尾矿坝陡斜边坡坝基处理技术研究与应用

崔铁，张兆仁，修德江

（鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山114004）

随着矿山生产规模的不断扩大，所产生的尾矿数量越来越多，尾矿坝工程数量不断增加，坝体高度也在增加，库容量不断加大，保证坝体稳固安全显得越发重要［1］。一旦发生溃坝事故，不仅会造成经济损失，还可能造成人员伤亡甚至生态灾害［2］。分析国内外众多尾矿坝溃坝事例，得出溃坝的一个重要原因是没有对山体斜坡进行良好的处理，导致坝体失稳。为了提高坝体的稳定性，防止滑坡溃坝，对于一些坐落在比较陡峭的山体上的坝体，往往需要采取抗滑稳定处理措施，如钢筋桩、钢管桩、抗剪洞等，而对于一些浆砌石坝或碾压式土石坝，通常在坝体处于山肩部位做一条剪力沟，起到防止坝肩滑移和止水的作用。但是以上措施只是在坝体某些部位起到防止滑移作用，虽然有效，但投资较高，且没有针对陡斜坡坝基从根本上解决坝体沿着斜坡滑移的问题。本文针对坝体沿斜坡滑移的问题，提出了尾矿坝地基的处理方法并应用于实践中，效果较好。

1 齿槽加固尾矿坝地基方法

1.1 坝体受力分析

坝体可纵向或横向截面处于较陡峭山体上。为了便于分析，以横向处于斜面为例对坝体进行剖切分析，得出整个坝体在与所处山体的各个接触点处都有下滑趋势。将整个坝体视为由若干个单元体组成，并将其抽象为力学模型进行受力分析。山体斜坡受力分析如图1所示。A为坝体与山体接触面上任意取出的一个单元体，在斜面所在的平面受到两个力，分别为滑动力f与抗滑力F。滑动力f是坝体所受重力的分力，抗滑力F即坝体与山体之间的摩擦力。当滑动力f小于或等于抗滑力F时，坝体处于静止状态；当坝体受其它外力作用影响时，例如地震力、附近的爆破作业、坝体上部的机械作业等，所产生的侧向力会使滑动力f加大；而当坝体A各个部位所受到的外力的合力大于坝体极限摩擦力，即滑动力f大于抗滑力F时，坝体A将产生滑移。

图1 山体斜坡受力分析图

1.2 力学模型分析

当坝体斜坡没有受到其它外力时，坝体所受滑动力的合力为各个接触面上的单元体的滑动力之和，即式中，n为单元体个数；f总为坝体所受滑动力的合力，N；fi为第i个单元体所受滑动力，N。

由受力分析图可知，坝体第i个单元体的滑动力fi计算公式为式中，αi为第 i个单元体所处斜坡的坡度，°；Gi为第i个单元体所受重力，N。

为了消除重力引起的滑动力，需使fi=0，由于Gi不为 0，则必须令 sinαi=0，即 αi=0°。 由于整个坝体是由若干个单元体组成，当任意单元体处于平面的滑动力fi均为0时，即每个单元体所处斜坡的坡度αi为0°时，整个坝体的滑动力f总为0。

1.3 坝体抗滑齿槽修整方法

根据坝体受力分析和力学模型分析结果，提出坝体抗滑齿槽修整方法［3］，即将所处斜坡坡度大于0°的部位进行齿槽修整，保证局部滑动抗滑阻力相同，同时为保证齿槽本身局部稳定，齿槽高度为2 m，宽度为2 m［4］。首先，将原有地基全风化层全部挖除，将地基挖至强风化层表面，采用水准仪对坝体底部地表放线，进行网格线分格，并标高测量。测量时纵横间距各为5 m，并记录测量情况。然后，比较各个测量点之间的高度差，并计算角度。此种方法对各种山体走势都适用，且简单、快捷、易行，成本低。具体修整方法如下：

