某尾矿库三维渗流稳定性分析

秦金雷，李 彪，宋志飞

（北方工业大学，北京 100144）

尾矿库作为矿山选矿企业的重要生产设施，其运行的安全与否，直接关系到企业的经济效益和尾矿库周边居民的生命财产安全[1]。我国尾矿多采用水力排放形式，有人曾统计过，尾矿库溃坝大部分是因为渗流破坏造成的，从某种意义上讲，坝体的渗流稳定性对坝体的整体稳定性起着至关重要的作用[2，3]。

矿山的最大危险源头就是尾矿库，由于地形多变、放矿不均匀、沉积不合理等原因，造成渗流场复杂、浸润线位置高、坡面沼泽化，坝体有渗流水逸出，使尾矿坝自重增大，导致溃坝事故。统计表明，尾矿库溃坝大部分是由于渗流控制不当造成的[4]。

本文研究的尾矿库是一个坝体高库容较大的一等库，对该尾矿库在正常运行和洪水运行工况下建立库区及坝体的三维渗流数值模进行计算。通过数值模拟，分析评价尾矿库在该堆积标高时的渗流稳定性，并为坝体抗滑稳定验算提供准确的浸润面位置，为尾矿库的设计提供科学依据。

1 尾矿库工程概况

尾矿库概述：

（1）新建初期坝：初期坝采用碾压土石混合坝，坝顶标高4265.0m，坝高85.0m，坝顶宽度5m、坝轴线长478m，坝体上游坡比为1：1.73，下游坡比为1：1.7。

（2）堆积坝：尾砂最终堆积标高4440.0m，尾砂堆高175.0m，总坝高260.0m，总库容为7002.2×104m3。尾砂堆积坝采用常规上游法尾砂筑坝，4265m～4295m标高尾砂平均堆积边坡为1：4；4295m～4335m标高尾砂平均堆积边坡为1：5；4335m～4440m标高尾砂平均堆积边坡为1：6。

尾矿采用膏体排放，浮选尾矿浆经深锥浓密机浓密到64～66%浓度后用隔膜泵输送至尾矿库，而后采用坝前均匀排放、上游法筑坝，尾砂沉积滩根据类似矿山经验其坡度按1.5%考虑。

2 数值计算模型的建立

依据工程测绘地形图，建立最终标高4440.0m三维渗流有限元数值计算模型。

将库区尾矿沉积滩的滩顶、沉积滩面、堆积坝坡面、初期坝顶部以及初期坝下游坡面确定为透水边界；将库区基岩地带确定为不透水边界；库区周围山体为不透水边界。由于基岩为不透水边界所以用midas建立各个标高模型时为方便观察所以把基岩隐藏。

图1 尾矿库4440m标高模型图

由于采用膏体排放，各个时期堆存的尾砂的性质基本相同，但随着库内尾矿砂固结沉积，尾砂表现出自上而下、自坝坡到沟底逐渐密实的特性，渗透系数同时表现出两向异性。因此，在进行三维渗流计算时，应当考虑两向异性，否则算出的浸润线可能偏低。

表1 渗流分析选用的材料结果表 单位：cm/s

表2 4种计算高度对应滩顶计算参数表 单位m

3 渗流计算结果以及尾矿坝稳定性分析

3.1 渗流计算结果与分析

最终标高渗流计算结果：

图2 渗流计算结果

用midas对该尾矿库最终标高正常工况和洪水工况进行三维渗流模拟，模拟结果如。得出：①库内地表水在尾矿砂内渗透的过程中，由于受到尾砂颗粒的层层阻力所以会产生不同程度的水头损失，形成水头差尾矿库的地表水在水头差的作用下向下渗透。②由图2（a）和图2（b）可知两种工况孔压最大均分布在尾砂与基岩交界地带，孔压从尾砂向初期坝方向逐渐减少，初期坝内出现负孔压，这是复合土工膜截断渗流水使其从初期坝底部流出的原因。③正常工况浸润面最小埋深为23.8m，洪水工况浸润面最小埋深为13m，都符合相关规定的要求。

3.2 尾矿坝抗滑稳定性分析

对尾矿坝抗滑稳定性用的较多的就是极限平衡法，极限平衡法是依据力学平衡原理建立平衡关系式，通过所求得的安全系数得出边坡的稳定性[5]。条分法又是其中最典型的方法，根据满足平衡条件的不同可以分为非严格条分法和严格条分法。

满足力平衡或者力矩平衡条件之一称为非严格条分法，两者同时都满足则称为严格条分法[6]。各种条分法采用假定的物理意义不一样所能满足的平衡条件也不尽相同，导致了各种方法在计算时的适合场合也不太相同。各种条分法有各自的计算精度和局限性。

综合考虑之后利用geo studio软件对该尾矿坝进行稳定性计算，计算方法分别用非严格条分发（简化毕肖普法）和严格条分发（Morgenstern-Prince法），计算工况分别为正常工况和洪水工况，计算结果如下：

图3 计算工况分别为正常工况和洪水工况

表3 两种工况分析表

计算结果显示用严格条分发计算得到的安全系数小于非严格条分发，但都满足要求，该尾矿坝是抗滑稳定的。