尾矿坝固结度分区稳定性分析

田园 张三 车高凤

摘要：尾矿坝不同部位固结状态不同，对其稳定性产生影响。以陕西汉中某尾矿坝为研究对象，运用Geostudio软件中的SLOPE模块，对尾矿坝按固结度分区，并赋予每层不同的干密度进行建模分析，对比不同方案尾矿坝安全系数的变化情况。试验结果表明：固结度逐渐增加比按照完全固结方式建立模型计算得到的安全系数小，更符合实际情况;干密度整体布置偏小的尾矿坝对固结度的变化更敏感。该研究为尾矿坝稳定性分析提供更符合工程实际的计算方法。

关键词：尾矿坝;固结度;稳定性;分区;密度分布

中图分类号：TD854+6 TD7文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2020）10-0072-06doi：10.11792/hj20201015

引 言

尾矿库坝体随着时间的推移及尾矿排放量的增加会逐渐增高，由于填筑方式及排水条件的差异，尾矿坝各部位的固结状态会有所不同。早期填筑和排水条件良好的部位，可能已达到完全固结状态，即固结度接近100 %，而近期填筑及排水条件不良的部位，可能处于固结度较低的状态[1]。在尾矿坝加高过程中，坝体下部材料的排水固结速率会逐渐放缓，浸润线逐渐上升而干滩慢慢缩短，尾矿坝的稳定性也逐步降低。由于坝体不同部位材料及所处环境的不同，固结度也有所差异。固结度越高，尾矿砂的抗剪强度越大。传统计算中，为了简化计算过程，尾矿坝稳定性分析时往往将尾矿坝按完全固结状态进行计算。为得到更贴近工程实际的计算结果，在尾矿坝稳定性分析时，应考虑按照尾矿坝堆坝过程对坝体材料进行固结度分区，以获得符合工程实际的设计指标。

曹冠森[2]以四川小打鹅尾矿库为研究对象，进行不同压力下室内堆坝模型试验，得出小打鹅尾矿库孔隙水压力变化情况及固结沉降特性等;吴小刚等[3]对华东某铜矿尾矿库进行一系列固结试验，分析细粒尾矿砂的固结度与分层厚度、组成颗粒等因素之间的关系;吴光航[4]在分析尾矿库堆排运行环境的基础上，建立了一个逐级堆排的尾矿坝排水固结模型，并利用自行研发的装置对尾矿坝排水固结过程进行试验模拟;孙从露[5]以南京梅山尾矿筑坝工程为研究对象，采用室内土工试验、现场试验、数值计算等方法，对如何加速尾矿坝沉积固结进行研究;徐宏达[6-7]对不同固结度尾矿泥进行固结不排水剪切试验，分析不同固结度情况下尾矿泥的动力抗剪强度指标变化。

本文以陕西汉中某尾矿坝为研究对象，利用Geostudio软件中的SLOPE模块对尾矿坝边坡进行稳定性分析，对尾矿坝按固结度分区，并赋予每层不同的干密度进行建模分析，对比不同方案尾矿坝安全系数的变化情况，以期为尾矿坝稳定性分析提供理论支持，并为同类尾矿坝设计提供参考依据。

1 模型建立

Geostudio是加拿大Geostudio公司开发的一套功能强大、适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的软件，在地质构造、土木工程、采矿工程、岩土工程、地下水分析中得到了广泛应用。SLOPE模块是Geostudio软件中的一个模块，是计算岩土边坡安全系数的主流软件产品，可采用8种方法分析边坡稳定性问题，可对滑移面形状改变、孔隙水压力状况、土体性质、不同加载方式等问题进行分析。

利用Geostudio软件中的SLOPE模块，创建尾矿坝均质坝体模型：尾矿坝坝高90 m，初期坝坝高20 m，坝顶宽度3 m，初期坝上游坡比1.0∶1.8，下游坡比1∶2，尾矿坝坝体堆积完成后，下游坡比1∶4。干滩面坡比1∶200，拟建干滩长度100 m。为了对比干密度及固结度变化对安全系数的影响，将模型从上到下分为4层，模型示意图如图1所示。

2 计算设置

2.1 软件参数

条间力函数选项为半正弦，滑移面的滑移方向设置为从左到右，划分的条块数为30，最小滑移面深度为0.1 m，优化精度为0.01，收敛精度为1×10-7，最大迭代次数设置为2 000。

Geostudio软件应用环境由3部分组成：DIFINE，SOLVE和CONTOUR。根据上述方法和材料参数，利用DIFINE对该边坡稳定性问题进行创建，并将尾矿坝按固结度分区。为了研究固结度对尾矿坝安全稳定性的影响，沿坝的垂直方向，设置尾矿沉积自上而下呈由粗变细特征。

2.2 抗剪强度

为了得到尾矿砂的抗剪强度指标，按照GB/T 50123—1999 《土工试验方法标准》[8]在三轴剪力仪上进行试验。对尾矿砂试样进行重塑，使其干密度分别为1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3。 在三轴剪力仪上，对每个干密度试样分别施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 4个围压，并对每个围压下的试样设置不同固结度（25 %、50 %、75 %、100 %），进行三轴不排水剪切试验，以获得抗剪强度指标C和φ值。

