尾礦沉積的不均勻性對壩體穩定性的影響

馬龍龍，袁利偉，陳玉明，普興林

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

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環保

尾礦沉積的不均勻性對壩體穩定性的影響

馬龍龍，袁利偉，陳玉明，普興林

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

為了研究沉積特性對尾礦庫壩體穩定性的影響，基于尾礦沉積不均勻特性的重要性，采用Slide軟件對云南某尾礦庫建立壩體的穩定性模型，來分析計算尾礦壩在正常、洪水、特殊工況下穩定性的可靠度及尾礦材料的敏感度。結果表明：尾礦庫在正常、洪水運行條件下的可靠性指標符合規定，但是在特殊運行條件下的可靠性指標低于規范值，不滿足安全生產要求。3種運行條件下，尾細砂對尾礦壩的穩定性影響最大。

尾礦壩；可靠度；敏感度；穩定性

0 前 言

我國的礦產資源豐富，在選礦作業時將剩余大量像砂子一樣的尾礦[1]。這些尾礦不僅含有暫時不能回收利用的有用成分，而且如果隨意排放將會造成嚴重的大面積環境污染，因此需要修筑尾礦庫堆存尾礦[2]。但是，堆積起來的尾礦庫，又是一個具有高勢能的巨大危險源，對下游居住的居民或生產企業來說，壩體一旦失穩，庫內物質將傾盆溢出，造成大量的人員傷亡、財產損失與環境破壞[3]。

尾礦壩的穩定性是尾礦庫最核心的問題，潰壩事故的原因。除去人類不可抗拒的客觀因素如地震、洪水等，多為設計的不合理，造成了潛在的尾礦庫安全隱患。目前尾礦庫在初步設計時，認為壩體是由全尾砂組成的均勻結構，沒有考慮尾礦的沉積特性。但實際上尾礦具有不均勻的沉積特性，因此用這種方式建立出的模型所計算出的壩體穩定性與實際情況不符。所以，研究沉積特性對尾礦庫壩體穩定性的影響是我們應不斷進行探索和研究的課題。

本文以目前尾礦庫尾礦沉積特性方面的文獻資料為基礎，并結合具體實例，分析尾礦沉積的不均勻性對尾礦壩穩定性的影響，計算尾礦壩穩定性的可靠度，并分析尾礦的物理力學性質參數對壩體穩定性的敏感度。為尾礦庫的安全防治措施提供方法，為相似的尾礦庫提供科學的依據。

1 工程概況

本文以云南某尾礦庫為工程背景，根據現場踏勘及甲方提供資料知，該尾礦庫采用上游式筑壩方式，尾礦庫在“V”形山谷中建設，屬于山谷型尾礦庫。初期壩為透水堆石壩，根據初步設計中采用的堆石的物理力學性質參數為：容重22 kN/m3，內摩擦角28(°)，粘聚力10 kN/m2。初期壩壩構造及庫容：頂標高285 m，壩底標高264.8 m，壩高20.2 m，壩頂寬度5 m，壩頂長度110 m，內坡比1∶2，外坡比1∶2.25，庫容49.46萬m3。

目前所使用壩體為堆積壩，尾礦庫設計總壩高62.5 m，堆積壩壩頂標高為327.3 m，總庫容為734.81萬m3。根據尾礦庫《尾礦庫安全技術規程》可知該尾礦庫設計為三等庫。現狀尾礦庫的壩高和庫容達到是四等庫的標準?，F狀堆積壩的構造及庫容：壩頂標高310 m，壩底標高285 m，壩高25 m，每級子壩高度2 m，壩頂長度200 m，壩頂寬度2 m，子壩內坡比1∶1.5，子壩外坡比1∶1.75，堆積壩平均外坡比1∶5，庫容347.2萬m3。

該尾礦庫所在地歷史上未發生過強烈地震。按《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)的規定，尾礦庫庫區抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度值為0.10 g[4]。

