尾矿库渗流及抗滑稳定性综合评价

郝 喆，侯永莉，陈 娜，滕 达

(1.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110013)

0 引言

尾矿库是矿山的重大危险源和污染源，一旦溃坝将造成巨大的灾害损失，并引发严重的环境问题.尾矿库的溃坝主要由洪水漫顶、坝体稳定性不足和渗流破坏等原因引起[1].尾矿坝的抗滑稳定性和渗流稳定性是影响其安全稳定的两大因素[2]，也是导致各种溃坝原因的根源所在.其中，抗滑稳定性分析可以控制坝体稳定性不足的问题；而渗流稳定性分析可以保证浸润线满足埋深要求，结合筑坝管理措施控制干滩长度和安全超高限值，可防止洪水漫顶的发生.渗流稳定性分析还可以控制渗流破坏的发生，但目前规范[3]中还未对渗流破坏提出具体的定量计算要求.

由于尾矿库溃坝是渗流稳定和抗滑稳定综合作用的结果，因此在尾矿库稳定性评价时，对二者应同等对待.只有同时开展两种稳定性分析，并结合有效的管理措施，才能综合全面地评判尾矿库的稳定特征，据此，本文通过确定尾矿库在不同工况下的浸润线、渗流场、水力坡降、应力场和安全系数等多项指标，开展基于渗流和抗滑稳定性的综合评价.

1 模型建立及参数选取

1.1 现场简介

某尾矿库呈近东西走向.初期坝坝高13 m，坝体内、外坡比均为1∶2，材料为透水堆石坝，内坡面设砾碎石反滤层，外坡面为干砌片石护坡；尾矿堆积坝的现状坝高58 m，坝体的总外坡比约为1∶4.5，台阶外坡比约为1∶2.6，最大坝长1 005 m.尾矿库的总坝高约71 m，全库容约968万m3.依据规范[3]，该尾矿库等别为三等库.

1.2 模型建立

依据现场勘察资料，建立尾矿坝地层结构模型.另外，在勘察期间选矿厂仍向尾矿库排放尾矿浆，由于受放矿的影响，库内钻孔实测水位可能有所偏高，因此对坝体实测浸润线进行适当调整.地层结构及几何模型见图1.

1.3 网格划分

采用三角形有限元网格，将坝体划分为1 151个单元及641个节点，通过网格检验达到最优化.计算网格见图2.

1.4 计算参数及边界条件

根据岩土工程勘察结果，确定岩土体物理力学参数见表1所示.

表1 尾矿坝岩土体物理力学参数

计算边界分为渗流边界条件和位移边界条件，① 渗流边界：基岩设为不透水边界，初期坝与堆积坝面设为自由透水面，上游(滩面)及下游(初期坝)设为定水头边界.② 位移边界：左右边界设为水平约束，底部边界设为固定端约束.

2 渗流稳定性分析

2.1 浸润线计算分析

根据规范[3]规定，尾矿坝属3级上游式堆积坝，其干滩长度限值为70 m.为此，将与该滩长对应的水位设为洪水位，进行洪水工况下的二维有限元计算，分析结果见图3.

由图3可见，浸润线的埋深均大于6.5 m，满足下游坝坡浸润线埋深6～4 m限值要求[3].另外，计算浸润线的溢出点在初期坝外坡中部，可保证尾矿坝地下水通过透水坝及时排出[4]，有利于提高坝体稳定性.

2.2 渗流场分布

洪水运行条件下，尾矿坝的渗流场分布见图4，渗流等压线见图5

由图中可见，坝体内孔隙水压力最大值125.7 kPa，出现在尾矿库底部；渗透流速最大值3.42×10-5m/s，发生在初期坝浸润线溢出部位；浸润线以上呈现负孔隙水压力，负压值逐渐增大[5].

2.3 水力坡降

临界水力坡降Icr计算：Icr=(Gs-1)(1-n)[6](Gs—土粒比重；n—土体孔隙率).

尾矿库作为水工建筑物的危害较大，根据规范[7]要求，将临界水力坡降除以2.0的安全系数，得土层的允许水力坡降.

水力坡降的计算结果见表2.

表2 各土层水力坡降计算结果表

给出洪水工况下的尾矿坝渗流总水力坡降，见图6.

