尾矿沉积的不均匀性对坝体稳定性的影响

马龙龙，袁利伟，陈玉明，普兴林

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)



环保

尾矿沉积的不均匀性对坝体稳定性的影响

马龙龙，袁利伟，陈玉明，普兴林

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

为了研究沉积特性对尾矿库坝体稳定性的影响，基于尾矿沉积不均匀特性的重要性，采用Slide软件对云南某尾矿库建立坝体的稳定性模型，来分析计算尾矿坝在正常、洪水、特殊工况下稳定性的可靠度及尾矿材料的敏感度。结果表明：尾矿库在正常、洪水运行条件下的可靠性指标符合规定，但是在特殊运行条件下的可靠性指标低于规范值，不满足安全生产要求。3种运行条件下，尾细砂对尾矿坝的稳定性影响最大。

尾矿坝；可靠度；敏感度；稳定性

0 前 言

我国的矿产资源丰富，在选矿作业时将剩余大量像砂子一样的尾矿[1]。这些尾矿不仅含有暂时不能回收利用的有用成分，而且如果随意排放将会造成严重的大面积环境污染，因此需要修筑尾矿库堆存尾矿[2]。但是，堆积起来的尾矿库，又是一个具有高势能的巨大危险源，对下游居住的居民或生产企业来说，坝体一旦失稳，库内物质将倾盆溢出，造成大量的人员伤亡、财产损失与环境破坏[3]。

尾矿坝的稳定性是尾矿库最核心的问题，溃坝事故的原因。除去人类不可抗拒的客观因素如地震、洪水等，多为设计的不合理，造成了潜在的尾矿库安全隐患。目前尾矿库在初步设计时，认为坝体是由全尾砂组成的均匀结构，没有考虑尾矿的沉积特性。但实际上尾矿具有不均匀的沉积特性，因此用这种方式建立出的模型所计算出的坝体稳定性与实际情况不符。所以，研究沉积特性对尾矿库坝体稳定性的影响是我们应不断进行探索和研究的课题。

本文以目前尾矿库尾矿沉积特性方面的文献资料为基础，并结合具体实例，分析尾矿沉积的不均匀性对尾矿坝稳定性的影响，计算尾矿坝稳定性的可靠度，并分析尾矿的物理力学性质参数对坝体稳定性的敏感度。为尾矿库的安全防治措施提供方法，为相似的尾矿库提供科学的依据。

1 工程概况

本文以云南某尾矿库为工程背景，根据现场踏勘及甲方提供资料知，该尾矿库采用上游式筑坝方式，尾矿库在“V”形山谷中建设，属于山谷型尾矿库。初期坝为透水堆石坝，根据初步设计中采用的堆石的物理力学性质参数为：容重22 kN/m3，内摩擦角28(°)，粘聚力10 kN/m2。初期坝坝构造及库容：顶标高285 m，坝底标高264.8 m，坝高20.2 m，坝顶宽度5 m，坝顶长度110 m，内坡比1∶2，外坡比1∶2.25，库容49.46万m3。

目前所使用坝体为堆积坝，尾矿库设计总坝高62.5 m，堆积坝坝顶标高为327.3 m，总库容为734.81万m3。根据尾矿库《尾矿库安全技术规程》可知该尾矿库设计为三等库。现状尾矿库的坝高和库容达到是四等库的标准。现状堆积坝的构造及库容：坝顶标高310 m，坝底标高285 m，坝高25 m，每级子坝高度2 m，坝顶长度200 m，坝顶宽度2 m，子坝内坡比1∶1.5，子坝外坡比1∶1.75，堆积坝平均外坡比1∶5，库容347.2万m3。

该尾矿库所在地历史上未发生过强烈地震。按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的规定，尾矿库库区抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值为0.10 g[4]。

