尾矿库尾矿沉积特性对坝体稳定性的影响分析

胡海，陈玉明，普兴林

尾矿库尾矿沉积特性对坝体稳定性的影响分析

胡海，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）

通过Slide软件对云南某尾矿坝在考虑沉积特性或未考虑沉积特性时对其稳定性的影响进行了研究。描述了当前尾矿库在初步设计时没有考虑尾矿的沉积特性的现状，指出采用这种方式建立坝体模型后计算出来的坝体稳定性与实际情况不符。通过在三种条件下尾矿库正常运行、尾矿库洪水运行和尾矿库特殊运行对比分析得出考虑沉积特性的尾矿库坝体稳定性比未考虑沉积特性的坝体稳定性好，同时分析了在考虑沉积特性时对坝体稳定性影响机理，为相关尾矿库的建设运营提供更好的理论基础。

尾矿坝；沉积特性；尾矿库；模拟软件；边坡稳定性

尾矿库的安全与否，关系到作业人员、下游地区居民的生命和财产安全以及矿山生产生活的正常开展。目前在尾矿库设计中建立的坝体模型基本没有考虑尾矿沉积特性，还是以全尾矿的物理力学性质参数计算尾矿库的坝体稳定性，但是在尾矿库的建设过程中，尾矿从放矿口流向库内的过程中，颗粒由于自重不同，具有从粗到细逐渐沉积下来的特性，导致尾矿库建设过程的坝体结构会受到沉积特性的影响。采用这种方式建立坝体模型后计算出来的坝体稳定性与实际情况不符。

本文通过Slide软件模拟分析，以某尾矿库的工程为实例进行颗粒分析试验和直剪试验，并建立坝体模型来探讨坝体考虑尾矿沉积特性的必要性和重要性，以期为类似矿山尾矿坝体提供理论指导。

1　基本理论

1.1极限平衡法

极限平衡法是假设坝体处于即将破坏失稳临界状况下，导出其受外力作用和自身内部强度间的平衡力，分析在此二力作用下坝体的稳定性的一种定量分析方法［1］。主要包括费伦纽斯法（Ordinary/Fellenius）、简化毕晓普法（Bishop Simplified）、简化简布法（Janbu Simplified）。

1.2尾矿的沉积特性

对于水力充填形成的尾矿坝，特别是堆积坝的筑坝方式为采用上游式时，排放的尾矿未经过旋流器旋流直接排放至库内，尾矿在从放矿管排出向库内流动过程中，尾矿颗粒随着自重的大小和流速降低逐渐沉积下来，颗粒粒径分级较为明显，这就是尾矿的沉积特性。

2　软件模拟与分析

2.1Slide软件介绍

Slide是一款计算坝体稳定性及渗流分析的软件，由加拿大Rocscience公司研发［2-4］。该软件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简便的建立和计算分析。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［5-6］。

2.2相关力学试验及其尾矿坝模型建立

2.2.1尾矿颗粒分析试验以云南某尾矿库工程为实例，该尾矿库的初期坝为透水堆石坝，筑坝材料选用尾矿库所在山谷内及下游风化程度较弱的花岗岩、片麻岩、石英岩等。尾矿的取样方式是在该尾矿库相应放矿口取刚排出的尾矿3个样。由于在放矿口取得尾矿含有很多水分，在取样时用盆取样，待样品澄清后，排出多余的水分，然后装入自封袋，如图1所示。

尾矿颗粒分析试验是指测定尾矿样品中各种粒组所占该尾矿样品总质量的百分数。根据《土工试验规程》（SL237—1999）［7］可知，一般颗粒分析试验的方法主要有筛析法、密度计法、移液管法等。根据选矿厂的选矿设备可知，尾矿粒径大部分大于0.075 mm，属于在筛分过程中容易筛分分离的材料，因此尾矿颗粒分析试验采用筛析法。

通过该方法得出放矿口尾矿的平均粒径如表1所示。由表1可知取样点取到的尾矿的平均粒径分别在0.072～0.254mm、0.071～0.257mm、0.067～0.247mm之间。

图1　放矿口取样品Fig.1　Sample of ore drawing

表1　放矿口尾砂粒径分析Tab.1　Analysis of drawpoint tail sand grain size

2.2.2尾矿直剪试验

对在放矿口取的尾矿材料进行尾矿直剪试验，获得尾矿的物理力学性质参数。

将试验获得的三条取样线样品的物理力学性质参数的平均值、方差、标准差统计如表2所示。

表2　各尾矿材料物理力学性质参数的均值、方差、标准差Tab.2　Mean value，variance and standard deviation of physical and mechanical properties of tailings materials

