红河某尾矿库坝体渗流稳定性分析

杜志锦 黄德镛 杨 洋 郭 琦 耿元玲

(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

尾矿库是矿山选矿厂运行必不可少的设施，它直接影响着矿山下游的居民和设施[1]。截至2015年初，我国统计有11 359座尾矿库，大部分矿山尾矿库选用上游法堆筑的方式，此类尾矿库安全风险高，形势极为严峻[2]。国内外尾矿库安全事故大多与降雨有关，因发大水导致尾矿库事故约占事故灾害总数的一半[3]。随着计算机数值模拟的发展，国内外对尾矿坝渗流场的研究日益增多[4]。李亮等[5]在尾矿库概化模型基础上，假定不同的浸润线深度及平均坡度，使用FLAC2D模拟软件对尾矿坝的稳定性进行了分析。沙鹏等[6]在统计岩体力学理论的基础上，考虑了渗透率和压力系数的影响因素，对以往浸润线方程法和结构进行了一定的改变和修正，并采用C#语言针对岩体边坡的稳定性进行计算编写了程序，通过实例验证了方程的正确性及程序的可用性。尹光志等[7]利用2D-FLOW模拟软件对龙都尾矿库在不同工况下的稳定性进行了模拟计算，获得了龙都尾矿库在不同条件下的渗流规律。赵冰等[8]通过物理相似模型试验和三维数值模型得到浸润线形态，分析总结某尾矿库坝体浸润线的埋深与变化规律，并计算分析了在不同工况条件下的规律。

本文以云南红河某尾矿库为研究对象，综合考虑分析尾矿坝的渗流稳定性与静力稳定性。通过现场观测浸润线位置、室内土工试验和数值模拟等方法，研究尾矿坝的浸润线规律，计算在不同工况下的尾矿坝稳定性。

1 工程概况

尾矿库为河谷型尾矿库，最终堆积高度达到169 m，总坝高49 m，库容量98.3万m3，尾矿可堆积5.8 a，根据库容、坝高和使用年限，本工程属于Ⅳ等工程规模。初期坝坝高高度为20 m，坝顶宽2.25 m，在初期坝坝脚设置排水棱体，上游坡坡面设置反渗层，降低坝体浸润线，防止尾矿库坝体发生管涌和流土等不良现象，从初期坝顶高程开始，尾矿库开始利用尾矿堆坝，采用上游式堆积。放矿方法是用放矿支管在坝前均匀放矿，保证粗颗粒沉积在坝前，细颗粒排至尾矿库内。人工碾压堆积子坝，堆积材料使用粗颗粒尾矿砂，堆积的子坝高度控制在1～2 m，随堆积坝子坝的抬高不断移动放矿管，堆坝外坡度控制在1∶4左右。

2 室内试验

尾矿材料的渗透性大小决定了尾矿坝的渗流稳定性，渗透变形使得尾矿坝的稳定性降低，进而发生溃坝，故研究尾矿材料的渗透性极为重要。不同的尾矿渗透试验方法不同，需要对尾矿进行颗粒级配测定，选用相应的渗透试验方法[9]。根据不同粒径土壤颗粒在静水中的不同沉降速度，用土壤比重计测定了不同时间土壤颗粒与水混合悬浮液的密度，并计算出一定粒径的百分含量。经过在现场取代表性尾矿进行室内颗粒分析试验，得到该选厂尾矿的粒度分布，见表1。

表1 尾矿的粒度分布Table 1 Particle size distribution of tailings

由表1数据计算可知，该尾矿颗粒加权平均值dp=0.081 mm>0.075 mm，其含量为64%>50%，按照尾矿分类，该尾矿颗粒较粗，属于较粗颗粒，继而选用70型渗透仪进行常水头渗透试验。通过室内渗透试验测定不同部分的渗透系数，试验结果如表2所示。

表2 各土层渗透系数Table 2 Permeability coefficient of each soil layer

尾矿坝稳定性定量分析离不开尾矿的力学性质指标。物理力学参数的合理取值对模拟的结果有很重要的影响，对调查尾矿样进行了大量的现场和室内常规试验及直剪试验，得到大量的尾矿介质的物理力学参数，参考相关的尾矿介质物理力学参数经验值的基础上，对各种试验数据进行筛选，最终得到各土层的物理力学指标见表3。

表3 土层计算参数Table 3 Calculation parameters of soil layer

3 尾矿坝浸润线分析

根据库区现场调查情况使用测压管测量并记录浸润线形态，根据实际情况选取5个高程位置设置钻孔，在相应高程的平面位置，设置3个不同的钻孔。采用有限元法对尾矿坝渗流场进行分析，渗流计算是基于饱和非饱和土的达西定律和渗流计算基本方程，经过建模与分析，确定了渗流计算的边界条件和渗透系数。本文利用Geo-studio软件中的SEEP/W模块对该尾矿坝的二维渗流场进行对比分析，为方便更好的分析计算，取典型剖面进行分析，并对计算模型进行一定的简化，即不考虑堆积尾矿的颗粒组成、沉积情况及尾矿冲积分层情况，将地层概化为初期坝、堆积坝与地层三种岩层来模拟分析浸润线位置。模拟所得到的浸润线位置与库区实测浸润线进行对比，来验证所建模型的合理性。所建模型介质离散化采用适应性单元划分匹配，单元最大边长控制为10 m，共划分出1 432个单元，节点总数为1 368个，模型底部和右侧设定为隔水边界，坝顶干滩后方设定为定水头边界，其数值根据不同工况条件进行设定，为有效反映现实情况中排水沟等状况，设定初期坝坝脚及堆积坝坝坡浸润曲线为定流量边界。现场调查该尾矿库的干滩长度约为100 m，图1为正常运行工况下的渗流模拟计算结果，图2为正常运行模拟计算的渗润线与实测渗润线的对比图。

