型尾矿库的坝体进行稳定性分析是十分必要且意义重大。本研究根据某钨矿尾矿库的实际情况，利用Slide软件分析计算正常、洪水及特殊工况状态下尾矿库坝体稳定性，并针对存在的各种隐患提出相应的整改措施，为相似尾矿库的相关研究提供了科学依据。

1工程概况

云南某钨矿尾矿库投入使用已经6年，目前堆积形成1#、2#两级坝。该尾矿库采用上游式筑坝，堆积方式为坝后堆筑。1#坝为原始初期坝，目前已停用，坝高约3.00m，坝顶宽约3.00m，内外坡比均为1∶2.5，在原初期坝堆满后，向库后延伸60 m堆积形成2#坝。2#坝为目前使用的坝体，初期坝为均质黏土碾压坝，坝高约8.5 m，顶宽1.5 m，内外坡比均为1∶1.5，后期堆积坝堆积高度为21.5m，库容为9.53万m3。按照《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）第4.1条划分[5]，尾矿库为五等库，相应尾矿坝为五级坝。

2软件分析及建模

2.1稳定性分析基本理论

目前，尾矿坝稳定性分析多依照土质边坡稳定性分析的方法来进行，这些方法包括极限平衡法（如瑞典条分法、Bishop法、Janbu法等）；数值分析法（如有限元法、边界元法、离散元法等）；随机概率分析法（如蒙特卡罗法等）。在尾矿坝稳定性分析中采用最普遍的是极限平衡法[6]。

瑞典条分法将滑体分为i个条块，假设滑动面为圆弧且认为条块间无作用力，满足整体力矩平衡，把条块i在滑动面上提供抗滑力之和与条块i本身及外荷载在滑动面上产生的滑动力矩之比定义为滑动面的安全系数F[7]，F的表达式如式（1）：

式中：c为滑动面上的黏聚力，kPa；φ为内摩擦角，°；bi为土条i宽度，m；Wi为土条自重，kN；θi为条块滑面倾角，°。

图1瑞典条分法Fig.1 Fellenius Method

简化Bishop法是对瑞典条分法的改进，它同样假定圆弧滑动面，只考虑条块间的水平作用力，则F的表达式如式（2）：

式中各参数意义同式（1）。

2.2计算软件

Slide软件是由加拿大RocScience公司基于极限平衡理论开发的一套用于分析岩土体边坡稳定性的软件[8]。该软件不仅能快速创建和分析复杂模型，而且能进行外部荷载、地下水及支护等情况下的边坡稳定性分析。

Slide软件中包含边坡稳定性分析、地下水分析和概率统计分析等模块。边坡稳定性分析基于垂直条分的极限平衡法展开，可对圆弧或非圆弧的滑动面进行搜索，嵌套了Bishop法、Janbu法、M-P法、Spencer法等分析方法，能对特定的滑动面进行分析，也可以求出临界滑动面和安全系数[9]。在进行概率统计分析时，可通过指定不同参数的分布类型，诠释其参数的不确定指数并得出边坡滑坡的可靠性指数。Slide软件能够直观、准确的反应尾矿坝边坡的稳定性情况，目前在国内已得到广泛认可和应用[10]。

2.3 Slide软件分析

该尾矿库坝体稳定性计算运用Slide软件，从静载荷和动载荷两方面进行研究，考虑正常工况、洪水工况、特殊工况三种状态下的稳定性。应用Bishop法计算坝体的抗滑稳定最小安全系数，用瑞典条分法进行校核，同时结合概率分析法对结果的可靠性进行分析。

根据《尾矿库安全技术规范》[5]，五等库采用Bishop法计算坝坡抗滑稳定的最小安全系数（kmin）时要达到：正常运行kmin=1.25；洪水运行kmin=1.15；特殊运行kmin=1.10；而采用瑞典条分法计算坝坡抗滑稳定的最小安全系数时要达到：正常运行kmin= 1.15；洪水运行kmin=1.05；特殊运行kmin=1.00。

