马家田尾矿堆积坝稳定性评价研究

安家金，许汉华*，宁 飞，杨 珑，成词峰，张代均

1 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2 江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001

尾矿库是一座人为形成的高位泥石流危险源、非煤矿山的重大危险源。到20 世纪末，在我国的众多矿山中处于正常工作状态的尾矿库不足70%。有的行业大约44%的尾矿库处于险、病、超期服务状态［1］。国家和矿山企业都非常重视尾矿库的安全问题，而尾矿坝是尾矿库的主要构筑物，而坝的浸润线是尾矿库的生命线，也是评价尾矿坝稳定状况的重要基础资料之一［2］。在坝坡安全稳定复核时，应对坝身、坝基的强度、容重、土壤性质等及坝体浸润面做些调查和测试，以便较准确地确定计算指标。同时对计算发生滑坡的外界条件要详细地调查了解分析［3］。尾矿库工程包含了选厂内尾矿处理、尾矿浆浓密和输送、尾矿坝构筑、尾矿排放、防渗与排渗、防洪与排洪、水循环、废水处理与污染控制、库区土地恢复与植被、尾矿库监测与管理等子系统［4］。造成尾矿库危害及事故的原因是多方面的，主要包括设计不当、施工不良、管理不善和技术落后等原因。因此，预防病库产生和事故的首要措施是精心设计，精心施工，提高管理水平，从而彻底杜绝事故的发生［5］。

1 工程概况

马家田尾矿库由原冶金部长沙黑色金属矿山设计院设计，攀钢冶建特种公司施工，该尾矿库始建于1966 年12 月，1970 年5 月竣工投产。马家田尾矿库为山谷型尾矿库，设计总库容为1.86 亿m3，有效库容1.60 亿m3，采用上游法筑坝，自然分散放矿，设计平均堆积坡度1：6，使用期设计等别为二等，尾矿库设计最终堆积坝标高1300m，设计坝高为210.00m，设计堆积高度为175.00m，属山谷形尾矿库，位于攀枝花市密地大桥附近金沙江南岸马家田村和阿署达村之间的阿署达沟谷内，沟谷总体呈南北走向。库区东临营盘山，西临松树山梁子和王家山梁子，南临瓦屋山，北面是低山丘地带，库区汇水面积约17.92km，阿署达沟主沟长约6.57km，纵坡度4.8%。研究区位于金沙江南岸的阿署达沟内，距金沙江直线距离约1.2km，库区坝顶与金沙江江面高差约280m，阿署达沟内库区水流自南向北汇入金沙江，枯水季节水流微弱，雨季水流大增。区域上马家田尾矿库周边发育的断裂主要有：昔格达断裂、李明久断裂、倮果断裂、纳拉箐断裂及弄弄坪断裂。昔格达断裂第四系地层变形强烈，温泉沿断裂多处分布，是一条中强活动性的断裂，新九以南的活动强度大于新九以北，该断裂位于研究区东侧，距研究区直线距离约16.5km。李明久断裂位于研究区东北侧，研究区距该断裂带直线距离约14.2km。

2 尾矿堆积坝稳定的影响因素分析

影响尾矿堆积坝稳定性的因素很多，包括尾矿堆积体物理力学性质、尾矿库内水文地质条件、地震作用、坝坡形态、人为因素和其他外围影响因素。现就几种主要因素分析如下：

2.1 尾矿堆积体的性质、结构

堆积体的密实度、抗剪强度、固结程度以及颗粒的成分、大小、形状以及有无软弱夹层分布和渗透性的大小都直接控制着堆积体的稳定性，堆积体强度愈高则产生抗滑力越大，这是影响堆积坝稳定性的最主要内部因素。

2.2 水文地质条件

包括地下水的埋藏条件、流动、潜蚀情况、动态变化以及地表水作用。不合理的浸润线位置，不利于尾矿坝稳定，一方面孔隙水分布不利于尾矿的密实和固结，尾矿物理力学性质有所降低，地震时高孔隙水压力极易导致尾矿液化，产生溃坝破坏；另一方面地下水渗流对坝体坡面产生渗流压力，加大了堆积体的下滑力，不利于堆积体稳定，当渗透压力过大时易产生流沙管涌等渗透变形破坏，对坝体稳定极为不利。因此，控制地下水分布，降低堆积体浸润线，对提高坝体强度，降低地下水的负作用，对坝体稳定极为有利。

