梯级尾矿库坝体稳定性研究

肖 博 徐 政 任 媛

(西安有色冶金设计研究院)



梯级尾矿库坝体稳定性研究

肖 博 徐 政 任 媛

(西安有色冶金设计研究院)

结合梯级尾矿库的概念，对上游尾矿库坝体在不同淹没条件下进行了坝体稳定性分析，得出了边坡安全系数的变化规律，并针对梯级尾矿库在工程设计中存在的问题提出了具体的措施，为类似工程的设计提供参考。

梯级尾矿库 安全系数 变化规律 工程措施

尾矿库是矿山重要的辅助设施，随着矿山建设的发展，生产规模扩大与土地资源短缺的矛盾越来越大，在矿山规模较小时所选择的尾矿库库址经常会遇到“小马拉大车”的情况，即尾矿库所在沟道很大，而尾矿库的库容却较小。当矿山规模发展起来以后，就面临了重新选择尾矿库库址的问题，如不能充分利用已有尾矿库所在沟道，必然就会造成土地资源的浪费，同时还会带来新的环保问题。因此，对于这种矿山企业，在已有尾矿库的沟道上游或下游再新修建一尾矿库成了比较合理的选择。

在同一条沟道内，自上而下地分期建设呈阶梯式的尾矿设施称之为梯级尾矿库，类似于梯级水电站，但梯级尾矿库之间联系更为紧密，两者之间影响较大，下游尾矿库能将上游尾矿库淹没甚至完全包裹。

本文将探索梯级尾矿库中下游库对上游库的影响，尤其是对其坝体稳定性的影响。采用3种计算方法对上游库尾矿坝体在不同的淹没条件下的坝体稳定性进行计算，并对计算结果对比分析，提出相应的工程对策。

1 工程概况

陕西省渭南市某沟道上游已有一座尾矿库，上世纪80年代初期投入运行，目前仍正在使用，该库设计采用上游法冲填筑坝，初期坝顶标高1 176.5 m，最终堆积坝顶标高1 300.0 m，总坝高164.5 m，总库容1.65×108m3，为二等尾矿库。由于企业探矿工程取得重大进展，选矿厂进行了扩建改造，需要新建一配套尾矿库。经过前期设计，新建尾矿库在该沟道的下游，距离上游尾矿库5.8 km，设计初期坝顶标高1 080.0 m，最终堆积坝顶标高1 203.0 m，总坝高191.0 m，设计有效库容2.0×108m3。下游尾矿库最高洪水位1 199.0 m，高出上游尾矿库初期坝脚63.0 m，高于初期坝顶22.5 m。该区域地震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.15 g。

2 坝体稳定性分析

坝体稳定性分析通常采用极限平衡法和有限单元法[1-3]。本文采用《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)[4]中推荐的极限平衡法，选用中科院Stab、理正岩土计算软件和河海大学开发的Autobank软件进行计算，瑞典圆弧法进行对比分析。

2.1 计算工况

随着下游尾矿库的逐年升高，库水位也逐年升高，虽然下游尾矿坝的最终设计标高为1 203.0 m，但为探索下游水位升高对尾矿坝坝体抗滑安全系数的变化规律，本文将从上游尾矿库初期坝坝脚起算，水位每上升15 m计算一次，计算至1 240.0 m处，约为上游堆积坝高度的1/2处。表1为坝体尾矿层物理力学参数。

表1 尾矿土层物理力学参数

2.2 浸润线计算

根据上游尾矿库工程勘察结果，选取最大剖面的浸润线作为基础计算数据(图1)，当下游水位上升时，采用水力学方法[5]进行渗流计算，分两种情况进行分析。浸润线计算工况见表2。

图1 尾矿概化分区及浸润线计算结果

工况下游水位/m计算模型1<1176.5坝体下游有排水设备,且下游有水2>1176.5坝体下游无排水设备,且下游有水

(1)工况1。坝体下游有排水设备，且下游有水。各参数计算公式为

(1)

式中，h0为自由水面线在纵坐标轴截面上的水深；L为上游水位与坝坡交点至下游水面的水平距离；S为排土体渗入坝体内深度；q为坝体渗流量；k为坝体渗透系数；H1为上游水位；H2为下游水位；m1为坝的下游边坡坡率(或排水体下游边坡坡率)；m2为坝的上游边坡坡率；d为排水体的高度；t为排水体的宽度。

(2)工况2。坝体下游无排水设备，且下游有水。

采用矩形坝段替代法和圆弧形等势线法的组合方法，按以下公式计算:

(2)

式中,a0为浸润线与坝坡的交点至下游水面的高度；L0为中间渗流坝段水平距离;ΔL为上游渗流坝体段替代矩形体的宽度；θ为下游坝坡坡角；其他符号意义同前。

由图1可以看出，当水位超过初期坝顶时，浸润线有部分出逸。

2.3 坝体稳定计算

在得到下游各水位淹没条件下的浸润线后，利用前述3种软件分别建模进行坝体稳定计算，其中中科院Stab软件为人工指定滑弧位置，理正和Autobank7.0均是自动搜索滑弧位置，安全系数变化规律见图2。

