鑫洲鐵礦尾礦壩穩定性分析

李秀春，李富平，王旭東

（1.河北聯合大學礦業工程學院， 河北 唐山市 063009；2.河北省唐山市遷西縣委辦公室，河北 遷西縣 064300；3.中國黃金集團遷西鑫峪礦業有限責任公司， 河北 遷西縣 064300）

0 引 言

尾礦庫是礦產資源開發過程中3大必不可少的基礎性工程之一，但是，尾礦庫又是一個具有高勢能的人造泥石流重大危險源，重大事故時有發生。當前我國大概擁有尾礦庫1萬多座，尾礦堆存量將近90億t。而且，我國許多尾礦庫的地理位置十分重要，有的位于大江、大湖、重要水源地上游，有的位于重要公交設施上游，有的在密集的居民區上游，庫壩一旦發生垮塌，勢必造成嚴重的人員傷亡和財產損失［1－5］。因此，尾礦庫壩體的安全穩定性十分重要。

本文從滲流安全與壩體穩定性兩個方面分析了鑫洲鐵尾礦庫的安全性能，為企業的安全生產提供參考。

1 項目概況

尾礦庫位于遷西縣東荒峪鎮鑫洲鐵選廠南0.6 km的自然溝內，溝呈東西走向，溝長0.4km，壩址以上流域面積0.068km2，除了庫區西面外，其余三面環山，屬于典型的山谷型尾礦庫。尾礦庫初期壩高14.5m、壩頂寬4m、內坡比1∶1.6、外坡比1∶1.75，壩底高程173.5m，壩頂高程188.0m，采用山坡廢石土碾壓而成。采用上游法堆積筑壩，子壩外坡平均比1∶1.75，內坡比1∶1.75。設計堆積壩壩頂標高為211.0m，最終堆積坡比1∶2.5，設計總壩高37.5m，總庫容為67.9×104m3，參照《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006－2005）要求，該尾礦庫屬于四級尾礦庫，設計服務年限6.5a。

目前，尾礦庫壩頂堆積標高已達到100m，根據相關規程規定，當尾礦壩堆積高度達到最終設計壩高的1／2～2／3時，應當對壩體進行一次全面勘察，以校核壩體現狀的穩定性。本文針對其中的初期壩進行了滲流和穩定性分析。

2 基本原理

2.1 滲流計算原理

滲流計算依據達西（Darcy）定律［6－7］：

式中：Q——斷面流量；

k——材料的滲透系數；

i——水利坡度。

對于二維穩定滲流，控制方程為：

式中：kx、ky——X、Y方向的滲透系數，當材料是各向同性時，kx＝ky；當材料為各向異性時，kx≠ky，本文模擬采用各向異性材料參數；

H——總水頭。

計算方法采用有限元，采用三角形構造有限元方程。根據變分原理和Galerkin方法，構造方程的單元有限元方程，表達式如下：

式中：［B］——梯度矩陣；

q——通過單元斷面的流量；

A——尾礦壩橫斷面面積；

L——尾礦壩長度。

邊界條件的處理，按照3種邊界條件處理，各種工況條件如下。

2.2 尾礦壩穩定性計算原理

在尾礦壩的靜力分析和地震力穩定性計算分析中，瑞典圓弧法和簡化Bishop法使用最為廣泛。其中瑞典圓弧法根據計算指標不同，又分為有效應力法和總應力法。因為有效應力法涉及到孔隙水壓力，所以通常較多地采用總應力法進行尾礦壩的穩定性分析［8－10］。

