磷石膏库调洪演算与尾矿堆积坝稳定性分析

胡章地 胡雅文 李 博 李志国 邱丹丹 胡文军

（1、湖北大楚注册安全工程师事务所有限公司，湖北 武汉430073 2、湖北虎渡河科技有限公司，湖北 荆州434300 3、武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉430073）

1 概述

DS 磷石膏库最终设计标高为420.0m，设计总坝高95.8m，设计总库容为1457.74×104m3。目前现状磷石膏DS 磷石膏库堆积坝标高408.7m，相应总坝高84.5m，已堆积磷石膏约600×104m3。DS 磷石膏库等别均为三等，其主要构筑物按3 级建筑物考虑，次要建筑物和临时建筑物按4 级建筑物考虑。为了评价DS 磷石膏库的安全现状，本文对DS 磷石膏库尾矿堆积坝进行调洪演算与稳定性分析。

2 DS 磷石膏库防洪安全复核

2.1 洪水计算

根据企业地理位置查《湖北省水文手册》，计算得水文参数，采用推理公式求得各区域洪峰流量、汇流时间与24 小时洪水总量。计算结果如表1 所示。

表1 洪水计算结果

2.2 防洪安全复核

DS 磷石膏库等别为三等，根据《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013），设计防洪标准洪水重现期为500 年一遇。周边截水沟按照Ⅱ类一般工业固废标准校核，防洪标准重现期取50 年一遇。

2.2.1 DS 磷石膏库内防洪安全复核

目前，场内简易排水斜槽- 排水涵管已实施反滤封堵，场内来水依靠现有调蓄库容进行调蓄，根据DS 磷石膏库现状地形图，堆积坝顶部408.7m 标高以下形成的调洪库容约为204.72×104m3，DS 磷石膏库内防洪安全分析按照全面积汇流计算，不考虑周边截水沟拦截作用。按照500 年一遇形成的一次24h 洪水总量为29.62×104m3，因此现状条件下库内调蓄库容远大于一次性洪水总量，可容纳500 年一遇工况下一次洪水总量。

通过现状调洪演算分析，在500 年一遇洪水运行工况下，DS磷石膏库内调蓄库容远大于500 年一遇形成的一次24h 洪水总量，考虑极端情况下DS 磷石膏库内两次500 年一遇形成的一次24h 洪水总量相互叠加，当洪水占用场内调蓄库容59.24×104m3，洪水期场内最高洪水位为402.1m。

2.2.2 截水沟防洪安全复核截水沟为清污分流，不参与DS 磷石膏库防洪能力计算，其防洪能力按照50 年一遇进行复核，截水沟过流能力按照明渠均匀流公式计算。

经计算，当截水沟内下泄流量为截水沟以上对应汇水面积内50 年一遇洪峰流量2.59 m3/s 时，沟内水深为0.47m，相应安全超高为0.33m，截水沟防洪能力满足相应要求。

3 尾矿堆积坝稳定分析

分别考虑坝内正常水位、洪水水位、地震+洪水水位三种工况，计算坝体内侵润线位置、水力坡降。正常水位以目前该坝内水位为准，根据该磷石膏厂勘察资料得，正常水位位于高程398.0m；洪水水位根据调洪演算得知，位于高程402.1m，安全超高为6.6m，大于尾矿设施设计规范（GB50863-2013）中规定的三等库满足最小安全超高0.7m，符合条件。该坝体场地地震基本烈度为Ⅵ度，计算时取地震加速度值为0.05g。

3.1 坝体渗透稳定性分析方法

渗透计算选用有限单元法，设置边界条件，计算浸润线位置，坝体和坝基的渗流量以及坝体出逸段的水力坡降[3]。

有限单元法是用有限个单元的集合体代替连续的渗流场，单元间的结合点称结点。选择简单的函数关系近似地表示单元上的水头分布，最后解得渗流场节点处满足一定精度的水头值。

3.2 坝体抗滑稳定性分析方法

根据《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013），尾矿坝的抗滑稳定性应根据坝体材料及坝基岩土的物理力学性质，考虑各种荷载组合，经计算确定。尾矿坝稳定计算采用规范推荐的简化毕肖普法（总应力）。

3.3 DS 磷石膏库稳定最小安全系数

本地区地震烈度为6 度，采用毕肖普法计算时，根据《尾矿设施设计规范》相关规定，在坝体稳定性计算分析中，考虑正常运行、洪水运行、特殊运行三种工况。得出DS 磷石膏库坝坡抗滑稳定的最小安全系数指标为：水位处于正常水位时，K≥1.30；水位处于最高洪水位时，K≥1.20；水位处于最高洪水水位且遇到设计烈度地震时，K≥1.15。

3.4 软件计算及结果分析

计算软件采用Autobank 软件[2][4]。Autobank 软件是由河海大学针对我国水利行业的要求而设计的，采用有限元技术，可对堤防、土坝、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算。它可将渗流、稳定、应力计算实现一体化，使各计算阶段无缝结合。通过计算，可以获得浸润线位置、所有节点水头值、不同百分比的等势线等成果。该程序输入参数较少，使用简便，同时计算结果具有较高的精度，可以满足实际工程的技术和精度要求。

选取最大坝高截面作为计算剖面。使用Autobank 水工结构分析系统建立材料分区模型、有限元网格模型。

磷石膏及坝体物理力学参数参考国内已有工程选取，坝基基岩物理力学参数根据企业相关报告确定。计算所选取各种参数如表2、表3 所示。

表2 岩土层渗透系数表

表3 抗滑稳定计算物理力学指标

在正常运行、洪水运行及特殊运行（洪水+地震）工况下，抗滑稳定安全系数计算结果汇总与评估如表4 所示。

表4 抗滑稳定安全系数计算结果汇总

4 结论

本文研究了DS 磷石膏库资料，利用资料进行了调洪演算与稳定性分析计算。

经调洪演算分析，在500 年一遇洪水运行工况下，DS 磷石膏库内调蓄库容远大于500 年一遇形成的一次24h 洪水总量。截水沟防洪能力满足相应要求。

经稳定性分析计算，DS 磷石膏库在正常运行、洪水运行、特殊运行（洪水+地震）的工况之下抗滑稳定安全系数分别为1.39515，1.20112，1.15129，分别大于规范值1.30，1.20，1.15。

结合分析结果，本文建议DS 磷石膏库按照国家有关规定进行“三同时”管理，做到本质安全；加强现场管理；加强安全检查；隐患及时治理；加强安全培训教育：加强监测监控；制订应急预案并演练，有备无患。