成县梯子沟尾矿坝稳定性分析

李 琛

(甘肃省有色金属地质勘查局兰州矿产勘查院，甘肃 兰州 730046)

1 工程概况

该尾矿库位于成县黄渚镇小岭村梯子沟内。尾矿库地理坐标：E105°43′58.52″、N33°57′13.40″。地形地貌上属于西秦岭南坡侵蚀构造的中高山区，海拔1733m～1124m，相对高差609m，地形切割强烈，山势险峻，多悬崖、峡谷，该尾矿库已运营21年，现已停止生产，初期坝体采用10m高浆砌石坝体和20m高碾压土石坝加固而成。堆积坝采用上游法筑坝，形成4级堆积子坝，外坡比1:1.8和1:2.0，中间设置2条马道。

2 勘察方法及工作量

共布置勘探线3条，每条勘探线上布置不少于6个勘探点，共布置19个勘探点。勘探点间距21.8m～49.2m，勘探线间距15.5m～36.7m，孔深5.6m～27.8m，总进尺262.8m。目的是查明尾矿坝坝址区地层情况；查明尾矿的沉积规律、胶结程度及其物理力学性质指标，查明坝体内浸润线位置，取土试样和进行原位测试，获得坝体稳定性分析剖面。

3 尾矿库区岩土工程条件

3.1 地层与岩性

①-1杂填土（Q4ml）：杂色，稍湿，土质不均匀。经人工回填碾压的碎石土为主，成分以灰岩等颗粒为主，粒径大于20mm的颗粒含量占50.0以上。颗粒以棱角状居多。由大量粉质粘土及尾砂充填，粉质粘土含量约占20%左右。①-2素填土（Q4ml）：浅黄色，硬塑。②尾粉砂（Q4ml）：灰白色，呈稍湿～湿，松散～稍密状态。成分以长石、石英、云母碎屑及硫化物为主。粒径大于0.075mm的颗粒含量约占50%以上。颗粒粒度不均，呈"千层饼"状，整体成松散状，局部含粉砂及泥质，成分单一，具水平层理，呈"透镜"状。③尾粉土（Q4ml）：浅灰色、灰黑色，呈稍湿～湿，饱和，可塑～软塑状态。土质较均匀，切面较为粗糙，无光泽，干强度中等，摇震反应中等，干强度及韧性低，局部夹5mm～20mm薄层尾粉砂及尾粉质黏土层。④碎石土（Q4dl）：浅灰色、呈稍湿～湿，饱和，中密～密实状态。成分以灰岩及石英片岩为主，多呈次棱角状，一般粒径5mm～10mm，约占50%左右，最大粒径超过100mm，由大量粉质粘土及尾砂充填，粉质粘土含量约占20%左右，局部角砾含量较高。④-1粉质粘土（Q4dl）：黄褐色、可塑状态。土质不均匀，含有少量角砾及碎石，碎石含量不超过20%，颗粒母岩成分以灰岩为主。刀切面稍有光泽，无摇振反应，干强度低，韧性中等。⑤灰岩（D）：灰白，中风化，矿物成分以碳酸钙为主，隐晶结构，中厚层状构造，层面及断面均呈灰色，硬度相对较大。RQD值10%～20%。

3.2 坝体的材料组成

堆积坝的初期坝和堆积子坝由碾压土体和尾矿料堆积而成。由于后期对尾矿坝体加固，采用粉质粘土进行碾压加固，为硬塑状态。尾矿料主要由尾粉砂、尾粉土组成。堆积坝内的尾矿料呈灰白色，上部呈松散稍湿状。

3.3 库内尾砂的一般沉积规律

依据室内尾砂颗分的试验结果分析可知，根据剖面情况，尾砂在水平方向上，尾矿沿坡面向前流动过程中，细的颗粒随矿水的移动，颗粒逐渐由粗变细，靠近坝体的尾砂颗粒较粗，向库内逐渐变细，以粉土居多。

在垂直方向上，受初期坝相对倾斜地形影响，在垂直断面上颗粒由下向上逐次由细变粗。受排放尾矿时间的间歇性，放矿量、放矿浓度、压力等多种不固定因素，尾矿夹层较多，层理明显，多呈现互层形式。

靠近坝体区域，粗尾矿砂沉积较多，以尾粉砂为主。在远离坝体区域，尾矿砂向库内逐渐变为尾粉土，且由上至下尾矿总体呈现由粗变细的趋势。

3.4 物理学参数的确定

在充分考虑野外原位测试、室内常规试验等各种试验条件的基础上，参考有关规范综合确定计算剖面上各层岩土的天然重度γ、饱和重度γsat、黏聚力c和内摩擦角φ列于表1。

表1 稳定性计算参数

根据《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)的4.6.3规定，计算过程中地震烈度为Ⅷ度时，水平方向地震系数取0.07，垂直方向地震系数取0.047。

