唐山某尾矿库坝体稳定性数值模拟研究

王明辉，康志强，李 蕾

（1.迁西县安全生产监督管理局，唐山 河北 064300；2.华北理工大学矿业工程学院，唐山 河北 063210）

唐山某尾矿库坝体稳定性数值模拟研究

王明辉1，康志强2，李 蕾2

（1.迁西县安全生产监督管理局，唐山 河北 064300；2.华北理工大学矿业工程学院，唐山 河北 063210）

以河北省唐山市某矿山尾矿库坝体为例，利用河海大学自主研发的计算软件AutoBank，并采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法分别计算尾矿库坝体在正常、洪水及特殊运行工况下的稳定性系数。坝体在正常、洪水以及特殊工况下运行，采用两种计算方法计算得出的抗滑稳定性系数远大于AQ2006—2005尾矿库安全技术规程的技术要求，处于稳定状态，为该矿山灾害预防和治理提供了可靠的理论依据及技术支撑。

尾矿库坝体；瑞典圆弧法；简化毕肖普法；稳定性；数值模拟

0 引 言

尾矿库作为矿山灾害重大危险源之一，其坝体的稳定性问题一直受到矿山企业的高度重视。经过矿山企业及相关人员的多年研究，已经提出大量坝体稳定性的研究方法，如瑞典圆弧法、简化毕肖普法、Janbu法、传递系数法等[1-2]。王缨[3]采用改进的毕肖普法对边坡稳定性进行研究，得出了改进公式并以此计算出更精确的稳定系数，同时指出所总结公式的不足之处，并给出了完善毕肖普法计算公式的研究方向。马跃、陈建州[4]对尾矿库坝体展开了二维渗流研究，计算所得浸润线基本符合矿山现场测得浸润线，并采用瑞典圆弧法对尾矿库坝体在正常工况、洪水工况以及特殊工况3种条件下运行的稳定性，由计算结果可知，该尾矿库在以上3种条件下运行均处于稳定状态。

利用河海大学自主研发的AutoBank软件，并结合瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算正常工况、洪水工况以及特殊工况3种条件下尾矿库坝体的稳定性系数，在分析软件计算结果的基础上，应用数值模拟软件模拟坝体在正常工况、洪水工况以及特殊工况下运行的稳定性情况，研究2种计算方法下坝体的稳定性情况以及稳定系数的变化规律。

1 尾矿库库区地形及周围环境简介

该矿山尾矿库为一山谷型尾矿库，沟口朝北，尾矿库三面环山在沟口筑坝而成。根据企业提供1:2 000的周边环境图与现场调查，库区上游三面环山，初期坝下游560 m处为榆木岭村。此外，尾矿库下游再无大型工矿企业、大型水源地，无国家和省重点保护名胜古迹，无珍稀野生动物，无有开采价值的矿床，无铁路等重要工程。

该尾矿库所处山谷主沟为南-北朝向，总体地势为南高北低，距离沟口约250 m处分为东西2个支沟，现状尾矿库位于西侧支沟。

库区出露和揭露基岩主要为太古界迁西群地层（Ar），岩性为混合片麻岩为主。太古界混合片麻岩岩体分布于整个库区广阔区域，是构成尾矿库两侧山体的主体，库区混合片麻岩风化层主要为全风化-强风化－中风化，全风化层厚度一般较薄。

2 尾矿库坝体稳定性分析

2.1 尾矿库的等级及标准

根据《尾矿库安全技术规程》中尾矿库等别划分标准，该尾矿库划分为四等尾矿库，尾矿坝作为主要构筑物，重要性级别为4级。根据GB18306—2015中国地震动参数区划图（2015年修订），该地区设计基本地震动峰值加速度为0.10 g，地震基本烈度为7度。依据GB50191—2012构筑物抗震设计规范规定，应进行抗震验算。

2.2 尾矿库坝体稳定性计算

根据尾矿库在3种工况下运行的实际情况以及AQ2006—2005尾矿库安全技术规程中关于四等尾矿库的相关安全技术要求，计算尾矿库坝体稳定性系数采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法，并配合使用河海大学自助研发的AutoBank软件对尾矿库坝体稳定性系数进行分析。坝体稳定性计算选取尾矿坝最终堆积标高时最大断面进行，根据坝体稳定性分析报告以及尾矿沉积规律对尾矿坝进行概化分层，选取尾矿物理力学指标，稳定计算简图如图1。

图1 稳定计算简图

由矿山尾矿库实际情况以及不同时期坝体高度，设计一下条件进行尾矿库坝体稳定性系数计算：①初期坝坝底标高375 m，坝顶标高385 m；②堆积坝最终堆积标高437.0 m，总坝高72 m；③尾矿堆积坝外边坡平均坡比约1:3.0；④最高洪水位436.3 m。