从图中可以看出：

1)在尾矿堆积坝内，总水力坡降均小于0.5，低于表2中的允许水力坡降值，且未发现坝体内有陡降地段，说明堆积坝满足渗流稳定性.

2)在初期坝内，水力坡降基本小于0.4，且初期坝为透水堆石坝，内坡面设反滤层，出现渗透破坏的可能性很小.

3 抗滑稳定性分析

根据规范[3]要求，针对正常、洪水和特殊等三种工况，开展尾矿坝应力分析和抗滑稳定性计算.

3.1 正常水位工况

3.1.1 应力分析

应力分析结果见图7-1～7-3.

可见，坝体内最大主应力范围25.79～2 845 kPa，最小主应力范围-34.02～1 741 kPa；主应力分布比较均匀，以压应力为主；仅在坝坡表层的局部出现主拉应力，不会影响尾矿坝整体稳定性.坝体内剪应力最大值为343.3 kPa，最小值为-71.26 kPa，剪应力分布比较均匀，自坝顶到坝底逐渐增大，无明显应力集中现象.

3.1.2 稳定性计算

抗滑稳定性分析结果见图8-1～8-2.

计算结果显示，坝坡抗滑稳定的安全系数大于规范限值(Ordinary法限值1.20，Bishop法限值1.30)，两种方法计算的潜在滑面位置相近.在正常工况下，满足抗滑稳定性要求.

3.2 洪水位工况

3.2.1 应力分析

应力分析结果见图9-1～9-3.

可见，洪水工况下，主应力及剪应力均有所增加，但总体变化趋势与正常工况相似：分布规律都比较均匀；主应力以压应力为主；自坝顶到坝底，剪应力逐渐增加，无明显应力集中现象.主应力和剪应力均无明显应力集中现象.

3.2.2 稳定性计算

抗滑稳定性分析结果见图10-1～10-2.

计算结果显示，坝坡抗滑稳定的安全系数大于规范限值(Ordinary法为限值1.10；Bishop法限值1.20)，两种方法计算的潜在滑面位置相近.在洪水工况下，满足抗滑稳定性要求.

3.3 特殊条件工况

依据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》NB 35047—2015[9]，确定条分法的条块水平和竖向地震力，计算公式为：Fn=Wiahξαi/g和Fv=1/3Wiahξαi/g，式中：ah—水平地震加速度代表值，ah=0.05 g；ξ—地震效应折减系数，ξ=0.25.则有：Fn=0.012 5αiWi，Fv=0.004 2αiWi，式中：αi—i质点的动态分布系数；Wi—i条块的重力标准值.

抗滑稳定性分析结果见图11-1～11-2.

计算结果显示，坝坡抗滑稳定的安全系数大于规范限值(Ordinary法限值1.05；Bishop法限值1.15)，两种方法计算的潜在滑面位置相近.在特殊工况下，满足抗滑稳定性要求.

4 结论

1)在洪水工况下，浸润线在初期坝的坝坡出逸，最大(渗)流速发生在初期坝浸润线出逸部位，有利于坝体稳定；最大孔隙水压力位于尾矿库底部.堆积坝浸润线埋深满足下游坝坡浸润线最小埋深6～4 m的规范要求.

2)水力坡降的计算结果表明：透水初期坝的水力坡降基本小于0.4，且溢出点水力坡降小于水力坡降限值，不会出现管涌和流土等渗透破坏现象；尾矿堆积坝体内的水力坡降均小于0.5，且低于水力坡降限值，满足渗流稳定性的要求.

3)应力的计算结果表明：主应力以压应力为主，应力分布比较均匀；仅在坝坡表层的局部出现主拉应力，不会影响尾矿坝的整体稳定性.剪应力分布比较均匀，自坝顶到坝底逐渐增大，无明显应力集中现象.

4)三种工况下的尾矿坝抗滑稳定性计算结果表明：该尾矿库在正常、洪水及特殊工况下，Ordinary法和Bishop法计算的抗滑稳定安全系数均大于规范限值，尾矿库在现状条件下满足抗滑稳定性的要求.

5)另外，经现场库区巡查，库岸边坡及库区内部未发现滑坡、崩塌、泥石流及地面塌陷等不良地质现象，两岸边坡植被生长良好，有利于尾矿坝的抗滑稳定性.

综上，通过渗流稳定、抗滑稳定和库区巡查的综合分析，评价尾矿库处于安全稳定运行状态.