4 稳定性分析

尾矿体颗粒细小，为散体堆积物。尾矿库的稳定性计算，主要还是沿用经典土力学理论，将其视为边坡。计算方法以极限平衡法为主。本文同时采用这2种方法进行计算，并对计算结果进行对比分析。本文的稳定性计算为尾矿库堆积现状。模型考虑正常运行、特殊运行和洪水运行3种工况。因尾矿库所处地区降雨量丰富，洪水运行时假定尾矿体全部饱和。特殊运行为地震烈度Ⅷ度时。

4.1 分析方法

4.1.1 瑞典圆弧法

计算公式如下：

式中：Fs-最小稳定系数；Ci-第i条块滑面黏聚力（kPa）；φi-第i条块滑面内摩擦角（°）；ai-第i条块滑面与水平线夹角（°）；li-第i条块滑面长度（m）；Wi-第i条块滑面的土体重量（kN）；Wqh-水平地震惯性力（kN）；Wqv-垂直地震惯性力（kN）；Yed-圆心至水平地震力作用线的垂直距离（m）；Yc-圆心纵坐标（m）。

4.1.2 毕肖普法

计算公式如下：

式中：Fs—斜坡稳定性系数，Wi—第i条块边坡土条重量，单位：kN，αi—第i条边坡土条倾角，单位：°，li—第i条边坡土条潜在滑面长度，单位：m，Ci—第i条边坡土条的内聚力，单位：kN/m²，φi—第i条边坡土条的内摩擦角，单位：°，Cz—地震影响系数，为0.2。

4.2 计算评价标准

根据《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB50547-2010）6.0规定，坝坡抗滑稳定安全系数K不应小于表2规定的数值，根据《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)的23.2.12规定，四、五级尾矿坝稳定性最小安全系数不应小于1.05。

表2 坝坡抗滑稳定最小安全系数

5 稳定性分析

5.1 分析方法的确定

当用圆弧法进行稳定性计算时一般需要假定多个不同的破坏网弧面，通过试算找出多个不同的F，以确定最小的稳定性系数。根据上述方法确定的计算剖面、计算参数与运行情况，分别用毕肖普法、瑞典圆弧法进行尾矿库现状坝的稳定性进行分析，共进行3种计算方案工作。

5.2 计算结果分析

按照计算方法进行破坏圆弧的搜索，计算结果如表3所示。

表3 稳定性计算结果

由表3可以看出，尾矿库现状正常运行条件下3种条件下2种方法计算所得的最小安全系数均均满足表4的要求，计算结果符合规范要求。

简化Bishop法所得的安全系数计算结果比瑞典圆弧法得出的结果要高3.57%～7.14%。沿着破坏圆心的轨迹线，圆心越靠近坝体，所得安全系数越小，这就意味着，与坝体下基岩或硬土层相切的圆弧将是最危险滑弧。

正常运行条件：坝体及滑动带土体均未达到饱和，土体物理力学性质均为天然状态，坝体处于稳定状态。坝体整体稳定，计算结果与坝体现状调查结论一致。

洪水运行条件：滑体土由于地表水下渗等因素影响处于饱和状态，滑体重量加大，滑带土抗剪强度下降，坝体体处于稳定状态。计算结果与实际情况相符。

特殊运行条件：计算坝体处于稳定状态。

尾矿坝现状坝稳定性计算、分析可看出，通过对最危险滑移面的搜索，正常状态和洪水运行状态下，滑移面主要沿堆积坝坝面滑移。洪水运行条件下，浸润线对坝体稳定性的影响较大，当浸润线位置较高，坝体趋于饱和状态时，坝体稳定性降低很多。

由以上计算结果、分析可以看出，尾矿坝坝体在3种工况运行条件下，堆积坝体是稳定的，满足安全条件。

在洪水运行下，坝体接近饱和，自重增加，强度降低，该坝曾在“8.12”暴洪中遭到一定的破坏。故在尾矿库运营中，必须加强对库区和库内排水设施的管理，提高尾矿坝的整体稳定性。还要做好坝体的变形监测。

6 建议

①尾矿坝在今后的闭库过程中，对浸润线、位移观测等监测设施做好维护工作，加强浸润线及位移的不间断观测。②现状堆积坝坝体应保持排水通畅，做好人工巡查工作，对堆积坝体截排水渠做好维护工作，保证畅通性。③做好尾矿库的调洪验算，满足排水要求。④做好坝体绿化维护工作，应以植草为主。⑤加强对整个尾矿库的巡视监测工作，并做好安全预防措施。