2.3 地震作用

受地震力作用，一方面地震作用力直接作用于堆积体，增加了坝体下滑力，对坝体稳定不利；另一方面，瞬时地震力作用，产生高孔隙水压力，堆积体有效应力减弱，堆积尾矿极易发生地震液化，产生溃坝等灾害，对坝体产生致命破坏。

2.4 坝坡形态

堆积体是按照一定坡率逐层堆积而成，坡率越大，坝体越高，坝体的稳定安全系数愈低；但过度的降低坡率坡高，则是对库容的浪费，经济成本相应急剧增加。因此，确定合理的坡率和坝高，对尾矿库的正常建设运行较为重要。

2.5 人为因素

堆积坝的设计是否合理、施工质量是否满足要求直接影响到堆积坝的稳定性；尾矿库运行管理、尾矿设施的维护、堆积坝上的绿化情况以及周边环境的保护均对堆积坝的稳定有重要影响。需重点说明的是尾矿上升速度对尾矿堆积坝稳定性影响较大，堆积子坝速度过快，会导致尾矿砂土来不及完成固结过程，尾矿堆积体密实度下降，最终结果是尾矿堆积体抗剪强度降低，不利于堆积体稳定。同时，堆积速度过快，堆积体内孔隙水来不及排出，也会导致浸润线位置上升，同样对堆积体稳定不利。

2.6 其他外界影响因素

尾矿库属大型危险源，其安全稳定易受外界环境影响，如：堆积尾矿存在饱和粉砂、粉土，在震动时易液化，库区周边应严格控制爆破施工，或减小爆破装药量，将震动控制在一定范围内；坝面上严格控制施工堆载或者堆弃杂物；为保证坝面植物恢复，防治水土流失，减少坝面排水沟淤塞，坝面应禁止放牧和人为活动；库区周边应定期巡查，及时发现新生滑坡、泥石流、崩塌等不良地质作用，并采取措施消除隐患。

3 尾矿库现状稳定性初步定性分析

马家田尾矿库设置了较为完善的库内排洪、排渗设施和先进的浸润线、位移沉降监测系统，建成并投产后，库区即设置专门的尾矿库管理队伍进行尾矿库的日常运营和安全维护工作。根据现场调查，尾矿库初期坝坝脚渗水清澈透明，无肉眼可辨杂质，未见地下水浑浊现象，坝脚渗水正常，初期坝地下水位埋藏深达32.1m，接近坝底标高，坝面未见悬挂水溢出、潮湿现象；尾矿堆积坝坡面平整完好，普遍覆土植草，植被生长茂盛，坡面冲刷少，水土保持良好，坡面干燥，未见悬挂水溢出或坝面局部潮湿现象，坝体渗流正常，坝面未见沉陷、拉裂等破坏迹象；库区内及周边排洪排渗设施运行正常；根据收集的自使用以来的浸润线监测资料，库内浸润线长期保持较低水位，随堆积坝高度的增加浸润线有一定上浮，但幅度很小；根据收集的近一年变形观测数据结果（见表3.5.3-1～3），2018 年4 月16日～2020 年2 月24 日期间尾矿库各监测点累计水平位移量为0～6mm；累计沉降量为-5～6mm，尾矿库初期坝、堆积坝坝坡的位移沉降较小。现状初期坝和堆积坝运行情况正常，坝体稳定。

2008 年8 月30 日16 时30 分，四川省攀枝花市仁和区、凉山州会理县交界处发生6.1 级地震，宏观上未发现地震对尾矿库的破坏现象，“8.30”地震后未发现排水构筑物有损坏的地方，沉积滩、堆积坝未发现异常变形，未出现喷水冒砂现象，所有排渗设施的渗流水量稳定，水质清澈，说明坝体内部结构正常。地震前后的观测数值正常，根据对地震前后的位移观测、浸润线水位观测结果进行对比分析可以看出，2008 年“5.12”汶川地震前各代表性位移观测点位移波动最大幅度为6mm。“5.12”汶川地震后，极个别点位移波动幅度增加了1mm。“8.30”地震后，各位移观测点位移波动幅度均没有再增大。总体上研究认为“8.30” 地震对马家田尾矿库影响甚微。