图1 正常运行浸润线形态Fig.1 Morphology of saturation line in normal operation

图2 浸润线数值模拟与实际勘查结果对比Fig.2 Comparison between numerical simulation and actual exploration results of phreatic line

从图1可以看出，尾矿坝在正常运行工况下浸润线在坝体内部下游坝坡上没有溢出点，在正常情况下尾矿坝稳定，坝体内部不会造成流土、管涌等渗透性破坏。由图2可以看出，数值计算得到的浸润线与实测值基本吻合，最大误差在30 m处，位置相对降低3.4%。随着渗透距离的增加，两者之间对应各点距离也基本重合，在一定程度上可以反映实际的尾矿库特征。因此，在实际模型与理论模型的相互转化过程中，对问题进行简化，有利于对问题进行分析研究。

4 尾矿坝稳定性分析

该尾矿库属于Ⅳ类库，按照《尾矿库安全技术规程》的要求和规范，该尾矿库最高洪水位至沉积滩顶的最小长度为50 m。为了分析研究该尾矿库坝体的稳定性，根据上述模型，采用有效应力法，分析正常运行(筑坝期正常高水位渗透压力+坝体自重+坝体与坝基中孔隙压力)、洪水运行(坝体自重+坝体与坝基中孔隙压力+最高洪水位形成的稳定渗透压力)及特殊运行(坝体自重+坝体与坝基中孔隙压力+最高洪水位形成的稳定渗透压力+地震荷载)下的尾矿库坝体稳定性。

为实现洪水运行工况的分析，用百年一遇24 h强降雨即干滩长度为50 m来进行模拟计算。为实现特殊运行工况的分析，采用拟静力法来对地震进行模拟，即用静力施加在岩土体上等效代替地震对岩土体的影响。在水平和竖直两个方向施加加速度，根据调查资料，该地区设防烈度为6度，查相应资料可得，地震峰值加速度为0.05 g，垂直加速度是水平加速度的2/3，故垂直加速度为0.033 g。

本文首先采用Geo-studio软件中SEEP/W模块对该尾矿坝的渗流场进行二维渗流场分析，得到尾矿库坝体的浸润曲线与孔隙水压力分布情况，将得到的结果耦合到该软件中的SLOPE/W模块，分别采用Bishop法与瑞典圆弧法两种分析方法，获得最危滑动面与滑动面上的抗滑稳定性安全系数，并通过数值模拟来分析该断面上的应力、应变规律。图3是三种工况下的浸润线形态及滑移面情况。

图3 不同工况下最危滑移面情况Fig.3 The most dangerous slip surface under different working conditions

分析图3可见，三种工况下，尾矿库的浸润线都未从坝坡表面溢出，但埋藏深度越来越浅，最低埋藏深度由4.26 m降至1.87 m，降低了56.4%。与正常工况比较，洪水工况与特殊工况浸润线出现在滑移坡面内，滑移坡面上移且范围变大，分析其原因，由于水位的增加与地震荷载致使尾矿体的渗透系数及力学性能发生改变，从而使浸润线抬升，滑移坡面上移范围变大。但3种工况下滑移失稳坡面的形状是相似的，说明渗流场与力学场在一定因素下存在一定的联系。由图4可知，与正常运行对比，其余两个工况下运行的条间法向剪切力增大，坡体容易发生偏移，进一步对滑移坡面的稳定性安全系数进行计算，验证其正确性。

图4 最危滑动面条间法向剪切力Fig.4 Normal shear force between critical sliding surfaces

表4给出了采用两种稳定性分析方法时的稳定性安全系数，由表4可以看出，在三种工况下尾矿库坝体稳定性安全系数均满足规范，坝体是稳定的。相较于正常运行工况，洪水运行工况与特殊运行工况其稳定性安全系数减小了2.17%与15.6%。在相同条件下，运用瑞典圆弧法得到的稳定性安全系数要比简化Bishop法得到的安全系数小，说明瑞典圆弧法得到的结果更保守，运用瑞典圆弧法进行计算的结果更能保证安全性。

表4 不同工况下稳定性分析结果Table 4 Stability analysis results under different working conditions

5 结论

对红河某尾矿库进行建模、二维渗流场浸润线形态分析及三种不同运行工况条件下尾矿库坝体稳定性安全系数的模拟计算，可以得到以下结论：

1)将土层简化进行渗流计算结果显示，遇到百年一遇24 h强降雨情况，即洪水水位相较于正常水位，渗润线高度提升，但浸润线没有从坝坡处溢出，不会对坝体产生渗流破坏。

2)基于渗流计算的稳定性分析结果表明：在对正常水位、洪水水位及特殊水位工况下的稳定性安全系数进行计算得到，在三种工况下其稳定性安全系数均满足规范要求，尾矿库坝体稳定。在相同条件下，运用瑞典圆弧法得到的稳定性安全系数要比简化Bishop法得到的安全系数小，在一定条件下，瑞典圆弧法得到的数据比简化Bishop法保守。