2 軟件分析及建模

2.1分析軟件Slide概述

使用可靠度計算軟件是Slide[5]，他是一款計算巖土二維邊坡穩定的軟件，由加拿大Rocscience公司研發[6]。不僅能研究邊坡穩定性，計算邊坡的安全系數，而且能分析圓弧或非圓弧的潛在失穩滑動面?？梢詮腁uto CAD導入模型也可以直接在該軟件中繪制模型。Slide軟件非常便于操作應用，即使復雜的模型也可以迅速地建立和計算分析[7]。外界荷載、地下水、支護都可以用不同的方式模擬。該軟件應用建立在極限平衡上的豎向條分法(例如Ordinary/Fellenius法、Bishop simplified法和Janbu simplified法等不同的方法)來計算邊坡的穩定性[8]。

2.2尾礦壩穩定性可靠度分析

2.2.1 尾礦壩模型建立

建立壩體穩定性分析模型，如圖1所示(僅以正常工況下的壩體模型為例)，模型的尺寸均是以現狀壩體中軸線處的剖面的尺寸來分析，因此在分析考慮壩體模型的穩定性時選取的計算參數為壩體中軸線上的尾礦材料的物理力學性質參數。由工勘資料可知，壩體各材料物理力學計算參數列于表1。

圖1 壩體穩定性分析模型

尾礦類別尾中砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)尾細砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)尾粉砂c/kPaφ/(°)γ/(kN·m-3)均值2．9918．3720．8411．0316．6623．3719．1214．7525．40方差0．850．110．7910．100．902．185．060．380．39標準差0．920．330．893．180．951．482．250．620．63

尾礦庫現狀的壩高和庫容均為四等庫?！段驳V庫安全技術規程》(AQ2006-2005)中對上游式尾礦壩的最小干灘長度與最小安全超高的規定如表2所示。

表2 上游式尾礦壩的最小干灘長度與最小安全超高

在計算洪水工況和特殊工況下的壩體穩定性前，應該按照四等尾礦庫的最小干灘長度與最小安全超高的要求建立尾礦庫模型并預先分析尾礦庫在洪水工況下的滲流情況，得出尾礦壩的浸潤線。

2.2.2 尾礦庫正常運行條件下的可靠度分析

在可靠度分析中，由于Ordinary /Fellenius法是《尾礦庫安全技術規程》(AQ2006-2005)和《尾礦設施設計規范》(GB5063-2013)惟一相同的法定計算方法，因此本文選用Ordinary/Fellenius法計算考慮沉積特性的尾礦壩在正常運行條件下的穩定性可靠度。計算結果如圖2所示。

圖2 正常運行條件下的穩定性可靠度

通過圖2可以得到6個淺黃色的滑動面。其中1個淺黃色的滑動面和淺綠色的滑動面是重合的，這個淺黃色的滑動面即為“臨界確定性滑動面”，他被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例為715/1 000，占有的比例最大。這些淺黃色的滑面被分為兩組，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面較淺位置，只是穿過尾中砂一種材料。其他淺黃色滑面位于坡面較深位置，穿過尾中砂和尾細砂兩種材料。

各個滑動面被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例以及該滑面安全系數的范圍如表3所示。

表3 正常運行條件下搜索到的滑動面

通過“整體邊坡法”計算可靠度，得到的3種計算結果如表4所示，通過與規范對比分析可知，該尾礦庫正常運行條件下的壩體為穩定狀態。

表4 正常運行條件下穩定性可靠度計算結果比較

2.2.3 尾礦庫洪水運行條件下的可靠度分析

選用Ordinary /Fellenius法計算考慮沉積特性的尾礦壩在正常運行條件下的穩定性可靠度。計算結果如圖3所示。

圖3 洪水運行條件下的穩定性可靠度

通過圖3可以得到6個淺黃色的滑動面和1個紅色滑動面。同樣可以看到其中一個淺黃色的滑動面和淺綠色的滑動面是重合的，這個淺黃色的滑動面即為“臨界確定性滑動面”，他被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例為401/1 000，占有的比例最大。這些淺黃色的滑面被分為三組，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面較淺位置，只是穿過尾中砂一種材料?！盎?”、“滑面4”、“滑面5”位于坡面較深位置，穿過尾中砂和尾細砂兩種材料?！盎?”只是穿過了初期壩一種材料，由于初期壩的材料參數未設定為變量，因此其安全系數為定值。這些滑面中，“滑面7”的安全系數低于規程中規定的安全系數值。

