劣化扰动因素下尾矿库边坡地质灾害预警及边坡稳定性分析

卢许佳，杨润基，高 庆，谭维佳

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，成都 611730； 2.中铁三局集团有限公司，成都 611730； 3.长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054)

尾矿库边坡的稳定性直接影响尾矿库的安全，是尾矿库最重要的地质灾害之一，近年来国内外许多学者对尾矿库边坡和初期坝进行了稳定性分析。方小明[1]从实践的角度出发，落实到尾矿库挡墙和排水沟的治理方面，修复了尾矿库的边坡，对尾矿库的边坡进行了设计修复；苏振宁[2]基于三维极限平衡原理从材料的破坏程度出发，分析了三维边坡的稳定性，并根据滑动面和安全系数等参数计算出了边坡的稳定性；李元奇等[3]通过分析尾矿库边坡的病害机理研究了尾矿库边坡的失稳原因，并提出了治理措施；张红[4]采用离散元法和极限平衡法对尾矿坝边坡进行了三维数值模拟分析，并研究了尾矿坝的失稳致灾因素，为今后的尾矿坝维护提供了科学的指导意见；李娜等[5]采用理正数值分析软件对尾矿库现阶段和将来增高的尾矿坝进行了数值分析，从安全系数的角度出发研究了尾矿库边坡的稳定性；徐嘉辰等[6]采用Geo-studio软件中的SLOPE/W模块对东山铁矿露天采场改建尾矿库边坡进行了稳定性分析；全超[7]采用MIDAS/GTS有限元软件研究了降雨工况下尾矿库渗流场作用下边坡的稳定性。目前研究边坡稳定的方法以极限平衡法和强度折减法[8-10]最为常见。本文在总结前人研究的基础上，采用3DMine，FLAC3D数值模拟软件、Origin后处理软件以及室内岩石力学试验等方法对拟建尾矿库3面边坡在自然和降雨条件下的稳定性进行分析，旨在为今后尾矿库的建设提供科学依据，并为今后尾矿库边坡的治理提供指导意见。

1 模拟方案

某拟建尾矿库位于一山坳中，三面环山，一面修筑初期坝，除初期坝外，其余三面均为山体边坡，其中有两处在此之前被人工开挖过，形成一小部分的人工边坡。为了保证尾矿库的正常修建，需对三面山体边坡的稳定性进行分析。已知尾矿库北侧边坡高208 m，其中自然边坡高188 m，人工开挖边坡为20 m，且在10 m高的位置设置有安全平台，宽度为4 m；尾矿库西侧边坡高124 m，其中自然边坡高109 m，人工开挖边坡高15 m，未设置安全平台；尾矿库东侧边坡高138 m，均为自然边坡，没有人工开挖。根据现场实际，为分析该尾矿库三面边坡的稳定性，设置3个剖面分别进行分析，即北侧边坡剖面设计为Ⅰ-Ⅰ剖面，西侧边坡剖面设计为Ⅱ-Ⅱ剖面，东侧边坡设计为Ⅲ-Ⅲ剖面。具体如图1所示。

图1 尾矿库边坡位置模型图Fig.1 Model diagram of tailings pond slope position

模拟方案主要为：1)将选择的3个剖面分别建立三维模型；2)设置约束条件；3)对该处的岩石进行取样，并进行室内岩石力学试验；4)根据岩石试件的试验结果，分析岩体的质量；5)对模型赋参数；6)设置工况(根据该处的地质报告可知，该区域内无地震影响，且年降水量相对较大，因此模拟工况设置为：自然工况和自然+降雨工况)；7)进行数值计算；8)分析计算结果，判断边坡的稳定性。

