基于GeoStudio的某加高扩容尾矿坝稳定性分析*

宋志飞 王越 郝宇 于云鹤

(北方工业大学土木工程学院 北京 100144)

0 引言

尾矿库是用来存放矿山排出的废矿或其他工业废料的场所[1]，在矿山基础工程中具有重要地位，但同时也存在很大的危险性，若坝体失稳，将会形成巨大的泥石流，对下游的设施和民众带来巨大的安全隐患。尾矿库加高扩容后的稳定性问题一直是尾矿坝领域的热门问题。尹光志等[2]采用时程分析法分析了某高堆尾矿坝的永久变形和动力稳定性；董凤强等[3]运用流固耦合理论计算了某尾矿库加高扩容后不同运行工况下的稳定性；马波等[4]对大沙河尾矿库扩容后的稳定性进行了分析，并对加固方式提出了建议。

现有某尾矿库库容已达到极限，由于新建尾矿库投入资金过大且周围无合适用地，因此考虑通过加高堆筑高度的方式达到扩容的目的，以满足生产需求。

本文使用GeoStudio软件对加高扩容后的尾矿坝进行安全评估，为该尾矿库加高扩容设计提供技术支撑，也为类似尾矿库提供借鉴。

1 尾矿库工程概况

该尾矿库年采矿石100万t，运抵选矿厂经破碎后入磨机前甩废石约10%，余下矿石90万t。根据矿山多年统计，尾矿产率约67%，年产尾矿60.3万t，约40万m3，排矿浓度约67%。

初期坝类型为透水性很强的堆砌石坝，坝底标高为212 m，坝顶标高为228 m，坝顶宽为4 m，坝高为16 m，坝长为75 m。其上游坡高比为1∶1.7，下游坡高比为1∶1.6。在220 m标高处设2 m宽的马道。

现阶段运行的尾矿库最终设计标高为 280 m，堆积坝最大高度为68 m，最大库容为983万m3。初期坝坝顶用尾矿筑子坝，从初期坝顶处以每10 m的高度间隔设置1条4 m宽的马道，现堆积子坝标高为282.2 m，滩高为280.1 m，主坝方向干滩长约260 m。堆积子坝的等效外坡比为1∶3.2。泄洪系统采用塔—管的方式泄洪，属于三等尾矿库。

根据该尾矿库加高扩容设计，坝体终高由280 m提高至300 m，库容由980万m3增加至1 702万m3，使尾矿库可继续使用20年。主要方案是主坝方向在现尾矿堆积坝坝顶的基础上，按平均坡高比1∶4用尾矿向上堆筑加高至300 m标高，分别在280、290 m标高处设4 m宽的平台，根据《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZB J 1—1990)[5]，加高后的尾矿库堆积坝坝高H可达88 m，低于100 m;总库容V则达到1 702万m3，小于10 000万m3；该尾矿库仍在三等库标准之内。

2 稳定性计算模型构建

2.1 稳定性计算理论

计算采用的GeoStudio软件是一款高效、交互性强的工程计算仿真软件，在岩土工程设计与分析中应用广泛。本文主要通过SEEP/W以及QUAKE/W模块在不同工况下进行模拟，并根据结果对相应工况进行稳定性计算，得到不同工况下的安全系数。

查阅ZB J 1—1990可知，尾矿坝稳定性计算一般采用两种计算方法，即简化Bishop法和瑞典圆弧法；地震计算则使用拟静力法。本文选择使用简化Bishop法进行稳定性计算。

简化Bishop法主要考虑了土条间的作用力，但是忽略了各土条间切向条间力，认为其合力为水平，公式如下：

(1)

而

(2)

当考虑坝体内的渗流作用时，在工程上经常通过使用容重替代法来进行计算，公式如下：

(3)

容重替代法顾名思义，若土条是在浸润线之上则采用天然容重，若在浸润线之下则采用饱和容重[6]。其优点在于计算方便，且由于考虑了稳定渗流对于土坡稳定性的影响，因此该方法的计算精度也可以满足工程需要。其缺点是现阶段主要为工程人员经验的总结，没有形成具体理论。

2.2 建立计算模型

本文取最大标高断面处(主坝方向)进行计算，若此断面安全，则满足尾矿库加高扩容的要求。根据地勘报告，建立地质剖面如图1所示。该剖面由初期坝体、尾细沙、尾粉砂、尾粉土、碎石土、强风化岩组成。以此剖面为基础，导入GeoStudio中建立计算模型如图2所示。由勘察报告得出计算所需的土层物理参数如表1所示。

图1 尾矿库地质剖面

图2 终高建模

表1 土层物理参数

2.3 计算工况

本次计算采用简化Bishop法，根据现有土层参数，对最终300 m标高进行尾矿坝稳定性计算，并且设定3种工况：①正常水位运行工况；②特大暴雨运行工况；③特殊运行工况。

其中，正常水位运行工况水位线以实测水位线标高292.5 m进行设置，在模型右侧设置水头边界，水头高度为292.5 m，模型左侧初期坝坝脚处设压力水头，坝面设立潜在渗流面；特大暴雨运行工况中降雨强度则选取降雨强度等级划分标准中的特大暴雨强度等级，即24 h降雨总量为300 mm，并将正常水位运行所得到的浸润线位置作为条件带入；特殊运行工况设定为特大暴雨+地震的极端工况，该地设防烈度为7度，因此以0.15g进行峰值加速度修正，初始孔隙水压力为特大暴雨工况中的数值。

3 坝体稳定性分析

本次分析是以尾矿加高扩容后的标高为最终高度建立模型并进行稳定性分析，获得了3种工况下尾矿坝的浸润线位置和最不利滑面及对应的安全系数，结果如图3～图5和表2所示。

图3 终高正常水位坝体稳定性分析模型

图4 终高特大暴雨坝体稳定性分析模型

图5 终高特殊工况坝体稳定性分析模型

表2 计算结果汇总及评价

从计算结果得知，3种工况下的尾矿坝均处于稳定状态，可以安全运行。但从图4中也可以看出，在特大暴雨工况下，靠近初期坝位置的浸润线明显升高，从而导致坝体安全系数减小，并有可能使坝体发生渗透破坏。根据齐清兰等[7]的研究，必须严格控制干滩长度，增加渗流路径，使坝体稳定性得到提高。同时需要指出的是，在特殊运行工况下，虽然坝体安全系数满足规范要求，但是安全储备较小，因此也应采取一定措施，减小在暴雨以及地震作用下矿砂产生液化的可能性。

4 结论

本文通过建立某加高扩容后的尾矿坝在正常水位工况、特大暴雨工况和特殊工况3种条件下的数值模型，分析其稳定性后得出以下结论：

(1)由稳定性计算结果可知，3种工况下的尾矿坝均处于安全运行状态，满足规范要求，但是特大暴雨工况时的浸润线位置随着降雨明显抬高，因此需要在雨季增加排渗设施使坝体的浸润线降低。

(2)特大暴雨工况+地震工况时的尾矿坝坝体稳定性满足规范要求，但安全储备不是很大，因此尾矿坝加高后除了增加排渗设施外，也应对尾矿坝进行抗震加固，如对尾矿坝二次碾压、打碎石桩、坝脚处打抗滑桩等。

(3)加强尾矿库运行期间的管理和安全监测，以便及时采取措施为尾矿库的安全稳定提供有力保障。