瑞典圓弧法將滑塊劃分成不同條塊，不考慮各條塊間的作用力來求解安全系數。取任意條塊，通過解水平、垂直方向力矩平衡方程，得出瑞典圓弧法計算穩定性系數的表達式：

αi——條塊重心點到滑弧圓心的力臂，m；

R——滑弧半徑，m；

Cs——地震系數，一般取0.03～0.27；

Wi——條塊的土重量，kN；

θi——條塊畫面的傾角，°。

簡化Bishop法，假設每個條塊側面上的合力是水平方向的，條塊之間無摩擦，根據垂直方向的分力為0，通過迭代，求解力平衡方程得出安全系數。

3 滲流安全分析

3.1 滲流模型建立

根據壩體構造分析，滲流模型由細尾砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉質粘土、廢石土、砂礫土以及基巖等組成。根據《尾礦庫巖土工程勘察報告》的相關數據及經驗參數，材料滲透系數見表1。

在網格劃分方面，考慮三角形網絡精度相對較高，計算均為三角形網絡剖分，計算模型見圖1。

從尾礦庫初期壩的堆筑至堆積壩堆積至最終設計標高211.0m，計算工況選取如下：

（1）初期壩頂標高188.0m；

圖1 尾礦庫滲流計算模型

（2）終期壩體標高211.0m。

3.2 計算結果及分析

采用AutoBANK6.0進行二維有限元模擬，分別對兩種計算工況下的壩體在正常（考慮放礦水的影響）、最高洪水兩種情況下運行的浸潤線進行計算模擬，計算結果見圖2～圖5。

由圖2～圖5可知，不論是在正常，還是在最高洪水工況下運行，計算的壩體浸潤線比較低，且最小埋深都大于規程要求的深度，浸潤線均沒有從下游坡面溢出。

圖2 正常工況下初期壩頂浸潤線模擬

圖3 洪水工況下初期壩頂浸潤線模擬

圖4 正常工況下終期壩頂浸潤線模擬

圖5 洪水工況下終期壩頂浸潤線模擬

從尾礦壩情況看，一是初期壩是透水堆石壩，滲水性能特別好；二是正常情況下，庫內尾礦水量不大，尾礦澄清水通過排水斜槽排至回水池供循環使用，庫內存水不會太多，后期水位穩定在標高208.5 m左右。

綜上所述，通過滲流分析，尾礦庫的浸潤線滿足規程規定。

4 壩體穩定性分析

4.1 計算參數

根據《尾礦庫巖土工程勘察報告》及附近同類型選礦廠尾礦庫巖土層力學參數及經驗參數，穩定計算分析采用的巖土力學參數見表2。

考慮最危險斷面的情形，分別選取初期壩體（標高188.0m）、終期壩體（標高211.0m）和副壩（標高211.0m）的剖面為計算剖面。按照相關規范要求，對各種情形下的壩體分別在正常水位、最高洪水（最小安全灘長）及地震3種工況條件下進行計算。參考安全標準見表3。

表2 穩定分析選用材料參數

表3 安全標準

4.2 計算結果及分析

初期、終期堆積壩、副壩壩體穩定性分析結果見表4。

表4 穩定性計算結果

由表4可見，初期壩體、終期壩體及副壩在各種工況條件下均能滿足《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006－2005）對安全系數的要求，計算得出的抗滑穩定系數大于允許最小安全系數，能保證尾礦壩的穩定運行。

5 結 論

（1）尾礦庫作為重大危險源，壩體的穩定情況至關重要。尾礦壩浸潤線情況是壩體穩定性的主要影響因素之一，只有準確分析預測尾礦壩浸潤線位置才能夠科學合理地評價壩體穩定性。采用河海大學工程力學所編制的AutoBANK6.0能夠很好地進行尾礦壩浸潤線位置分析，分析結果表明：即使在最高洪水工況下運行，壩體浸潤線依舊比較低，且最小埋深都大于規程要求的深度，尾礦庫的浸潤線滿足規程規定。

（2）影響尾礦壩浸潤線的因素十分復雜，為了盡可能準確計算，分析之前應先準確檢測尾礦的分層情況和滲透性。

（3）參照尾礦庫安全技術規程，綜合瑞典圓弧法和簡化Bishop法進行計算，結果表明：尾礦壩在正常、最高洪水以及地震工況下，壩體安全系數均符合規程要求，壩體具有良好的穩定性。

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