2 模型的建立

根据模拟方案尾矿库三面山体边坡的形态以及3个剖面边坡的高度和特点建立三维数值计算模型。计算采用强度折减法对3个剖面的边坡进行分析，研究结果通过边坡的安全系数、边坡位移及最大主应力分布三个方面来综合进行分析。建立的模型尺寸分别为：Ⅰ-Ⅰ剖面长×宽×高=423 m×2 m×258 m，Ⅱ-Ⅱ剖面长×宽×高=313 m×2 m×174 m，Ⅲ-Ⅲ剖面长×宽×高=396 m×2 m×188 m。模型建立2 772个节点，1 716个单元。同时在Ⅰ-Ⅰ剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面人工开挖边坡位置网格进行了加密处理，旨在重点监测人工开挖边坡的变形及稳定性。同时为保证模拟的正确性需对模型做出如下假设[11]：

1)各岩层均为各向同性的均质体；2)符合摩尔-库伦弹塑性理论模型；3)模拟自然工况不考虑地下水的影响，模拟降雨工况考虑降雨渗流的影响。

由于尾矿库边坡基本为自然边坡，因此模拟过程中不考虑水平应力的影响，模型仅受重力影响且重力加速度即g取9.8 m/s2。三维数值模型如图2所示。

图2 模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the model

2.1 岩石力学参数的确定

通过对尾矿库库内人工开挖过的边坡进行地质勘察可知，该区域内地质条件复杂，节理裂隙发育，岩体多呈破碎状。为更加准确的得出岩体的力学性质，对人工开挖边坡附近的岩石进行取样分析。

将现场取回的岩石样本进行切割、编号，而后进行室内岩石力学试验，本次试验主要包括：岩石的单轴抗压试验、岩石的密度及吸水率试验(由于试验结果图件居多，因此这里只展示部分图件用以说明问题)。试验结果具体如下：

1)岩石的单轴抗压强度

岩石的单轴抗压强度应力-应变曲线图如图3所示。根据图3可知岩石的单轴抗压强度约为46.55 MPa，弹性模量约为12.41 GPa。

图3 岩石单轴应力-应变曲线(部分图件)Fig.3 Rock uniaxial stress-strain curve(partial drawings)

2)岩石的密度、吸水率试验

试验步骤如下：

(1)将选取的岩样置于烘箱内，保持烘箱的温度集中在105～110 ℃，如此条件下将岩样烘24 h，而后取出冷却至室温后称量。

(2)采用煮沸法对岩样进行煮沸，经6 h后将岩样取出，分别进行冷却后的岩样称量和置于水中称量，以得出其在水中的质量。

(3)称量精度应为0.01 g。

称量结束后，通过岩石自然密度和饱和密度的计算公式可以计算得出岩石的自然密度为2.66 g/cm3，饱和密度约为2.70 g/cm3，岩石的吸水率为11%(此数值用于后续降雨模拟)。

2.2 岩体的质量评价

岩体的质量指标通过岩体的质量指标RMR和节理岩体地质强度指标GSI来综合判断，RMR指标和GSI指标的取值根据现场实际并参照《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)中岩体的单轴抗压强度、RQD值、节理间距、节理条件及岩体结构综合判定，通过对现场地质勘察可以得出边坡的岩体质量指标RMR值为39，节理岩体地质强度指标GSI值为34。

因为岩石的力学试验参数与实际岩体的质量参数具有较大的差异，因此模拟过程中，应将岩石的力学参数转化为岩体质量参数以满足模拟的正确性和科学性。根据Hoek-Brown[12]强度准则及《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)将岩石的力学参数转化为岩体的质量参数，计算公式为式(1)～(7)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，σt为岩体的单轴抗拉强度；φ为岩体内摩擦角；c为岩体的内聚力；Ei为完整岩石的弹性模量；Erm为岩体弹性模量；D为爆破影响系数，本次研究取D=0.9；mb、s和α均为岩体的材料参数；K为体积模量，G为切变模量，E为弹性模量，v为泊松比。

经计算可以得出岩体的力学参数，如表1所示。

表1 岩体力学参数Table 1 Rock mass mechanical parameters

2.3 边界条件

由图1可知，尾矿库边坡3个剖面的左右两侧均有山体。因此模型计算时，由图2所示，边坡的左侧和内外边界的位移、应力和加速度均需采用FLAC3D内置命令Fix进行约束，边坡的底部与大地相连，因此模型的底部也需进行约束，边坡坡面和顶部为自由边界，无需施加加速度、应力和位移的约束。但模拟降雨对边坡的影响时，需采用FLAC3D的内置命令Config fluid进行约束。

