某尾礦庫三維滲流穩定性分析

秦金雷，李 彪，宋志飛

（北方工業大學，北京 100144）

尾礦庫作為礦山選礦企業的重要生產設施，其運行的安全與否，直接關系到企業的經濟效益和尾礦庫周邊居民的生命財產安全[1]。我國尾礦多采用水力排放形式，有人曾統計過，尾礦庫潰壩大部分是因為滲流破壞造成的，從某種意義上講，壩體的滲流穩定性對壩體的整體穩定性起著至關重要的作用[2，3]。

礦山的最大危險源頭就是尾礦庫，由于地形多變、放礦不均勻、沉積不合理等原因，造成滲流場復雜、浸潤線位置高、坡面沼澤化，壩體有滲流水逸出，使尾礦壩自重增大，導致潰壩事故。統計表明，尾礦庫潰壩大部分是由于滲流控制不當造成的[4]。

本文研究的尾礦庫是一個壩體高庫容較大的一等庫，對該尾礦庫在正常運行和洪水運行工況下建立庫區及壩體的三維滲流數值模進行計算。通過數值模擬，分析評價尾礦庫在該堆積標高時的滲流穩定性，并為壩體抗滑穩定驗算提供準確的浸潤面位置，為尾礦庫的設計提供科學依據。

1 尾礦庫工程概況

尾礦庫概述：

（1）新建初期壩：初期壩采用碾壓土石混合壩，壩頂標高4265.0m，壩高85.0m，壩頂寬度5m、壩軸線長478m，壩體上游坡比為1：1.73，下游坡比為1：1.7。

（2）堆積壩：尾砂最終堆積標高4440.0m，尾砂堆高175.0m，總壩高260.0m，總庫容為7002.2×104m3。尾砂堆積壩采用常規上游法尾砂筑壩，4265m～4295m標高尾砂平均堆積邊坡為1：4；4295m～4335m標高尾砂平均堆積邊坡為1：5；4335m～4440m標高尾砂平均堆積邊坡為1：6。

尾礦采用膏體排放，浮選尾礦漿經深錐濃密機濃密到64～66%濃度后用隔膜泵輸送至尾礦庫，而后采用壩前均勻排放、上游法筑壩，尾砂沉積灘根據類似礦山經驗其坡度按1.5%考慮。

2 數值計算模型的建立

依據工程測繪地形圖，建立最終標高4440.0m三維滲流有限元數值計算模型。

將庫區尾礦沉積灘的灘頂、沉積灘面、堆積壩坡面、初期壩頂部以及初期壩下游坡面確定為透水邊界；將庫區基巖地帶確定為不透水邊界；庫區周圍山體為不透水邊界。由于基巖為不透水邊界所以用midas建立各個標高模型時為方便觀察所以把基巖隱藏。

圖1 尾礦庫4440m標高模型圖

由于采用膏體排放，各個時期堆存的尾砂的性質基本相同，但隨著庫內尾礦砂固結沉積，尾砂表現出自上而下、自壩坡到溝底逐漸密實的特性，滲透系數同時表現出兩向異性。因此，在進行三維滲流計算時，應當考慮兩向異性，否則算出的浸潤線可能偏低。

表1 滲流分析選用的材料結果表 單位：cm/s

表2 4種計算高度對應灘頂計算參數表 單位m

3 滲流計算結果以及尾礦壩穩定性分析

3.1 滲流計算結果與分析

最終標高滲流計算結果：

圖2 滲流計算結果

用midas對該尾礦庫最終標高正常工況和洪水工況進行三維滲流模擬，模擬結果如。得出：①庫內地表水在尾礦砂內滲透的過程中，由于受到尾砂顆粒的層層阻力所以會產生不同程度的水頭損失，形成水頭差尾礦庫的地表水在水頭差的作用下向下滲透。②由圖2（a）和圖2（b）可知兩種工況孔壓最大均分布在尾砂與基巖交界地帶，孔壓從尾砂向初期壩方向逐漸減少，初期壩內出現負孔壓，這是復合土工膜截斷滲流水使其從初期壩底部流出的原因。③正常工況浸潤面最小埋深為23.8m，洪水工況浸潤面最小埋深為13m，都符合相關規定的要求。

3.2 尾礦壩抗滑穩定性分析

對尾礦壩抗滑穩定性用的較多的就是極限平衡法，極限平衡法是依據力學平衡原理建立平衡關系式，通過所求得的安全系數得出邊坡的穩定性[5]。條分法又是其中最典型的方法，根據滿足平衡條件的不同可以分為非嚴格條分法和嚴格條分法。

滿足力平衡或者力矩平衡條件之一稱為非嚴格條分法，兩者同時都滿足則稱為嚴格條分法[6]。各種條分法采用假定的物理意義不一樣所能滿足的平衡條件也不盡相同，導致了各種方法在計算時的適合場合也不太相同。各種條分法有各自的計算精度和局限性。

綜合考慮之后利用geo studio軟件對該尾礦壩進行穩定性計算，計算方法分別用非嚴格條分發（簡化畢肖普法）和嚴格條分發（Morgenstern-Prince法），計算工況分別為正常工況和洪水工況，計算結果如下：

圖3 計算工況分別為正常工況和洪水工況

表3 兩種工況分析表

計算結果顯示用嚴格條分發計算得到的安全系數小于非嚴格條分發，但都滿足要求，該尾礦壩是抗滑穩定的。