（1）采用挖沟机及液压镐对山体进行切挖，将坡形山体挖成一段一段的直角台阶，使坝体由原来的坐在斜坡上改为分解后的坐在各个平面上，即消除坝体自重产生的滑动力。山体直角齿槽修整后受力如图2所示，可以看出，修整后坝体所受到的外力只有重力G和支撑力N，内部的滑动力f和抗滑力F相互抵消达到平衡，即通过做直角齿槽修整可以使坝体内部不再有滑坡的趋势。

（2）齿槽修整方向与山体走势相同。

图2 山体直角齿槽修整后受力图

2 应用实践

2.1 工程概况

鞍钢齐选厂风水沟尾矿库7号副坝全长242 m，坝体顶部宽度为10 m，底部宽度为40～50 m左右不等，坝体设计全部为浆砌石坝，总工程量约为80 000 m3。坝体顶部和坝体最底部高度差为31 m（坝体底部强风化层深度不同，各处底部深度不同），因地理位置所限，坝体只能建在山坡上。经查阅有关资料，该坝体自然安息角为40～45°。由于该山坡地势较陡，坝体下游大部分处在40°左右山体上，个别地段达到45°以上，超过自然安息角范围，如果不采取措施，将无法施工。

2.2 工程分析计算

根据《砌石坝设计规范》，坝体抗滑稳定安全系数［5］的计算公式如下：

式中，K为抗滑稳定安全系数；f为滑裂面上的摩擦系数；ΣW为作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑裂面的法向分值，ΣP为作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑裂面的切向分值。

由《尾矿设施设计规范》可知，该坝为二级尾矿坝，坝坡抗滑稳定的安全系数应不小于1.25［6］。经计算，该坝体抗滑稳定安全系数为1.22，不能满足规范要求，如果不采取措施，一方面，坝体交付使用后，尾矿液体侧压力将与坝体滑动力叠加，造成坝体沿山体下滑；另一方面，在发生地震的情况下，地震力将与该下滑内力及尾矿液体侧压力叠加，导致该段发生下滑，最终带动其他部位下滑，从而引起整个坝体溃坝。

2.3 齿槽修整实施

对该坝体采取齿槽修整措施。首先，采用挖沟机将山体上的山皮土挖除，露出强风化岩石表层；然后，计算该尾矿坝落在该山体的总高，结合设计及现场实际高度情况，测量得出坝体底部至顶部的垂直距离为30 m，水平距离为30 m，则该段山体坡度为45°。将该段山体分为15个直角齿槽，即分别将山体底边30 m及山体高度30 m进行15等分，则每段齿槽两个直角边长皆为2 m，满足施工机械作业要求 （施工作业的设备挖沟机车体宽度为1.6 m，保证车体两侧最小安全边距0.2 m，即1.6+2×0.2=2 m）。其示意图详见图2。

修成直角后，坝体所处山坡的坡角αi均为0°,则每一段直角齿槽的滑动力为fi=sinαi×Gi=0，与坝体重力G无关，因此，f总=∑fi=0，坝体总滑动力为0，坝体处于安全状态。

经齿槽修整后，重新对坝体进行工程分析计算，得出坝体抗滑稳定安全系数为1.55，满足尾矿坝的安全和使用要求，大幅度提高了尾矿坝在初始应力状态下的稳定性系数，保证了尾矿坝体的稳定性。该工程从2013年8月开始施工，于2014年7月竣工并交付使用至今，未发生滑坡溃坝事故，坝体稳定。

3 结论

（1）尾矿坝是矿山企业重要的建设工程之一，它的安全运行在矿山企业整个生产过程中有着非常重要的意义，而尾矿坝安全运行的关键是坝体的安全稳定性。

（2）采用齿槽修整方法对尾矿坝地基进行抗滑处理，可以使坝体处在平面上，不存在滑坡趋势。此方法对各种山体走势均适用，且简单、快捷、易行，成本低，对尾矿坝的设计施工提供了理论指导，具有借鉴意义。

（3）将齿槽修整方法应用于鞍钢齐选厂风水沟尾矿库7号副坝工程中，使修整后的山体的滑动力均为0，彻底解决了坝体沿斜坡滑移的问题。实践结果表明，该方法大幅度提高了尾矿坝在初始应力状态下的稳定性系数，保证了尾矿坝体的稳定性，并使工程顺利完成施工并交付使用。