在进行概率分析时，假设材料的黏聚力（c）和内摩擦角（φ）均服从正态分布，黏聚力的标准偏差取值为1.0，内摩擦角的标准偏差取值为3.0。为定义一个完整的正态分布，最大和最小值取3倍的标准偏差，保证99.7 %的样本数落在该范围内。

2.4计算模型

该尾矿库现已堆积形成1#、2#两级坝，考虑计算剖面应最具代表性，并能合理的反映出最不稳定情况，因此根据库区所处地形和尾矿库堆积现状（图2），选取2#坝中心剖面（II-II'剖面）进行分析。

图2 II-II'剖面位置图Fig.2 II-II'sectional position

根据该尾矿库岩土工勘报告和现场情况，对IIII'剖面尾矿的分区进行概化，可以将材料分为4个区域，该尾矿库坝体Slide模型如图3所示。

图3尾矿库坝体Slide模型Fig.3 Slide model of tailings dam

2.5材料参数

在充分考虑野外原位测试、室内常规试验、直剪试验等各种试验条件的基础上，参考有关规范综合确定计算剖面上各层岩土的天然容重、饱和容重、黏聚力和内摩擦角。重度选取库内各岩土层室内土工物理试验结果的算术平均值；抗剪强度指标选取室内试验成果的标准值。坝体各材料物理力学计算参数列于表1。

表1坝体各材料物理力学计算参数Tab.1 Material physical and mechanical parameter of dam

3稳定性分析

3.1正常工况

考虑勘察期间揭露水位影响情况，尾矿坝总体处于水位以上，故计算时大部分采用天然状态下指标，仅局部处于浸润水位线以下的采用饱和状态抗剪强度指标。

根据图4和图5的计算结果显示，采用Bishop法计算得出的抗滑最小安全系数为1.671，大于规范中要求的1.25；采用瑞典条分法校核时，计算得出的抗滑最小安全系数为1.452，大于规范中要求的1.15。根据概率稳定性计算：当安全系数服从正态分布时，可靠性指数为8.671；当安全系数服从对数状态分布时，可靠性指数为11.075，两者均大于3.000。安全系数小于1.25时，失效概率为0 %。由此可认为坝体在正常工况下是能够稳定运行。

图4正常工况下稳定性计算结果Fig.4 Stability analysis result of normal water level

图5正常工况下安全系数可靠性计算结果Fig.5 Probabilistic analysis result of normal water level

3.2洪水工况

按《尾矿库安全技术规程》尾矿库防洪标准，洪水重现期按50年一遇（即P=2 %）考虑，最终计算确定尾矿库洪水期2#坝库后洪水位距离坝顶0.3 m。坝体浸润线水位按库后最高洪水位和坝面最高逸出点综合考虑。尾矿库地层趋于饱和，故计算时采用饱和抗剪强度指标。

根据图6和图7计算结果显示，采用简化Bishop法计算得出的抗滑最小安全系数为1.506，大于规范中要求的1.15；采用瑞典条分法校核时，抗滑最小安全系数为1.382，大于规范中要求的1.05。根据概率稳定性计算分析，安全系数服从正态分布时，可靠性指数为2.477；安全系数服从对数正态分布时，可靠性指数为2.967，两者均小于3.000。安全系数小于1.15时，坝体的失效概率为4.1 %。由此可以得出，在现有高程的条件下，坝体的安全系数能够满足规程要求，坝体能够稳定运行。但存在一定的失效概率，一旦浸润线超过洪水位线，就可能发生洪水漫顶从而导致溃坝，若继续使用必须加强排渗措施。

图6洪水工况下稳定性计算结果Fig.6 Stability analysis result of flooding

图7洪水工况下安全系数可靠性计算结果Fig.7 Probabilistic analysis result of flooding

3.3特殊工况

根据矿区所在地，按照《建筑抗震设计规范》中对各省的规定进行划分，尾矿库库区抗震设防烈度为8度二组，模拟时取水平向地震力为0.24 g[11]，在洪水水位下分析坝体特殊工况时的稳定性。