3 结果分析

3.1 模拟结果

模拟中采用摩尔-库伦本构模型[13]，根据模拟方案及岩体力学参数计算得到尾矿库三面山体边坡各剖面在自然和降雨工况下边坡的安全系数、最大剪应变、最大水平位移以及各剖面边坡的最大主应力。安全系数和最大剪应变如图4和图5所示，最大水平位移如图6所示，最大主应力如图7所示。

图4 自然工况下边坡各剖面安全系数及剪应变云图Fig.4 Safety factor and shear strain cloud diagram of slope sections under natural conditions

图5 降雨工况下边坡各剖面安全系数及剪应变云图Fig.5 Safety factor and shear strain cloud diagram of slope sections under rainfall condition

将FLAC3D数值计算结果得到的数据导入Origin后处理软件，分别得到尾矿库3个剖面在自然和降雨两种工况下边坡的水平最大位移如图6所示，边坡的最大主应力如图7所示。

图6 自然和降雨工况下边坡各剖面最大水平位移Fig.6 Maximum horizontal displacement of each section of slope under natural and rainfall conditions

图7 自然和降雨工况下边坡各剖面最大主应力Fig.7 Maximum principal stress of each section of slope under natural and rainfall conditions

3.2 数据分析

根据图4可知，尾矿库在自然工况下3个剖面的边坡安全系数和剪应变，其中Ⅰ-Ⅰ剖面的安全系数为1.28，最大剪应变位置出现在边坡的底部位置，即人工开挖边坡处，且最大剪应变约为49 mm；Ⅱ-Ⅱ剖面的安全系数为1.72，最大剪应变的位置同样出现在边坡的底部位置及人工开挖边坡处，且最大剪应变约为12 mm；Ⅲ-Ⅲ剖面的安全系数为1.81，且边坡整体没有出现明显的剪应变，相对于Ⅰ-Ⅰ剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面而言，Ⅲ-Ⅲ剖面没有人工开挖过，因此边坡整体呈现稳定的性质。

根据图5可知，尾矿库在降雨工况下3个剖面的边坡安全系数和剪应变，其中Ⅰ-Ⅰ剖面的安全系数为1.26，最大剪应变位置出现在边坡的底部位置，即人工开挖边坡处，且最大剪应变约为56 mm；Ⅱ-Ⅱ剖面的安全系数为1.70，最大剪应变的位置同样出现在边坡的底部位置及人工开挖边坡处，且最大剪应变约为51 mm；Ⅲ-Ⅲ剖面的安全系数为1.79，由图5可知，在降雨工况下，Ⅲ-Ⅲ剖面依旧没有产生明显的剪应变。边坡处于稳定状态。

根据图6可知，无论在自然工况下还是降雨工况下Ⅰ-Ⅰ剖面的水平位移最大，Ⅲ-Ⅲ剖面次之，Ⅱ-Ⅱ剖面最小。其中在降雨工况下边坡的位移均有所上升。根据图7可知，无论在自然工况下还是降雨工况下3个剖面边坡的最大主应力均为拉应力，且3个剖面的最大主应力大小相差不大，均维持在0.1 MPa左右。

4 结论

本文通过对某拟建尾矿库3个剖面的边坡进行分析可以得出以下结论：

1)通过现场取样和室内岩石力学试验可以得出，岩石的单轴抗压强度约为46.55 MPa，弹性模量约为12.41 GPa，并以此为基础计算得到了岩体的质量。

2)通过岩石的密度吸水率试验可以得出岩石的自然密度为2.66 g/cm3，饱和密度约为2.70 g/cm3，岩石的吸水率为11%。

3)通过三维数值分析得出3个剖面的边坡均处于稳定状态。Ⅰ-Ⅰ剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面虽然边坡底部存在最大剪应变，但其安全系数均满足规范要求，其边坡处于稳定状态，且其边坡表面的最大主应力均分布在0.1 MPa左右，不会产生明显的应力变化。