礦山尾砂壩體的變形監測與穩定性研究

孫業偉

摘要：從尾礦壩安全穩定出發，并針對其給下游人民的生活帶來的威脅，通過對尾礦壩的浸潤線、位移、干灘面長度、等物理量的監測并采取有效的預警措施，達到安全監測、安全預警的目的。

關鍵詞：變形監測；穩定性；尾砂壩體

一、前言

尾礦壩是一種高潛力的人工泥石流源，用于金屬或非金屬礦山尾礦的存放。倘若發生變動便會引起滑坡泥石流等特大災難，并且將對庫區下游百姓的性命及資產安全產生極大損失，并對庫區周圍的環境形成大面積的污染。同時尾礦壩事故造成的危害又是世界各種事故災害中最嚴重的危害之一，它在世界93種事故、公害中排名14位，非常靠前。根據初步估算，中國現存的尾礦庫有1萬多座，其中險庫、危庫、病庫占總數的39%，在其所占的比例及其高。因此，尾礦壩致使很多的人員傷亡及嚴重財產損失的狀況不足為奇。所以要加強尾礦壩的安全監測、安全預警至關重要，尤其是極易產生災害的部位應當加大監測及管理強度。

二、尾礦壩的災害及監測

尾礦壩的初始位置通常選擇上游、河谷壩，通常來說，施工簡易，穩定安全。但是一旦發生事故對下游居民威脅較大，往往尾礦壩又會伴隨泥石流、滑坡等，逃生時間較短，產生災害巨大。但尾礦壩發生最后破壞前有一些明顯的前期表現，也就是所謂的病災。及時對壩體病害進行監測，為壩體施工、穩定性分析、加固措施等提供依據及數據資料。

壩體的主要災害有：（1） 壩體的失穩施工不當或安全性較低，但主要是在外界不穩定因素刺激下使得整個壩體滑動，庫內泥石沖向下游。（2）早期施工的堤壩滲漏或排水不好，應立刻采取措施。（3） 雨水或礦漿回流造成壩面潰決主要是壩體內浸潤線升高，使得壩體穩定性降低。 （4）庫內滑坡喀斯特等壩址問題地基不能抵抗尾礦庫對壩體的作用力，使地基剪切破壞，壩體整體開始向外移動。（5）壩坡、壩基、壩局部等滲水、管涌、流沙、壩體沼澤化可能是排水系統不順暢或施工不合理等引起的。

三、尾礦壩的監測及預警

由于尾礦壩發生的災害繁雜多變，目前對尾礦壩采用安全監測主要用以下監測實現：庫內水位監測、浸潤線監測、位移監測、干灘長度監測、應力應變監測、環境量監測等。

1、位移監測。壩體的水平位移及豎直位移是監測壩體位移的主要問題。水平位移的監測主要是采用經緯儀、全站儀測量，并在壩體上設置觀測點在兩側選擇兩個基點，但監測點及位置的選擇應當恰當，特別是基于鋼筋混凝土結構的基礎上。同時可以采取全球定位系統進行監測，在觀察點安裝一個消息發射裝置，在辦公地方裝有信息接受并配合信息分析系統，起到對大壩的水平位移，垂直位移監測作用。

2、應力應變監測。在壩體內架設應力應變器，其目的是對大壩的土壓力及水壓力進行測量，和內部土壤蠕變監測。

在測斜管的安裝及應力應變測量裝置的測繪中，測斜管的傾斜，對壩體的內部應力監測及監測的壩體飽和線采取了測量。

3、庫內水位監測。使用水位計對庫內水位進行監測，把水位計與測量裝置連接，剖析庫內水位的情況。

四、壩體穩定性分析

1、滲流穩定性。滲流理論經過了有限差分法數值模擬、非飽和滲流的Richards方程、非穩定滲流有限元計算法的發展與引入有限元分析法，逐步形成了適合尾礦壩滲流穩定分析的理論基礎。