2.2.3建立坝体模型

建立考虑尾矿沉积特性和不考虑沉积特性两种情况下的坝体稳定性对比分析模型，如图2和图3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。参考《尾矿库安全技术规程》（AQ2006—2005）［8］，可以对沉积在库内的尾矿进行分类，对平均粒径大于0.2 mm的尾矿定义为尾中砂层，对平均粒径在0.2～0.074 mm之间的尾矿定义为尾细砂层，对平均粒径小于0.074 mm的尾矿定义为尾粉砂层。

图2　考虑沉积特性的坝体稳定性分析模型Fig.2　Analysis model of dam stability taken sediment characteristics into account

图3　不考虑沉积特性的坝体稳定性分析模型Fig.3　Analysis model of dam stability excluding sediment characteristics

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［8］，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3所示。

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。尾矿库现状的沉积滩坡比按照1%估算，在正常工况下的干滩长度为220 m，对应的安全超高为2.2 m，库内水位标高为307.8 m；按照《尾矿库安全技术规程》，在洪水工况下，四等库的最小干滩长度和最小安全超高分别为50m和0.5m，对应的库内水位标高为309.5m。

表3　上游式尾矿坝的最小干滩长度与最小安全超高坝的级别Tab.3　Minimum dry beach length and minimum freeboard of upstream tailings dam

2.3极限平衡法分析尾矿沉积特性对坝体稳定性的影响

由于极限平衡法的计算结果作为我国尾矿库坝体稳定性方面法定的标准判据，试验运用极限平衡法对该尾矿库在三种运行条件下不考虑尾矿沉积特性和考虑沉积特性得到的坝体稳定性进行对比分析。在进行尾矿坝稳定性分析之前，要先选择稳定性分析方法。本次选择了Ordinary/Fellenius法、Bishop Simplified法和Janbu Simplified法，其中Ordinary/ Fellenius法、Bishop Simplified法为《尾矿设施设计规范》（GB5063—2013）中规定的尾矿坝稳定性分析方法，该标准规定了判定相应等级的尾矿库是否稳定的最小安全系数值（Ordinary/Fellenius法、Bishop Simplified法）。

2.3.1尾矿库正常运行条件下对比分析

本文所述的尾矿库正常运行条件下是指保证尾矿的干滩长度和安全超高大于该等级尾矿库设计洪水位时的最小干滩长度和最小安全超高。该尾矿库取样时的干滩长度为220 m，安全超高为2.2 m，大于四等尾矿库在洪水运行条件下最小干滩长度（50 m）和最小安全超高（0.5 m）。故可作为正常运行条件下的尾矿库来分析。

图4和图5为使用Ordinary/Fellenius法计算不考虑沉积特性的情况和考虑沉积特性的情况的尾矿坝稳定性计算结果图。

通过三种稳定性计算方法计算得到正常运行条件下不考虑沉积特性和考虑沉积特性的尾矿坝稳定性计算结果如表4所示。通过和《尾矿设施设计规范》（GB5063—2013）中规定的安全系数值进行比较发现，该尾矿库正常运行条件下的不考虑沉积特性和考虑沉积特性的坝体均为稳定状态。不考虑沉积特性计算得到的安全系数值均比考虑沉积特性的安全系数值大。

图4　正常条件下不考虑沉积特性的稳定性结果Fig.4　Stability results excluding sedimentary characteristics under normal conditions

图5　正常条件下考虑沉积特性的稳定性结果Fig.5　Stability results taken sediment characteristics under normal conditions

表4　正常工况下坝体稳定性计算结果比较Tab.4　Comparison of calculation results of the stability of the dam under normal working conditions

2.3.2尾矿库洪水运行条件下对比分析

该库区汇水面积大、过水断面面积小，而且地表水的径流长度比较短，如果在暴雨频繁的雨季，洪峰流量会比较集中，雨水在极短的时间内流动到库内，很可能造成雨季的洪流。因此分析该尾矿库在洪水运行条件下的坝体稳定性是很有必要的。尾矿库洪水运行条件下是指尾矿的干滩长度和安全超高达到该等级尾矿库设计洪水位时的最小干滩长度（50 m）和最小安全超高（0.5 m）。

图6和图7为使用Ordinary/Fellenius法计算不考虑沉积特性的情况和考虑沉积特性的情况的尾矿坝稳定性计算结果图。

图6　洪水工况下不考虑沉积特性的稳定性结果Fig.6　Stability results of sedimentary characteristics are not considered under flood conditions

图7　洪水工况下考虑沉积特性的稳定性结果Fig.7　Stability results of sedimentary characteristics under flood conditions