图2 下游水淹没时坝体抗滑稳定安全系数变化规律

从以上计算可以看出，当下游尾矿库水位淹没上游尾矿坝坝坡时，3种软件计算上游尾矿坝抗滑稳定安全系数最多分别下降6.4%、9.8%和8.8%，安全系数最低的位置基本在初期坝顶以上，Stab和理正的计算结果在1 180.0 m位置最低，Autobank7.0计算的结果在1 195.0 m位置最低。分析其原因应该是各软件计算的精度、计算过程迭代的次数不一样所造成的，但安全系数总体变化规律基本是一致的，随着下游水位的不断上升，安全系数均是先降低后上升再降低的过程。

3 排渗工程措施

从以上的分析计算可以看出，当下游尾矿库的水面直接和上游尾矿坝面接触时坝体安全系数均可满足安全技术规程的要求。但由于尾矿砂是可液化的土体，要保证在7度地震时不产生液化，根据该尾矿的静力触探分析计算得出，浸润线深度必须在6 m 以上。因此，在下游尾矿库水位和上游尾矿库直接接触的情况下，上游尾矿坝边坡尾砂会产生液化的现象。

最简单的处理措施是在上游尾矿库的外边坡进行压坡，使上游尾矿库和下游尾矿库的水面隔离开来。另外，尾矿库初期坝是一个排水棱体，坝下会有尾矿库正常的渗流水，当采取压坡措施后，为不影响尾矿库原有的排渗通道，原来浸润线保持不变，必须改造渗流水回收设施。虽然上游尾矿库在闭库后渗水量会减少，但由于天然径流的积水在库内的存积是不可避免的，渗流还会继续，同时，下游尾矿库水位的抬升会通过压坡体向上游渗透，因此，排走这些渗水是上游尾矿库堆积坝水位不上升的前提。

3.1 压坡体

压坡体可采用碾压堆石结构，但造价相对较高。为节省投资，也可采用尾砂进行压坡，若尾砂粒度过细，可采用旋流器分级，分级后的粗尾矿进行压坡。压坡体长度宜大于200 m，堆积边坡可以控制在1∶3.0左右。压坡体可以一次形成，也可以分次形成，但应始终保持压坡顶面高出库水位10 m以上。

3.2 排渗设施

在压坡体和上游尾矿坝接触的部位均应设排渗措施，在上游尾矿库堆积坝外坡和压坡体之间设排水带，厚1 m，由土工模袋装填5～80 mm的砾石形成；在上游尾矿库初期坝外侧新加设土工布反滤层，以防压坡尾矿进入堆石体内，引起淤堵。

为收集下游尾矿库通过该压坡体向上游渗透的水，在上游尾矿库初期坝下设置排渗井，井顶伸至初期坝顶。在井底设集水廊道，在压坡体内沿集水廊道设水平排渗管网，每10 m一层，形成多层立体的排渗管网，更有利于上游尾矿库和下游压坡体浸润线的控制。

3.3 排渗后坝体稳定计算

在采取尾砂压坡和相应的排渗设施后，坝体稳定计算结果如图3所示。

4 结 论

(1)在梯级尾矿库中，下游尾矿库对上游尾矿库坝体抗滑稳定的影响是有限的，在同一沟道内修建相互关联的尾矿库是可行的。

(2)梯级尾矿库上游尾矿坝在下游尾矿库库水位淹没时，坝体抗滑稳定安全系数呈先下降再上升的变化趋势；在尾砂淹没时，在上游尾矿库浸润线能有效控制的情况下，初期坝顶以下坝体抗滑稳定安全系数基本不变，超过初期坝顶后安全系数逐渐上升。

图3 下游尾砂淹没时坝体抗滑稳定安全系数变化规律

(3)采用尾砂压坡是解决梯级尾矿库上游尾矿坝尾砂地震液化的有效措施，也是较经济的工程措施，具体压坡厚度范围应根据尾砂的工程勘察资料进行分析。

(4)梯级尾矿库之间的排渗措施是保证上游尾矿库安全稳定的重要环节，工程实际中应根据上游尾矿库的现状进行改造，一方面不抬升上游尾矿库的浸润线，另一方面需要控制下游尾矿库尾矿水向上游的渗透。

[1] 梁 力，李 明，王 伟,等.尾矿库坝体稳定性数值分析方法[J].中国安全生产科学技术,2007(5)：11-15.

[2] 卜 磊，周汉民，李长洪,等.极限平衡法与强度折减法分析尾矿坝稳定性比较[J].有色金属:矿山部分,2014,66(6)：70-74.

[3] 彭朝洪，孟祥瑞.基于有限元数值模拟的尾矿库堆积坝应力应变分析[J].价值工程,2015(10):120-123.

[4] 中国有色金属工业协会.GB 50863—2013 尾矿设施设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[5] 顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京：中国建材工业出版社，2000.

2016-06-27)

肖 博(1983—)，男，工程师，硕士，710001 陕西省西安市南大街10号。