2 软件分析及建模

2.1分析软件Slide概述

使用可靠度计算软件是Slide[5]，他是一款计算岩土二维边坡稳定的软件，由加拿大Rocscience公司研发[6]。不仅能研究边坡稳定性，计算边坡的安全系数，而且能分析圆弧或非圆弧的潜在失稳滑动面。可以从Auto CAD导入模型也可以直接在该软件中绘制模型。Slide软件非常便于操作应用，即使复杂的模型也可以迅速地建立和计算分析[7]。外界荷载、地下水、支护都可以用不同的方式模拟。该软件应用建立在极限平衡上的竖向条分法(例如Ordinary/Fellenius法、Bishop simplified法和Janbu simplified法等不同的方法)来计算边坡的稳定性[8]。

2.2尾矿坝稳定性可靠度分析

2.2.1 尾矿坝模型建立

建立坝体稳定性分析模型，如图1所示(仅以正常工况下的坝体模型为例)，模型的尺寸均是以现状坝体中轴线处的剖面的尺寸来分析，因此在分析考虑坝体模型的稳定性时选取的计算参数为坝体中轴线上的尾矿材料的物理力学性质参数。由工勘资料可知，坝体各材料物理力学计算参数列于表1。

图1 坝体稳定性分析模型

尾矿类别尾中砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)尾细砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)尾粉砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)均值2．9918．3720．8411．0316．6623．3719．1214．7525．40方差0．850．110．7910．100．902．185．060．380．39标准差0．920．330．893．180．951．482．250．620．63

尾矿库现状的坝高和库容均为四等库。《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)中对上游式尾矿坝的最小干滩长度与最小安全超高的规定如表2所示。

表2 上游式尾矿坝的最小干滩长度与最小安全超高

在计算洪水工况和特殊工况下的坝体稳定性前，应该按照四等尾矿库的最小干滩长度与最小安全超高的要求建立尾矿库模型并预先分析尾矿库在洪水工况下的渗流情况，得出尾矿坝的浸润线。

2.2.2 尾矿库正常运行条件下的可靠度分析

在可靠度分析中，由于Ordinary /Fellenius法是《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)和《尾矿设施设计规范》(GB5063-2013)惟一相同的法定计算方法，因此本文选用Ordinary/Fellenius法计算考虑沉积特性的尾矿坝在正常运行条件下的稳定性可靠度。计算结果如图2所示。

图2 正常运行条件下的稳定性可靠度

通过图2可以得到6个浅黄色的滑动面。其中1个浅黄色的滑动面和浅绿色的滑动面是重合的，这个浅黄色的滑动面即为“临界确定性滑动面”，他被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例为715/1 000，占有的比例最大。这些浅黄色的滑面被分为两组，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面较浅位置，只是穿过尾中砂一种材料。其他浅黄色滑面位于坡面较深位置，穿过尾中砂和尾细砂两种材料。

各个滑动面被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例以及该滑面安全系数的范围如表3所示。

表3 正常运行条件下搜索到的滑动面

通过“整体边坡法”计算可靠度，得到的3种计算结果如表4所示，通过与规范对比分析可知，该尾矿库正常运行条件下的坝体为稳定状态。

表4 正常运行条件下稳定性可靠度计算结果比较

2.2.3 尾矿库洪水运行条件下的可靠度分析

选用Ordinary /Fellenius法计算考虑沉积特性的尾矿坝在正常运行条件下的稳定性可靠度。计算结果如图3所示。

图3 洪水运行条件下的稳定性可靠度

通过图3可以得到6个浅黄色的滑动面和1个红色滑动面。同样可以看到其中一个浅黄色的滑动面和浅绿色的滑动面是重合的，这个浅黄色的滑动面即为“临界确定性滑动面”，他被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例为401/1 000，占有的比例最大。这些浅黄色的滑面被分为三组，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面较浅位置，只是穿过尾中砂一种材料。“滑面3”、“滑面4”、“滑面5”位于坡面较深位置，穿过尾中砂和尾细砂两种材料。“滑面6”只是穿过了初期坝一种材料，由于初期坝的材料参数未设定为变量，因此其安全系数为定值。这些滑面中，“滑面7”的安全系数低于规程中规定的安全系数值。