通过三种稳定性计算方法计算得到洪水运行条件下不考虑沉积特性和考虑沉积特性的尾矿坝稳定性计算结果如表5所示。通过和《尾矿设施设计规范》（GB5063—2013）中规定的安全系数值进行比较发现，该尾矿库洪水运行条件下不考虑沉积特性和考虑沉积特性的坝体均为稳定状态。通过三种方法计算结果相互对比发现使用Bishop Simplified法计算时，不考虑沉积特性和考虑沉积特性计算得到的安全系数值均最大。通过考虑沉积特性和不考虑沉积特性的计算结果对比，运用Ordinary/Fellenius法和Bishop Simplified法计算不考虑沉积特性的尾矿坝稳定性得到的安全系数值比考虑沉积特性的安全系数值大。采用Janbu Simplified法计算不考虑沉积特性的尾矿坝稳定性得到的安全系数值和考虑沉积特性的安全系数值相等。

表5　洪水工况下坝体稳定性计算结果比较Tab.5　Comparison of calculation results of the stability of the dam under flood conditions

2.3.3尾矿库特殊运行条件下对比分析

尾矿库特殊运行条件是指除了洪水运行条件下，设计地震基本加速度值为0.10 g［7-10］。

在Slide软件中，地震荷载等于条块重力乘以地震荷载系数，其中地震荷载系数即为地震基本加速度值和重力加速度值的比值，在该软件中可以输入水平地震荷载系数和垂直地震荷载系数，但地震烈度对应的地震基本加速度值为水平加速度值。因此计算在特殊运行条件下的尾矿坝稳定性，只用在洪水运行条件下，通过在该软件中输入水平地震荷载系数0.1即可。

图8　特殊工况下不考虑沉积特性的稳定性结果Fig.8　Stability results of sedimentary characteristics are not considered under special working conditions

图9　特殊工况下考虑沉积特性的稳定性结果Fig.9　Stability results of deposition characteristics under special working conditions

通过三种稳定性计算方法计算得到特殊运行条件下不考虑沉积特性和考虑沉积特性的尾矿坝稳定性计算结果如表6所示。通过和《尾矿设施设计规范》（GB5063—2013）中规定的安全系数值进行比较发现，该尾矿库特殊运行条件下不考虑沉积特性和考虑沉积特性的坝体均为稳定状态，但可以发现计算结果均较为接近规定的最小安全系数值，极有可能在特殊运行条件下发生尾矿坝坝体破坏。通过三种方法计算结果相互对比发现使用Bishop Simplified法计算时，不考虑沉积特性和考虑沉积特性计算得到的安全系数值均最大。通过考虑沉积特性和不考虑沉积特性的计算结果对比，运用三种计算方法计算考虑沉积特性的尾矿坝稳定性得到的安全系数值反而比不考虑沉积特性的安全系数值大，这一结算结果和正常运行条件下、洪水运行条件的计算结果相反。

表6　特殊工况下坝体稳定性计算结果比较

2.4尾矿沉积特性对坝体稳定性的影响机理

综上分析比较可以发现考虑尾矿的沉积特性对尾矿坝的稳定性计算结果有重要影响，且考虑沉积特性的尾矿坝计算模型更符合实际情况。因此在分析尾矿沉积的不均匀性对坝体稳定性的影响机理时，只分析考虑了沉积特性的尾矿坝模型。

此时采用敏感度分析法，该法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。在三种运行条件下运用Slide软件进行分析，得到结果如图10、图11、图12所示。

图10、图11、图12分别为考虑沉积特性的尾矿坝在三种不同的运行条件下的敏感性分析结果，将分析结果导出到Excel表格中，结果显示各种尾矿材料参数对尾矿坝安全系数的影响大小，通过升序排列后可以汇总得到一个范围。如表7所示。

图10　正常运行条件下考虑沉积特性的敏感性分析Fig.10　Sensitivity analysis of sedimentary characteristics under normal operating conditions

图11　洪水运行条件下考虑沉积特性的敏感性分析Fig.11　Sensitivity analysis of sedimentary characteristics under the condition of flood operation

图12　特殊运行条件下考虑沉积特性的敏感性分析Fig.12　Sensitivity analysis of sedimentary characteristics under special operating conditions

表7　尾矿材料参数对尾矿坝安全系数的影响大小Tab.7　Effect of tailings material parameters on safety factor of tailings dam

根据图表数据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。尾粉砂的黏聚力、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），即尾粉砂的黏聚力、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。因此，在考虑尾矿沉积特性时尾砂的内摩擦角、黏聚力、容重等因素对尾矿库稳定性的计算有一定影响。

