青铜沟尾矿边坡稳定性分析

崔永刚

（陕西耀杰矿山设计有限公司，陕西 西安 710000）

随着国家近年来对矿山生态环境综合治理工作的重视程度不断加大，国家在矿山生态恢复工作中的资金投入力度也逐渐增大。尾矿库是矿山生态环境中较为脆弱的一部分，针对尾矿库采取安全治理和生态恢复是重要的工作内容[1-3]。尾矿库边坡的稳定性对边坡生态环境恢复具有十分重要的影响，当尾矿库 稳定性处于较低的水平时，其坡面的植被也是难以恢复的。因此，在进行矿山生态环境恢复治理工作前，分析尾矿库边坡的稳定性是十分必要的。目前，针对尾矿库边坡稳定性的主要研究方法包括：数值模拟方法[4-7]和物理模拟方法[8-10]，有较多的专家学者对这方面内容进行了相应的研究，并取得了较为丰硕的成果。青铜沟是一座汞锑矿，在多年的开采过程中，矿区生态环境遭受了严重的破坏，亟需采取措施恢复矿山生态。

1 工程概况

青铜沟矿区位于陕西省旬阳县北部，面积4.32km2。大青铜沟矿体最低开拓水平是300 m；矿山现生产能力近10×104t/a矿石，300 m标高以上采矿采用地下开采方式。矿床主要由HT21、HT24（含HT24支）、HT31等中－大型规模含矿体组成的、具有“大、富、断、中、深”等特征的巨型汞锑矿床。通过对采空区进行回填后，可保证矿区不塌陷，但尾矿库的稳定性仍然较差需要采取治理措施。

2 尾矿边坡稳定性分析

2.1 计算方法及参数

2.1.1 计算方法

主要采用数值模拟方法进行研究，根据现场调查，尾矿库边坡主要采用“放坡+挡墙”的方式进行治理。现状尾矿库边坡坡度较大，植被难以生长，边坡稳定性较低，采用放坡支护，按照一定坡比对现状尾矿库边坡进行削坡处理，并在坡脚修建挡墙以保证边坡的整体稳定性。

2.1.2 计算参数

计算参数的选取主要来自室内试验，在岩土工程勘察过程中获取现场原状试验，进行室内试验，数值模拟计算参数建议值见表1。

2.2 计算结果

表1 计算参数

2.2.1 计算模型

计算模型主要根据钻探成果，进行连层，概化数值模拟模型，计算剖面选择最不利剖面，坝基高程约694 m，坝顶高程为772 m，边坡最大高程超过80 m，边坡706 m以上部分进行放坡，坡高66 m，共分3级边坡，每级边坡高为22 m，中间预留2 m宽的平台，坡脚以下部分采用挡墙，墙净高12 m。计算参数根据表1参数进行选取，岩土体采用摩尔-库伦模型，主要计算正常工况和洪水工况下的渗流特性。

2.2.2 正常工况

正常工况下坝体的渗流情况见图1。从图1中可知，在设计水位下，尾矿库边坡的安全系数Fs=1.11，在地震（0.05 g）工况下，尾矿库边坡的安全系数Fs=1.07；在地震影响下，尾矿库边坡安全系数有所降低，但整体稳定性满足要求。在设计水位下，尾矿库边坡的变形主要集中在最下级边坡部位，影响范围较小。

图1 正常工况

2.2.3 洪水工况

洪水工况下坝体的渗流情况见图2。从图2中可知，在洪水位下，尾矿库边坡的安全系数Fs=1.03，在洪水+地震（0.05 g）工况下，尾矿库边坡的安全系数Fs=1.01；在地震影响下，尾矿库边坡安全系数有所降低，但整体稳定性满足要求。在洪水位下，尾矿库边坡的变形主要集中在最下级边坡部位，但第二级坡仍有部分区域受到影响，边坡变形范围增大。水位高低对尾矿库边坡的稳定性具有重要影响，在尾矿边坡治理工程中，应当加强截、排水措施，避免雨水在坡面汇集、入渗，软化岩土体参数，对边坡整体稳定性产生威胁。

图2 洪水工况

2.2.4 植被恢复后尾矿库稳定性分析

恢复矿区生态环境是矿区综合治理的重要目标，因此，坡面植被恢复后边坡的稳定性分析也是十分必要的。植被生长对边坡稳定性的影响可以从以下几个方面分析：

1）植被根系对松散堆积体的固定作用，植被生长后根系与尾矿渣散粒体之间的粘合力可在一定程度上保证面层的稳定。

2）植被防止坡面直接被冲刷。植被恢复后，枝叶可防止雨水直接对尾矿库斜坡坡面的冲刷，在一定程度上保护了坡面平整。

3）植被根系可在一定程度上增大岩土体的抗剪强度，根据室内力学试验结果（见图3），随着岩土体内植被根系数量的不断增大，岩土体的抗剪强度参数（内聚力C、内摩擦角φ）均有一定程度的提升，C、φ值对边坡的整体稳定性具有重要影响，C、φ值增大，可在一定程度上保证边坡面层的稳定。

4）植被生长后，根系发达的植被可能会造成岩土体颗粒空隙增大，利于雨水入渗，降低岩土体参数，从而对边坡的稳定性产生不利影响。

从图3中可知，抗剪强度参数（内聚力C、内摩擦角φ）随着试样中植被根系的数量的增大而增大。

其中内聚力C与根系数量n关系如下：

内摩擦角φ与根系数量n关系如下：

这主要是由于植被根系具备一定的“韧性”，即抗剪断能力，且植被根系多发育于岩土体内部的空隙，增大了岩土体的密实程度。

图3 抗剪强度参数与根系数量关系

3 结论

1）通过数值模拟分析，采用“放坡+挡墙”相结合的治理措施可保证青铜沟尾矿库边坡在设计+洪水工况下保持较高的安全系数；在洪水位下水位上升造成岩土体力学参数下降造成边坡变形范围增大，但整体安全系数较为可靠。

2）尾矿库边坡植被恢复后对其稳定性的影响主要集中在：根系对松散岩土体的固定作用；枝叶防止坡面直接被雨水冲刷；根系提高岩土体抗剪参数；根系对岩土体的崩解影响。

3）根据室内力学试验，抗剪强度参数与植被数量关系如下：内聚力C与根系数量n关系如下：

内摩擦角φ与根系数量n关系如下：