尾礦庫壩外排土壓坡對其穩定性影響的數值分析

呂淑然，趙學龍

(1.首都經濟貿易大學，北京 100070；2.承德正通環境工程設計有限責任公司，河北 承德 067002)

礦山在開采過程中必然產生大量廢棄巖土，其堆存不僅占用大量土地、農田，而且還將影響和破壞環境，大量堆存廢石的排土場由于管理及工程技術原因還會引發滑坡、泥石流等安全問題[1]。隨著礦山的多年開發，在礦區附近尋找適宜建造排土場的場所越來越困難。為了解決排土問題，礦山企業擬在運行的尾礦庫壩外排土壓坡。其目的在于在增強尾礦壩抗滑穩定性的同時，解決礦山部分排土問題，降低礦山經營成本。但是，排土壓坡方案是否可行以及由其涉及到的安全問題則亟待論證。

尾礦庫壩外排土壓坡不同于尾礦壩及其他一般滑坡工程整治中的壓坡，大量排土壓坡的適用條件和要求在我國《尾礦庫安全規程》(AQ2006-2005)中并無相關規定，同時國內外也無相關類似工程經驗可共參考。因此，急需對尾礦庫壩外排土壓坡涉及到的安全問題進行研究與論證，以探討尾礦壩外排土壓坡的安全性和可行性。

1 尾礦庫壩外排土壓坡方法簡介

壓坡方法一般用于治理邊坡，即用廢石和表土壓住高陡邊坡的坡腳，使之形成穩定的緩坡，消除邊坡滑塌的安全隱患[2]。在尾礦庫運行過程中，由于種種原因，尾礦壩抗滑穩定安全系數不能滿足《尾礦庫安全規程》相關規定的要求。按照規定應對尾礦壩進行整治，其中壓坡是最為常見的工程措施之一[3]。

尾礦庫壩外排土壓坡不同于尾礦庫整治工程的壓坡。在壓坡材料的選擇方面：前者選用露天礦山剝巖的土石，材料成分復雜，其排水性能較差，施工方式與常規排土方式作業相同；而后者一般要求選擇較規則的塊石，自下而上施工，其目的是提高尾礦庫基礎壩的強度，規則塊石形成的壓坡體具有良好的排水性能。在對壩體結構影響方面：前者不僅是加固尾礦壩，而且還要解決礦山采礦大量排土問題，其實質是建造一座位于尾礦壩之上的排土場，從本質上改變了尾礦壩壩體的基本結構；而后者主要是自尾礦庫初期壩開始，壓坡數個子壩，其壓坡厚度及高度均由設計給出，且量不大，不會從本質上改變尾礦壩壩體基本結構。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本文以順達尾礦庫為例進行研究。目前尾礦壩堆積壩標高782.0m，自初期壩壩頂710.0m標高起算的尾礦堆積高度為72.0m，自初期壩壩底692.0m標高起算的現狀壩高為90.0m，現狀尾礦庫全庫容為1000萬m3，三等庫。

初期壩(已被排土場廢石掩埋)壩頂標高710.0m，壩基軸線處壩底標高692.0m，壩高18.0m，壩頂寬約6.0m，壩頂全長約166.0m，外壩坡坡比1∶2.5，內壩坡坡比1∶2.0。初期壩上下游坡腳處設置排滲棱體，壩基底部通過排滲盲溝將其連通。

尾礦堆積壩壩頂長約750m，呈不規則折線形，自初期壩壩頂710.0m標高起算的現狀尾礦堆積高度為70.0m。由于該庫初期壩和710～734m標高之間的尾礦堆積體已被廢棄土石掩埋(現已不可見)。從壩體穩定性角度上講，這種填埋壓坡對初期壩體及尾礦壩部分堆積壩體起到了很好的壓重加固作用。

礦山企業擬在尾礦庫壩外排土壓坡，壓坡臺階高程740m，壓坡高度為87m，坡腳至基礎壩為220m，坡比1∶5，坡角11°。

2.2 排土壓坡對尾礦壩穩定性影響的數值分析

尾礦庫壩外排土壓坡的土石在增加尾礦壩下游抗滑穩定性的同時，又在尾礦壩外增加了一道排水過濾壩體，增加的排水過濾壩體勢必對尾礦壩原有排滲系統產生一定影響。另外，大量巖土堆積形成的壓坡體實際上又是坐落在尾礦庫上的排土場，由于尾礦壩內有持續性滲水排出到壓坡體底部，導至壓坡體的運行狀況與常見排土場也有所不同。因此，為了更清楚地了解排土壓坡對尾礦庫滲流場及穩定性的影響，下面采用由加拿大Geostudio公司出品的軟件Geostudio/slope/seep有限元分析軟件進行計算分析。

2.2.1 尾礦壩計算模型

計算模型長度取尾礦壩外坡面投影長的三倍，分別建立無排土壓坡的尾礦庫模型(圖1)和有排土壓坡的尾礦庫模型(圖2)，其中圖2中排土壓坡的外坡比1∶5，坡角11°，壓坡土體下部透水大石塊層厚2～3m。尾礦庫庫區各巖土層計算參數見表1。邊界條件為：尾礦庫后側即庫區尾水澄清區取為定水頭邊界，水頭高度為計算模型高度；尾礦水的滲流出逸點取為尾礦庫初期壩的外坡腳處，該處邊界條件也取為定水頭，水頭高度與初期壩外坡腳平齊。計算類型為穩定滲流。