各個滑動面被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例以及該滑面安全系數的范圍如表5所示。

表5 洪水運行條件下搜索到的滑動面

通過“整體邊坡法”計算可靠度，得到的3種計算結果如表6所示，通過與規范對比分析可知，該尾礦庫洪水運行條件下的壩體為穩定狀態。但值得注意的是“滑面7”的安全系數范圍低于規范值，存在失穩的可能性。

表6 洪水運行條件下穩定性可靠度計算結果比較

2.2.4 尾礦庫特殊運行條件下的可靠度分析

選用Ordinary/Fellenius法計算考慮沉積特性的尾礦壩在特殊運行條件下的穩定性可靠度。計算結果如圖4所示。

圖4 特殊運行條件下的穩定性可靠度

通過圖4可以得到7個淺黃色的滑動面和4個紅色滑動面。同樣可以看到其中一個淺黃色的滑動面和淺綠色的滑動面是重合的，這個淺黃色的滑動面即為“臨界確定性滑動面”，臨界確定性滑動面被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例為168/1 000，占有的比例不是最大的，與之前正常運行條件下和洪水運行條件下不同。這些淺黃色的滑面被分為兩組，其中“滑面1”和“滑面2”位于坡面較淺位置，只是穿過尾中砂一種材料。其余淺黃色的滑動面位于坡面較深位置，穿過尾中砂和尾細砂兩種材料。這些滑面中，“滑面7”、“滑面8”、“滑面9”、“滑面10”的安全系數的范圍低于規程中規定的安全系數值。

各個滑動面被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例以及該滑面安全系數的范圍如表7所示。

表7 特殊運行條件下搜索到的滑動面

通過“整體邊坡法”計算可靠度，得到的3種計算結果如表8所示。

表8 特殊運行條件下穩定性可靠度計算結果比較

“整體邊坡”、“臨界概率滑動面”、“臨界確定性滑動面”的平均安全系數均大于規程中規定的特殊運行條件下安全系數值1。三者的可靠性指數較為接近，均小于《水利水電工程結構可靠性設計統一標準》(GB 50199-2013)中規定的可靠性指標。通過以上分析可知該尾礦庫洪水運行條件下的壩體為極有可能失穩。特別值得注意的是“滑面7”、“滑面8”、“滑面9”、“滑面10”的安全系數范圍低于規范值，這些滑面被概率分析的次數占總的概率分析次數的比例之和為364/1000，大于1/3，這些滑面位置存在失穩的可能性。

2.3敏感度分析

敏感度分析是針對一個或者多個選定的輸入參數，通過指定一個最小和最大值，在最大值和最小值之間的每個參數隨同一增量而變化，且每一個參數對應的“整體最小”滑動面的安全系數均被計算。這將會產生安全系數與輸入參數的關系圖，并可以通過輸入安全系數的臨界值，以便改變其輸入參數。通過觀察得到的敏感度曲線圖各條變量曲線的變化，可以知道該變量對安全系數的敏感度。其中曲線變化較大的為對安全系數較為敏感的變量，曲線變化不大的為對安全系數不敏感的變量。

在Slide程序中可直接計算各個參數的敏感度，尾礦壩在3種不同運行條件下的敏感性分析結果如圖5所示。

將以上分析結果導出到excel 表格中，通過對數據進行升序排列后可以匯總得到一個范圍，如表9所示。

通過以上的圖和表分析總結可知：在3種運行條件下尾細砂的內摩擦角對尾礦壩的安全系數影響較大(安全系數變化較大)，即尾細砂的內摩擦角敏感度較高。尾粉砂的粘聚力、內摩擦角、容重對安全系數的影響較小(安全系數未發生變化)，即尾粉砂的粘聚力、內摩擦角、容重敏感度較小，同樣也說明了整個壩體影響壩體安全系數的只是最前面的部分，越接近尾礦庫尾部的對壩體的安全系數影響越小。