根据图8和图9的计算结果显示，用简化Bishop法计算时，坝体抗滑的最小安全系数为1.379，大于规范中要求的1.10；采用瑞典条分法校核时，抗滑安全最小系数为1.235，大于规范中要求的1.00。概率稳定性计算结果显示，当安全系数服从正态分布时，可靠性指标为2.014；安全系数服从对数正态分布时，可靠性指标为2.300，两者均小于3.000。设定安全系数小于1.10时，坝体的失效概率为6.9 %。因此，坝体在地震作用下能稳定运行，但库区内尾矿砂属液化土层，应提高坝体压实度，采取有效的防液化措施。

图8特殊工况下稳定性计算结果Fig.8 Stability analysis result of earthquake

图9特殊工况下安全系数可靠性计算结果Fig.9 Probabilistic analysis result of earthquake

4结论

（1）运用Slide软件可快速建立尾矿坝坝体模型，并准确计算出不同工况下的抗滑最小安全系数，结合概率分析得出：尾矿坝在正常工况下运行时，计算所得的抗滑最小安全系数大于标准值，坝体的稳定性能够满足要求；尾矿坝在洪水工况下运行时，库内水位线上升，渗流路径缩短，浸润线升高使得经过处孔隙水压力增大，材料强度减弱，抗滑最小安全系数也随之减小，虽大于规定值，但失效概率增大，认为在现有高程的下坝体是稳定的，若浸润线超过洪水位线，则存在洪水漫顶导致溃坝的可能；尾矿坝在特殊工况下运行时，由于地震动荷载的作用，抗滑最小安全系数大幅减小，失效概率增大。为防止坝体因地震液化而造成溃坝，应采取切实可行的防液化措施。

（2）浸润线的抬升很大程度上会影响坝体的安全系数，因此尾矿库在继续使用时必须完善坝体的排渗系统。设立水平排渗沟或竖直排渗井，适当降低库内水位，增大沉积滩长，以保障尾矿库的安全运行。

（3）为加强坝体的稳定性，尾矿库应采取坝前排放尾矿的方式，合理布置排放口使粗颗粒集中堆积至坝体前部。同时建议加强尾矿坝内浸润线及坝体变形的观测，加强日常监测和巡视，发现问题及时汇报并采取措施。

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[序号]析出文献主要责任者.析出文献题名｛论文集[C]、学位论文[D]、报告[R]｝.//专著主要责任者.专著题名.版本项.出版地：出版者，出版年：析出文献页码．

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[序号]专利申请者或所有者.专利题名：专利国别，专利号〔P〕.公告日期或公开日期（引用日期）．

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Stability and Probabilistic Analysis of a Tungsten Mine's Tailings Dam Based on Slide Software

JIANG Nan, CHEN Yu-ming
(Kunming University of Science and Technology Faculty of Land ResourceEngineering, Kunming 650093,Yunnan, China)

Abstract:Stable operation of tailings dam is an important guarantee for mine safety production. Based on the engineering geological features of the tailings dam, this paper analyzes the stability of a tungsten mine's tailings dam with Bishop method in three kinds of operation situations, including conventional water level, flooding and earthquake by establishing a generalized model for the tailings dam. The stability against sliding minimum safety factor of the dam is checked by Fellenius method. The failure probability for the tailings dam is obtained by calculating the reliability indexes of safety factor under normal distribution and lognormal distribution. The slope stability and probabilistic analysis results show that the dam can operate under the three conditions. However, there are hidden risks of overtopping and earthquake liquefaction. Corresponding rectification suggestions are then put forward.

Key words:tailings dam；slope stability; Slide software; probabilistic analysis

通讯作者：陈玉明（1963-），男，四川眉山人，教授，主要从事矿山安全技术工程、矿山开采理论与技术研究。

作者简介：江南（1992-），女，云南红河人，硕士研究生，主要研究方向为矿山安全工程技术。 4.第一姓名（出生年－），性别，籍贯（省、市、县），学位，职称，研究方向及其联系电话，E-mail地址等。

收稿日期：2015-11-04

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2016.01.008

中图分类号：TD862

文献标识码：A