尾砂以及地基的物理力学指标依据矿山提供的关于尾矿库坝体稳定性分析报告选取，材料的物理力学指标见表1。

表1 材料的物理力学指标

采用“瑞典圆弧法”所计算出的现状尾矿库坝体在正常运行、洪水运行、特殊运行工况下的抗滑安全系数最小值分别为1.816、1.537、1.554；采用简化毕肖普法所计算出的现状尾矿库坝体在正常运行、洪水运行、特殊运行工况下的抗滑安全系数最小值分别为1.837、1.715、1.571。该尾矿库的坝坡抗滑稳定最小安全系数均符合AQ2006—2005尾矿库安全技术规程的规范要求，故尾矿库坝体总体处于稳定状态。

3 坝体稳定数值模拟

本文使用数值模拟软件对尾矿库坝体在正常工况、洪水工况以及特殊工况下进行建模，分别研究瑞典圆弧法和简化毕肖普法2种计算方法下，尾矿库坝体的稳定性系数变化情况，尾矿坝抗滑稳定计算结果图如图2—图7。

图2 正常运行稳定计算结果图（瑞典圆弧法）

图3 洪水运行稳定计算结果图（瑞典圆弧法）

由数值模拟结果可知，当尾矿库在洪水工况运行时，两种计算方法下坝体中的滑弧位置均低于浸润线位置，即使下降幅度相对较大，尾矿库坝体仍然处于基本稳定状态。当尾矿库在正常工况以及特殊工况运行时，2种计算方法下坝体中滑动体体积相比洪水工况下滑动体体积较小，此时尾矿库坝体处于稳定状态。尾矿库坝体在3种运行工况下，由2种方法计算出的尾矿库坝体稳定性系数见表2。

图4 特殊运行工况稳定计算结果图（瑞典圆弧法）

图5 正常运行稳定计算结果图（简化毕肖普法）

图6 洪水运行稳定计算结果图（简化毕肖普法）

图7 特殊运行工况稳定计算结果图（简化毕肖普法）

表2 稳定分析计算结果

4 结论

应用河海大学自主研发的计算软件AutoBank，结合瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算该矿山尾矿库坝体在正常工况、洪水工况以及特殊工况运行时的稳定性情况，根据计算结果得出以下结论。

1）采用现行规范所推荐的不计及条块间作用力的“瑞典圆弧法”所计算出的现状尾矿库坝体在正常运行、洪水运行、特殊运行工况下的抗滑安全系数最小值分别为1.816、1.537、1.554；采用计及条块间作用力的“简化Bishop法”所计算出的现状尾矿库坝体在正常运行、洪水运行、特殊运行工况下的抗滑安全系数最小值分别为1.837、1.715、1.571。该尾矿库的坝坡抗滑稳定最小安全系数均符合AQ2006—2005尾矿库安全技术规程的规范要求。

2）分析数值模拟结果可知，当尾矿库在洪水工况运行时，2种计算方法下坝体中的滑弧位置均低于浸润线位置，即使下降幅度相对较大，尾矿库坝体仍然处于基本稳定状态。当尾矿库在正常工况以及特殊工况运行时，2种计算方法下坝体中滑动体体积相比洪水工况下滑动体体积较小，此时尾矿库坝体处于稳定状态。

［1］麦麦提明·依比布拉.基于瑞典法和毕肖普法对比的边坡稳定性［J］.水利科技与经济，2015（6）：12-14.

［2］胡辉，姚磊华，董梅.瑞典圆弧法和毕肖普法评价边坡稳定性的比较［J］.路基工程，2007（6）：110-112.

［3］王缨.边坡稳定性分析改进毕肖普法［J］.邵阳学院学报（自然科学版），2004（2）：79-80.

［4］马跃，赵建洲.基于瑞典圆弧法的尾矿库坝体稳定性评价［J］.科技展望，2016（6）：25.

Numerical simulation study on dam stability of the tailings dam in Tangshan

WANG Minghui1,KANG Zhiqiang2,LI Lei2
(1.Safety Production Supervision and Administration Bureau of Qianxi,Tangshan 064300,China;2.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China)

Taking the mine tailings dam in Tangshan as an example,the AutoBank,which is independently developed by Hohai University,is used to calculate the stability factor of tailings dam under the condition of the normal,flood and special operation.From the calculation results of the two methods,it can be seen that the slip resistance coefficient of dams which are running under normal,flood and special conditions is much larger than the technical requirements of the"Tailings Reservoir Safety Technical Regulation (AQ2006—2005)".The tailings dam is in a steady state.The calculation results can provide a reliable theoretical basis and technical support for the mine disaster prevention and management.

tailings dam body;Swedish method;bishop method;stability;numerical simulation

TD325+.2

B

1671－9816（2017）11－0030－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.009

王明辉，康志强，李蕾.唐山某尾矿库坝体稳定性数值模拟研究［J］.露天采矿技术，2017，32（11）：30-32.

2017-05-31

河北省自然科学基金项目（E2016209111）

王明辉（1977—），河北丰南人，工程师，硕士，毕业于华北理工大学，现从事金属矿选矿方面研究工作。

【责任编辑：陈 毓】