各个滑动面被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例以及该滑面安全系数的范围如表5所示。

表5 洪水运行条件下搜索到的滑动面

通过“整体边坡法”计算可靠度，得到的3种计算结果如表6所示，通过与规范对比分析可知，该尾矿库洪水运行条件下的坝体为稳定状态。但值得注意的是“滑面7”的安全系数范围低于规范值，存在失稳的可能性。

表6 洪水运行条件下稳定性可靠度计算结果比较

2.2.4 尾矿库特殊运行条件下的可靠度分析

选用Ordinary/Fellenius法计算考虑沉积特性的尾矿坝在特殊运行条件下的稳定性可靠度。计算结果如图4所示。

图4 特殊运行条件下的稳定性可靠度

通过图4可以得到7个浅黄色的滑动面和4个红色滑动面。同样可以看到其中一个浅黄色的滑动面和浅绿色的滑动面是重合的，这个浅黄色的滑动面即为“临界确定性滑动面”，临界确定性滑动面被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例为168/1 000，占有的比例不是最大的，与之前正常运行条件下和洪水运行条件下不同。这些浅黄色的滑面被分为两组，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面较浅位置，只是穿过尾中砂一种材料。其余浅黄色的滑动面位于坡面较深位置，穿过尾中砂和尾细砂两种材料。这些滑面中，“滑面7”、“滑面8”、“滑面9”、“滑面10”的安全系数的范围低于规程中规定的安全系数值。

各个滑动面被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例以及该滑面安全系数的范围如表7所示。

表7 特殊运行条件下搜索到的滑动面

通过“整体边坡法”计算可靠度，得到的3种计算结果如表8所示。

表8 特殊运行条件下稳定性可靠度计算结果比较

“整体边坡”、“临界概率滑动面”、“临界确定性滑动面”的平均安全系数均大于规程中规定的特殊运行条件下安全系数值1。三者的可靠性指数较为接近，均小于《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50199-2013)中规定的可靠性指标。通过以上分析可知该尾矿库洪水运行条件下的坝体为极有可能失稳。特别值得注意的是“滑面7”、“滑面8”、“滑面9”、“滑面10”的安全系数范围低于规范值，这些滑面被概率分析的次数占总的概率分析次数的比例之和为364/1000，大于1/3，这些滑面位置存在失稳的可能性。

2.3敏感度分析

敏感度分析是针对一个或者多个选定的输入参数，通过指定一个最小和最大值，在最大值和最小值之间的每个参数随同一增量而变化，且每一个参数对应的“整体最小”滑动面的安全系数均被计算。这将会产生安全系数与输入参数的关系图，并可以通过输入安全系数的临界值，以便改变其输入参数。通过观察得到的敏感度曲线图各条变量曲线的变化，可以知道该变量对安全系数的敏感度。其中曲线变化较大的为对安全系数较为敏感的变量，曲线变化不大的为对安全系数不敏感的变量。

在Slide程序中可直接计算各个参数的敏感度，尾矿坝在3种不同运行条件下的敏感性分析结果如图5所示。

将以上分析结果导出到excel 表格中，通过对数据进行升序排列后可以汇总得到一个范围，如表9所示。

通过以上的图和表分析总结可知：在3种运行条件下尾细砂的内摩擦角对尾矿坝的安全系数影响较大(安全系数变化较大)，即尾细砂的内摩擦角敏感度较高。尾粉砂的粘聚力、内摩擦角、容重对安全系数的影响较小(安全系数未发生变化)，即尾粉砂的粘聚力、内摩擦角、容重敏感度较小，同样也说明了整个坝体影响坝体安全系数的只是最前面的部分，越接近尾矿库尾部的对坝体的安全系数影响越小。

图5 3种运行条件下各参数的敏感度分析结果

3 结 论

尾矿沉积特性是客观存在的，但是在尾矿库设计中却未把这一现象考虑在坝体稳定性分析中，与尾矿库建设过程的坝体结构不符合。以某尾矿库为工程实例，运用Slide软件的可靠度分析方法分析有沉积特性的尾矿坝稳定性可靠度。主要得出以下结论：