圖1 無排土壓坡的尾礦庫有限元模型

圖2 有排土壓坡的尾礦庫有限元模型

表1 有限元模型材料計算參數

2.2.2 計算結果及分析

選取壩體坡比最大的斷面即最危險斷面作為壩體穩定性的計算斷面，即只要此斷面滿足安全要求，則可認為整個尾礦庫都處于安全狀態。

2.2.2.1 排土壓坡對壩體浸潤線影響分析

圖3為有、無排土壓坡時的尾礦庫壩體浸潤線圖。從圖3中可以看出，由于排土壓坡的存在，改變尾礦壩原有排滲結構，從而改變了尾礦庫原本的滲流場，使得原尾礦壩壩體的浸潤線的埋深有了較大升高，浸潤線已經位于基礎壩之上。但由于壓坡土體底部2～3m厚石塊透水層的存在，尾礦庫的積水可以從石塊透水層中排出，不會造成壓坡土內的大量積水。

圖3 兩種不同工況下的尾礦庫壩體浸潤線

2.2.2.2 排土壓坡對壩體孔隙水壓力影響分析

圖4為有、無排土壓坡的尾礦庫壩體孔隙水壓力圖。無排土壓坡的尾礦庫壩體孔隙水壓力范圍為-503.4kPa～882.6kPa，而有排土壓坡的尾礦庫壩體孔隙水壓力范圍變為-535.8kPa～882.6kPa。即，尾礦壩外排土壓坡后，壩體底部所受到的壓力明顯增高，但是壩體表層的壓力卻明顯減小，這表明礦壩外排土壓坡提高了尾礦壩砂體部分的穩定性。

圖4 兩種不同工況下的尾礦庫壩體孔隙水壓力

2.2.2.3 排土壓坡對壩體抗滑安全系數影響分析

圖5為有、無排土壓坡的尾礦庫壩體整體抗滑安全系數以及壓坡土體自身穩定性分析結果。從圖5可知，排土壓坡后，尾礦壩壩體的抗滑安全系數由1.225增加至1.915，整個壩體的穩定性有了較大提高。壓坡土體自身的抗滑穩定性系數為1.496，高于《金屬非金屬礦山排土場安全生產作業規則》(AQ2006-2005)[4]對正常排土場抗滑安全系數1.15的要求。

2.2.2.4 壓坡土體對壩體滲透性影響分析

排土壓坡后，尾礦壩的整體排滲取決于壓坡排土體底層的排滲效能，為了提高排土壓坡體的排滲性能，要求在清理排土體底層第四系腐殖土的基礎上，鋪設2～3m大塊石層。如若出現壓坡土體底層的排滲效果較差或壩體底部第四系土清理不徹底時的尾礦庫滲流及壩體穩定性計算結果如圖7所示。

圖5 兩種不同工況下的尾礦庫壩體抗滑穩定性

圖7 尾礦壩抗滑穩定性分析

圖7為排土體排滲效果較差時的壩體穩定性分析結果，可以看出當排土體排滲效果較差時，尾礦壩整體安全系數下降為1.564，壓坡土體的抗滑穩定系數降低為1.028。實際上，此時的壓坡土體已具備發生滑坡、坍塌的可能。

以上分析表明：壓坡土底部的石塊層的排滲效果較差或壩底第四系腐殖土清理不徹底時，則極易造成壓坡土體內的含水量增加，滲潤線升高，最終可能引發排土體坍塌、滑坡，甚至誘發尾礦壩發生垮壩的危險。為了使壓坡排土體有著良好的排滲效能，應清理底層植被和第四系軟弱層土(《金屬非金屬礦山安全規程》(GB16423-2006)[5]第5.7.2規定)，并在其上鋪設2～3m大塊石層是保證壓坡成功的關鍵。

3 結論

1)尾礦壩外排土壓坡后可以提高尾礦壩安全穩定性，尾礦庫壩體的抗滑安全系數由1.628增加至1.915，壓坡土體抗滑穩定系數為1.496。

2)排土體底層是否具有良好的排水性能和排土體自身是否具有較高的抗滑穩定性，是排土壓坡是否可行的關鍵所在。

3)為了保證壓坡排土體有著良好的排滲效能，必須清理底層植被和第四系軟弱層并在其上鋪設2～3m塊石層，排土壓坡體的邊坡角以不陡于尾礦壩邊坡角為宜。

[1] 昝世明，樊赟赟，萬江，等.礦山泥石流災害防治研究[J].現代礦業，2013(2)：93-96.

[2] 莫江，張世雄.露天礦排土壓坡護坡力學原理的研究[C].采礦科學技術前沿論壇論文集，2006：47-50.

[3] 中華人民共和國標準.尾礦庫安全技術規程(AQ2006-2005)[S].北京：中國標準出版社，2004.

[4] 中華人民共和國標準.金屬非金屬礦山排土場安全作業規則(AQ2005-2005)[S].北京：煤炭工業出版社，2005.

[5] 中華人民共和國標準.金屬非金屬礦山安全規程(GB16423-2006)[S].北京：中國標準出版社，2006.