在采取滲流穩定性剖析過程中，浸潤線的位置是影響滲流穩定相當主要的部位，倘若浸潤線溢出尾礦壩面或有浸潤線處在臨界狀態，就能夠確定此尾礦庫處于非穩定狀態；通常浸潤線的安全部位主要根據尾礦庫設計文件確定，倘若設計高度高于浸潤線位置，以此可以確定該庫滲流處于穩固狀態。目前對于尾礦壩滲流穩定性鉆研的方式，除了工程實際勘測外，滲流分析手段其中還包括理論求解、半工業試驗以及數值分析三種形式。

對于前兩者分析方法的比較，數值分析方法的理論基礎是完整、高精度、低成本等特點自20世紀六七十年代在國內就得到較為廣泛的應用。常用的數值分析方法有：差分法、有限元法和邊界元法等。差分法采用一系列差分公式求解微分方程的估算方法，具有代表性的就是有限差分法。有限元法，是以物質能量作為基礎，把滲流問題轉化為變分問題，再經過離散化從而得到計算解。由于有限元方法簡單、靈活，在邊界條件下不能進行特殊的處理，可以隨意改變單元的形狀。伴著數值分析方法的日新月異，滲流分析軟件慢慢得到普及，目前比較通用的滲流數值計算軟件有：Geo-Studio、FLOW-2D、ANSYS-APDL等。

2、壩體靜力穩定分析。當尾礦壩處在非地震時期或是無猛烈震動時，則可以認定尾礦壩處在靜力形態，在包含水土體的邊坡穩定性剖析時與尾礦壩體靜力穩定剖析相近，所以尾礦壩靜力穩定分析論證的基礎同樣是極限平衡理論。

工程設計與評價中時常采用極限平衡法（條分法）對粘性土邊坡穩定性分析。方法基本原理：將滑動土垂直分為幾種土，作為剛性體的土，分別為在土體中的作用和抗滑力矩的中心，并要求邊坡穩定安全系數。

對土條進行方程求解過程時采用條分法，該方程為未知數多于方程組的超靜定方程，因此須要對超靜定方程進行假設已知狀況。按照假定已知條件的區分，極限平衡方法可以分為簡化Bishop法、瑞典法、Janbu法以及不平衡推力的各種方式。以我國邊坡計劃與穩定性評估為參照標準。

當前，有很多數值分析方式被應用于尾礦壩的靜力穩定分析，不僅包括一般的有限元法（FEM），離散單元法（DEM）和粒子流分析（PFC），非連續變形分析（DDA），邊界元法（BEM），無界元（同上），遺傳算法和人工神經網絡評價方法也包含在里面，其代表性應用程序主要有ANSYS、北京理正、PFC以及FLAC（FLAC-2D、FLAC-3D）等。

3、壩體動力穩定分析。尾礦壩靜力穩定分析與動力穩定性分析不同，需注意的是飽和砂土在振動條件下的液化、孔隙水壓力的變化、不規則波的影響以及巖石和土壤的動態參數。長此以來，成功地采取天然沉積砂尾礦置換的動力學，提出了在尾礦中的有效應用非線性動力學模型和彈性塑料模型。在不斷地鉆研與探索動荷載作用下孔隙水壓的發展及飽和砂土液化對尾礦壩抗震影響機理中，逐漸累計了尾礦壩體動力穩定分析的巖土體研究基礎。

參考文獻：

[1]潘東； 尾礦壩穩定性的研究現狀與發展 - 《安全與健康》- 2012-04-15

[2]謝孔金；李亮亮；王啟耀；戴文彬；盧士濤； 尾礦壩穩定性監測及預警措施研究-《2012年2月建筑科技與管理學術交流會論文集》- 2012-02-27

[3]何金保（導師：盛建龍）錫冶山尾礦壩滲流場模擬分析-《武漢科技大學碩士論文》- 2008-05-30

[4]朱君星；李彩麗；不確定型層次分析法在尾礦庫安全評價中的應用 - 《金屬礦山》- 2010-08-15