2020年第10期/第41卷安全与环保安全与环保黄 金

2.3 模型对比

由于本项目尾矿砂实测干密度为1.55～1.75 g/cm3，因此在建模时考虑尾矿坝从上到下每层的干密度变化，使其干密度从1.55 g/cm3逐渐过渡到1.75 g/cm3。同时，尾矿坝堆积也是干密度逐渐变大的过程，因此将上层干密度设置为比下一层干密度小。为了方便进行对比，将第一组材料从上至下干密度设置为1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3、1.75 g/cm3;第二组材料从上至下干密度设置为1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3;第三组材料从上至下干密度设置为1.55 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3。为了对比固结度变化对尾矿坝安全稳定性的影响，分别设置同种干密度下固结度从上至下分别为25 %、50 %、75 %、100 %的模型，并與4层完全按固结度100 %设置的模型进行对比，结果如图2～4所示。固结度及干密度对应的总应力抗剪强度指标如表1～3所示。

3 結果分析与讨论

3.1 固结度

利用Geostudio软件对建立的模型分别进行求解，根据极限平衡法中的Bishop法进行计算，得出尾矿坝各模型的最小安全系数，同时将每组固结度及安全系数进行对比。

干密度分布形式相同，固结度分布不同的模型1

与模型2对比，结果如图5、图6和表4所示。

干密度分布形式相同，固结度分布不同的模型3与模型4对比，结果如图7、图8和表5所示。

干密度分布形式相同，固结度分布不同的模型5与模型6对比，结果如图9、图10和表6所示。

由结果可知：模型1、模型2计算得到的安全系

数分别为1.684，1.728;模型2的安全系数比模型1大0.044。模型3计算得到的安全系数为1.506，模型4的安全系数为1.595;模型4的安全系数比模型3大0.089。模型5计算得到的安全系数为1.423，模型6的安全系数为1.534;模型6的安全系数比模型5

大0.111。对比3组数据可知：随着干密度的逐渐减小，尾矿坝分布颗粒越细，按固结度逐渐增加（固

结度从25 %到100 %）计算得的安全系数比按完全固结（固结度100 %）计算得到的安全系数明显减小，这说明干密度整体布置偏小的尾矿坝模型对固结度的变化更敏感。

由AQ 2006—2005 《尾矿库安全技术规程》[9]可知，本项目所建尾矿库属于三等库，其坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.2。本项目6种不同模型计算求得的安全系数均大于1.2，符合设计要求。

3.2 干密度

模型1、模型3、模型5都是将固结度按照从上至下分别设置为25 %、50 %、75 %、100 %，更符合工程实际。为了对比干密度分布对安全系数的影响，将

模型1、模型3、模型5的安全系数进行对比，结果如表7所示。

由表7可知：模型1干密度分布从上至下分别为1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3、1.75 g/cm3，安全系数为1.684;模型3干密度分布从上至下分别为1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3，安全系数为1.506;模型5干密度分布从上至下分别为1.55 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3，安全系数为1.423。由此可见，安全系数的大小与干密度的分布形式有关，其随着干密度的增大而增大。因此，在进行尾矿坝稳定性分析时，有必要将尾矿坝按固结度分区，对每一区域尾矿砂赋予不同的抗剪强度参数，得到更符合工程实际的建模计算结果。

4 结 论

1）在干密度分布形式相同的情况下，完全固结的尾矿坝比逐步固结的尾矿坝安全系数更大，也更为安全。

2）干密度整体布置偏小的尾矿坝对固结度的变化更敏感。

3）尾矿坝安全系数按固结度100 %计算得到的结果偏大，这种计算方法对实际工程不利，计算结果更偏于危险。为了得到更加合理、安全的设计方案，在尾矿坝设计时，应按固结度不同对尾矿坝进行分区建模，以得到更加符合工程实际的计算结果。

[参 考 文 献]

[1] 田园.尾矿料固结特性及其尾矿坝稳定性研究[D].西安：西安理工大学，2013.

[2] 曹冠森.小打鹅尾矿库坝体固结沉降试验与数值模拟[D].重庆：重庆大学，2016.

[3] 吴小刚，汪斌，项宏海，等.饱和细粒尾矿大变形固结试验在尾矿库的研究及应用[J].金属矿山，2009（2）：53-56.

[4] 吴光航.逐级湿堆尾矿加速排水固结试验研究及装置研制[D].南宁：广西大学，2015.

[5] 孙从露.高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究[D].大连：大连理工大学，2015.

[6] 徐宏达.不同固结度尾矿泥CU试验和抗剪强度指标[J].中国矿山工程，2005（1）：45-47，40.

[7] 徐宏达.不同固结度尾矿泥动强度的试验和推求[J].中国矿山工程，2004（5）：26-29.

[8] 国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部.土工试验方法标准：GB/T 50123—1999[S].北京：中国计划出版社，1999.

[9] 国家安全生产监督管理总局.尾矿库安全技术规程：AQ 2006—2005[S].北京：中国计划出版社，2005.

Analysis of the tailings dam stability based on consolidation degree divisions

Tian Yuan1，Zhang San2，Che Gaofeng3，4

（1.Yangling Vocational and Technical College;

2.School of Automation，Xian University of Posts and Telecommunications;

3.Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering，Lanzhou Institute of Seismology，CEA;

4.Geotechnical Disaster Prevention Engineering Technology Research Center of Gansu Province）

Abstract：Different consolidation state of different sections in tailings dam influences the stability.This paper takes the tailings dam in Hanzhong，Shaanxi as the research subject，and uses the SLOPE module in Geostudio to divide the tailings dam according to the consolidation degree，and assigns each layer different dry density for modeling analysis，and compares the variation of safety coefficient of tailings dam in different plans.The test results show that the safety factor is smaller in the gradually increasing consolidation degree model than that calculated in the model based on the complete consolidation method，which is more in line with the actual situation;the tailings dam with a smaller overall dry density is more sensitive to the changes of consolidation degree.The research can provide more practical calculation method for tailings dam stability analysis.

Keywords：tailings dam;consolidation degree;stability;division;density distribution