4 尾矿堆积坝的破坏模式分析

4.1 渗透变形破坏

尾矿堆积是尾矿浆液固液两相分离、固相堆积、液相排渗的一个复杂过程。受水动力作用，堆积体内分布着复杂的渗流场，当渗流水的坡度或流速达到一定数值时，就会引起尾矿颗粒的冲蚀，从而引起坝体的变形和破坏，产生渗透变形破坏。堆积尾矿存在渗透破坏可能，应进行渗透破坏分析。

4.2 滑动破坏

尾矿堆积坝在外坝面形态上属于斜坡地形，存在临空面，堆积坝体就存在了滑动破坏的可能性；根据尾矿堆积体的物质组成，堆积尾矿可分为尾细砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土，由于尾矿库长期以来一直处于生产运营中，堆积年限长的尾矿固结程度高，强度也高，而新近沉积尾矿则固结程度弱，强度相对低，构成地层的各向异性和不均匀性，堆积体滑动破坏模式类似于土质边坡，以圆弧滑动破坏为主。因此，为评价堆积尾矿的稳定性，需进行坝体的稳定性验算，考虑到其属松散堆积体，其潜在破坏面基本上为圆弧形，稳定性计算可按圆弧法进行。

5 尾矿堆积坝的渗透稳定性评价

尾矿堆积体水文条件表明，尾矿堆积体覆存着大量的渗流水，当渗流水的坡降或流速达到一定数值时，就会产生尾矿堆积体的冲蚀，从而引起坝体的变形和破坏。渗透变形的产生及其发展与土的颗粒级配和渗流的水力条件因素有关，其表现形式有：管涌、流土、接触冲刷和接触流失。由于年代久远，初期坝和坝基的设计和施工过程是否设置反滤措施不得而知，但经过长期的运行状态反映，初期坝及坝基发生渗透破坏的几率较低，因此，尾矿堆积坝的渗透变形将主要表现为堆积尾矿的管涌和流土。

6 尾矿堆积坝的抗滑稳定性评价

为了评价尾矿堆积坝稳定性，垂直坝轴线方向共布置了1－1’、2－2’、3－3’、4－4’、5－5’、6－6’共6 条贯穿尾矿库的勘探线，作为稳定性验算分析的断面。按《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB50547-2010）［6］推荐的简化bishop 法和瑞典圆弧法，对坝体静力稳定性进行分析验算。根据《尾矿库堆积坝岩土工程技术规范》（GB 50547-2010）［6］中第6.0.10 规定，结合本库尾矿地层类型及性质，采用圆弧形滑动安全系数计算，分正常运行、洪水运行及特殊运行三种条件进行稳定性验算。由于马家田尾矿库需于2020 年底闭库，根据尾矿作业区提供的每年堆积高度统计表，目前尾矿堆积速度约3m/年，按此速度2020 年底堆积坝最终标高仅增加1.5m，对整个尾矿堆积坝稳定性影响可忽略，因此本次仅验算现状坝高（阿署达沟库区1273m，龙潭沟库区1271m）的稳定性。

验算时最高洪水位根据历史浸润线观测数据，按研究区实测水位抬高2m 考虑。地震验算参数取值：地震烈度7 度，水平地震系数0.10，地震作用综合系数0.25，地震作用重要性系数1.0。计算结果表明：（1）正常运行状态下，各剖面的潜在破裂面下的坝体稳定系数均满足规范要求，现状坝体处于稳定状态。（2）洪水运行状态下，各剖面的潜在滑面下的坝体稳定系数有一定幅度的下降，但下降幅度不大，且均满足规范要求的安全系数。（3）在特殊运行状态下，各剖面的潜在滑面下的坝体稳定系数均出现大幅度下降，但仍大于规范要求的不同计算方法的最小安全系数。

以上研究表明，尾矿库现状是稳定的。考虑到闭库实施后，不再进行排矿，坝体浸润线会有一定降低，将对坝体稳定更为有利。因此，现状尾矿库可以进行相应的闭库设计和处理，建议尽快实施完成，并加强闭库后相应的后期管理维护工作。