圖5 3種運行條件下各參數的敏感度分析結果

3 結 論

尾礦沉積特性是客觀存在的，但是在尾礦庫設計中卻未把這一現象考慮在壩體穩定性分析中，與尾礦庫建設過程的壩體結構不符合。以某尾礦庫為工程實例，運用Slide軟件的可靠度分析方法分析有沉積特性的尾礦壩穩定性可靠度。主要得出以下結論：

1) 通過運用邊坡穩定性軟件Slide快速建立某尾礦庫建立尾礦壩壩體模型，并準確計算出不同工況下的抗滑最小安全系數，結合概率分析得出：運用Slide軟件Statistics(概率分析模塊)計算有沉積特性的壩體模型在正常運行條件下、洪水運行條件下、特殊運行條件下的穩定性可靠度。在正常運行條件下、洪水運行條件下計算得到的可靠性指數大于《水利水電工程結構可靠性設計統一標準》(GB 50199-2013)中的規范值，滿足安全生產要求，但是在特殊運行條件下計算的可靠性指數小于規范值，不滿足安全生產的要求。存在巨大的安全隱患，并需要立即提出整改方案，防止特殊工況條件下事故的發生。

表9 尾礦材料參數對尾礦壩安全系數的影響大小

2) 運用Slide軟件Statistics(概率分析模塊)，選擇粘聚力、內摩擦角、容重作為隨機變量，計算有沉積特性的壩體模型在正常運行條件下、洪水運行條件下、特殊運行條件下的壩體穩定性的敏感度?？芍谌N運行條件下尾細砂的內摩擦角對尾礦壩的安全系數的影響較大，即敏感度最高。以此來探索各種尾礦材料的物理力學性質參數對壩體穩定性的敏感度影響的規律。

3) 邊坡穩定性軟件Slide在國內的應用并不廣泛，邊坡穩定性的分析實例也不多。但是，采用Slide軟件可以直觀、準確、快速地建立起尾礦壩的模型，并且在計算方面，Slide軟件計算參數少、計算速度快、結果準確、可靠度高。所以，采用Slide軟件進行邊坡穩定性分析具有廣泛的應用，在今后的使用過程中，可以不斷地擴大Slide軟件的應用。

[1] 李航. 尾礦庫壩體穩定性及其災變預警機制研究[D].大連：大連交通大學， 2014.

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[3] 馬化龍, 譚秀民, 趙恒勤. 尾礦特性在尾礦庫設計和尾礦堆存中的重要性[J]. 金屬礦山, 2010(z): 25-26.

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[5] 王光進, 袁利偉, 孔詳云, 等. 邊坡工程穩定性與不確定性分析Slide程序的應用[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2015.

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InfluenceofInhomogeneityofTailingsSedimentonStabilityofDam

MA Longlong, YUAN Liwei, CHEN Yuming, PU Xinglin

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

In this paper, we have made our studies in the influence of sedimentary characteristics of the tailings dam stability on base of the importance of tailings deposition uneven characteristic. We use the slide software as a tailings dam in stability model, which is established to analyze the calculation of tailing dam under normal, including flood, special working condition of three kinds of the sensitivity of the reliability and stability of the tailing material. The results show that the tailings in the normal, flood operation under the condition of reliability index will conform to the rules. In special operating conditions, the reliability index is lower than the standard value. It will not meet the requirements of safety in production. In three kinds of operation conditions, tail sand influence on the stability of tailings dam is the largest.

Tailings dam; Reliability; Sensitivity; Stability

2016-09-05

國家安監總局安全生產重大事故防治關鍵技術重點科技計劃項目(10-101)；昆明理工大學自然科學研究基金資助省級人培項目(KKSY201421072)

馬龍龍(1991-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，研究方向：安全技術及工程，手機：18213825992，E-mail：544186780@qq.com；通信作者：袁利偉(1978-)，男，河南漯河市人，講師，研究方向：礦山安全、風險災害，E-mail：13508718218 kertylw@163.com.

TV649

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.030