3　结论

（1）当前尾矿库在初步设计时没有考虑尾矿的沉积特性，这种方式建立坝体模型后计算出来的坝体稳定性与实际情况不符。

（2）Slide是一款计算坝体稳定性及渗流分析的软件，它是基于极限平衡法计算边坡的稳定性。

（3）通过Slide软件在文中尾矿库正常运行、尾矿库洪水运行和尾矿库特殊运行三种条件下分析得出，考虑沉积特性和不考虑沉积特性计算的尾矿坝稳定性是有差别的，很有必要在尾矿库初步设计的坝体稳定性分析中考虑尾矿的沉积特性。这样计算出来的坝体稳定性才符合尾矿坝实际的安全性，为后期尾矿库的安全使用奠定基础。

［1］吕淑然，张新浩.基于可靠度分析的尾矿坝稳定性评价［J］.现代矿业，2013（6）：35-47.

LYU Shuran，ZHANG Xinhao.Tailings dam stability evaluation based on reliability analysis［J］.Modern Mining，2013（6）：35-47.

［2］廖智.见龙坡选厂尾矿库稳定性分析［J］.中国钨业，2014，29（5）：31-32.

LIAO Zhi.Stability analysis of tailing reservoir in Jianlongpo processing plant［J］.China Tungsten Industry，2014，29（5）：31-32.

［3］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，2015：3.

［4］王立彬，袁子有，侯攀，等.某尾矿坝边坡稳定性计算与安全分析［J］.有色金属（矿山部分），2011，63（5）：52-56.

WANGLibin，YUANZiyou，HOUPan，etal.Slopestability calculation and safety analysis of a tailings dam［J］.Nonferrous Metals（Mining Section），2011，63（5）：52-56.

［5］国家质量技术监督局.构筑物抗震设计规范GB 50191—2012［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［6］于广明，宋传旺，潘永战，等.尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（增刊1）：3238-3248.

YU Guangming，SONG Chuanwang，PAN Yongzhan，et al.Review of new progress in tailing dam safety in foreign research and current state with development trent in china［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，，2014，33（supply1）：3238-3248.

［7］中华人民共和国水利部.SL237-1999，土工试验规程［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［8］国家安全生产监督管理总局.AQ2006-2005，尾矿库安全技术规程［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［9］国家住房和城乡建设部.GB5063-2013，尾矿设施设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［10］KESIMAL A，ERCIKDI B，YILMAZ E.The effect of desliming by sedimentationonpastebackfillperformance［J］.MineralsEngineering，2003，16（10）：1009-1011.

［11］梅国栋，吴宗之.尾矿库溃坝风险定量评价方法探讨术［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（2）：78-82.

MEI Guodong，WU Zongzhi.Discussion on quantitative assessment method of dam failure risks in tailings dam［J］.Journal of Safety Science and Technology，2012，8（2）：78-82.

［12］余绍维，孙华，王兆昌.上游法尾矿坝堆积尾矿的沉积规律与尾矿堆积坝管理的相关关系［J］.中国新技术新产品，2013，3（6）：175-177.

［13］TOLGA A Ö，BROMWELLB L G.Stability assessment of an earth dam on silt/clay tailings foundation：A case study［J］.Engineering Geology，2012，151（4）：88-89.

［14］张冰.饱和尾矿砂的动力特性及尾矿坝的动力稳定性分析［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2012.

ZHANG Bing.Dynamic properties of the saturation tailing and dynamic stability analysis of the tailing dam［D］.Shijiazhuang:Shijiazhuang Tiedao University，2012.

［15］KARBASI M S.Embankment dams and earthquakes［J］.International Journal on Hydropower&Dams，2004（2）：96-104.

［16］吴定勇.细粒尾矿堆坝渗流稳定性研究［D］.昆明：昆明理工大学，2010.

WU Dingyong.Study on seepage stability of fine tailings dam［D］. Kunming:Kunming University of Science and Technology，2010.

Effect of Tailings Sediment Characteristics on the Dam Stability

HU Hai，CHEN Yuming，PU Xinglin
（School of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China）

Applying Slide software，the stability of a tailings dam of Yunnan is analyzed by including and excluding the sediment characteristics.The dam stability calculated by establishing a model is not in conformity with the actual situation for the original design has not taken the sediment features into account.The contrastive analysis on the dam stability under three different conditions，including normal operation，flooding operation and special performance，shows that the dam stability design which considers sediment characteristics is better than that exclude sediment features.The effect mechanism on the dam stability is discussed.

tailings dam；sedimentary characteristics；tailings；software simulation；slope stability

TD926.4

A

10.3969/j.issn.1009-0622.2016.05.004

2016-06-20

胡海（1990-），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向：安全工程/采矿工程。

陈玉明（1963-），男，四川眉山人，教授，主要从事有色金属矿山的安全工程和采矿工程的教学和科研工作。