1) 通过运用边坡稳定性软件Slide快速建立某尾矿库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：运用Slide软件Statistics(概率分析模块)计算有沉积特性的坝体模型在正常运行条件下、洪水运行条件下、特殊运行条件下的稳定性可靠度。在正常运行条件下、洪水运行条件下计算得到的可靠性指数大于《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50199-2013)中的规范值，满足安全生产要求，但是在特殊运行条件下计算的可靠性指数小于规范值，不满足安全生产的要求。存在巨大的安全隐患，并需要立即提出整改方案，防止特殊工况条件下事故的发生。

表9 尾矿材料参数对尾矿坝安全系数的影响大小

2) 运用Slide软件Statistics(概率分析模块)，选择粘聚力、内摩擦角、容重作为随机变量，计算有沉积特性的坝体模型在正常运行条件下、洪水运行条件下、特殊运行条件下的坝体稳定性的敏感度。可知在三种运行条件下尾细砂的内摩擦角对尾矿坝的安全系数的影响较大，即敏感度最高。以此来探索各种尾矿材料的物理力学性质参数对坝体稳定性的敏感度影响的规律。

3) 边坡稳定性软件Slide在国内的应用并不广泛，边坡稳定性的分析实例也不多。但是，采用Slide软件可以直观、准确、快速地建立起尾矿坝的模型，并且在计算方面，Slide软件计算参数少、计算速度快、结果准确、可靠度高。所以，采用Slide软件进行边坡稳定性分析具有广泛的应用，在今后的使用过程中，可以不断地扩大Slide软件的应用。

[1] 李航. 尾矿库坝体稳定性及其灾变预警机制研究[D].大连：大连交通大学， 2014.

[2] 门永生, 柴建设. 我国尾矿库安全现状及事故防治措施[J]. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(1): 48-52.

[3] 马化龙, 谭秀民, 赵恒勤. 尾矿特性在尾矿库设计和尾矿堆存中的重要性[J]. 金属矿山, 2010(z): 25-26.

[4] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[5] 王光进, 袁利伟, 孔详云, 等. 边坡工程稳定性与不确定性分析Slide程序的应用[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2015.

[6] 普兴林, 陈玉明. 基于Slide的尾矿库坝体稳定性分析[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2015(2): 54-55.

[7] 肖先国, 林依平, 徐涛, 等. Slide软件在边坡稳定性计算中的应用[J]. 交通科技, 2012(4): 83-85.

[8] 朱泽勋, 吴莉. 基于SLIDE的某尾矿库边坡稳定性分析[J]. 采矿技术, 2011, 11(6): 49-50.

InfluenceofInhomogeneityofTailingsSedimentonStabilityofDam

MA Longlong, YUAN Liwei, CHEN Yuming, PU Xinglin

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

In this paper, we have made our studies in the influence of sedimentary characteristics of the tailings dam stability on base of the importance of tailings deposition uneven characteristic. We use the slide software as a tailings dam in stability model, which is established to analyze the calculation of tailing dam under normal, including flood, special working condition of three kinds of the sensitivity of the reliability and stability of the tailing material. The results show that the tailings in the normal, flood operation under the condition of reliability index will conform to the rules. In special operating conditions, the reliability index is lower than the standard value. It will not meet the requirements of safety in production. In three kinds of operation conditions, tail sand influence on the stability of tailings dam is the largest.

Tailings dam; Reliability; Sensitivity; Stability

2016-09-05

国家安监总局安全生产重大事故防治关键技术重点科技计划项目(10-101)；昆明理工大学自然科学研究基金资助省级人培项目(KKSY201421072)

马龙龙(1991-)，男，河南周口人，在读硕士研究生，研究方向：安全技术及工程，手机：18213825992，E-mail：544186780@qq.com；通信作者：袁利伟(1978-)，男，河南漯河市人，讲师，研究方向：矿山安全、风险灾害，E-mail：13508718218 kertylw@163.com.

TV649

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.030