尾礦庫壩體安全穩定性影響因素分析及對策措施

董光玉

（中鋁礦業有限公司，河南 鄭州 450041）

冶金和有色行業在生產過程中，將礦山采出的礦石經選礦廠選出有價值的精礦后，產生砂一樣的“廢渣”我們稱之為尾礦。

全國每年產生的尾礦數量較大，這些尾礦中還含有暫時不能回收的有用成分和選礦過程中添加的有害物質（酸、堿等藥劑），目前由于技術和市場的原因，只有少量的尾礦能綜合利用，為了不造成嚴重的環境污染和資源流失，大量的尾礦被迫排放到尾礦庫集中堆存。出于工程投資的考慮，一般尾礦庫都建在離廠區比較近的一定范圍之內，靠近公路或鐵路，有的截斷河流，有的靠河流較近，下游存在居民、工廠等，尾礦庫一旦失事，會給下游人民生命財產造成災難性的損失。

近年來，國內外尾礦庫壩體失事的事故比較多，1985年7月中旬，意大利北部的普瑞皮爾尾礦壩潰壩，250人死亡；2019年1月25日，巴西淡水河谷公司位于巴西米納斯吉拉斯州的一處尾礦壩潰壩，泥漿順流而下，沿途摧毀大量建筑物，致死超過160人，上百人失蹤；1962年9月26日云南錫業公司火谷都尾礦庫潰壩，受災人口13970人，死亡171人，傷9人；1985年8月25日湖南柿竹園有色礦牛角壟尾礦庫潰壩，死亡49人，直接經濟損失1300萬元；2008年9月8日，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業有限公司尾礦庫發生特別重大潰壩事故，造成267人死亡。尾礦壩安全已引起了全世界范圍內的高度重視。

1 尾礦庫壩體安全穩定性概念

通過對多起尾礦庫事故進行統計分析認為，造成尾礦庫事故的原因有多方面，但是尾礦庫壩體穩定性遭到破壞而失事，引起潰壩事故的情況比較突出。

壩體失穩一般有兩種情況，一種是壩體沿地基整體滑動，這種失穩的壩體多數是整體剛性強，如：混凝土壩體；另一種是壩坡滑動、坍塌破壞，這種失穩的壩體柔性強，如：土石壩。尾礦壩多為細砂尾礦堆筑，屬于柔性材料，一般不會出現整體滑動，易出現壩體邊坡坍塌或局部滑動破壞。尾礦壩的安全穩定性一般不考慮整體滑移問題，只考慮壩體邊坡穩定性。

尾礦壩安全穩定性是以安全系數F來表示，總抗滑力與總滑動力之比就是尾礦壩壩坡抗滑穩定的安全穩定性系數，其表達式為式（1）。

《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006～2005）對尾礦壩壩坡抗滑穩定最小安全系數有明確規定（見表1），如果最小安全系數能夠滿足表1的要求，認為壩體處于穩定狀態；如果不能夠滿足要求，說明壩體邊坡處于危險狀態，要進行原因分析，并采取整改措施。

表1 壩坡抗滑穩定最小安全系數

尾礦壩壩坡抗滑穩定性達不到要求時，壩坡就易發生滑動破壞，有時還會帶動壩基土體一起滑動見圖1。

圖1 壩體滑動破壞示意圖

根據對尾礦庫壩體大量破壞實例進行分析研究發現，均質粘土壩的壩坡滑動面形狀多呈圓弧形；非粘性砂石料壩多呈折線形；當壩內含有厚層細泥夾層，滑動面的形狀就比較復雜，為圓弧和折線的組合面。

2 尾礦庫壩體穩定性影響因素分析

尾礦庫壩體多數采用尾礦堆積而形成壩體，影響尾礦堆積壩穩定性因素很多，既有壩體的內在因素，如：堆積尾礦的顆粒組成、尾礦沉積層的抗剪強度(內摩擦角φ和粘聚力c)、尾礦堆積壩坡度、堆積壩高度、尾礦沖積分層情況；又有堆積壩的外在因素，如：壩體浸潤線的高低、庫內水位高低、沉積灘長度、壩體工程地質、自然條件等都會對尾礦堆積壩的穩定性產生影響。下面對主要影響因素進行重點分析。

2.1 尾礦物理力學特性對壩體穩定性的影響

尾礦的抗剪強度計算公式為：

式（2）中 ：

σ—作用在某一滑面上的垂直壓力，MPa；

C—尾礦的凝聚力，單位MPa。

根據壩體穩定性分析中常用的瑞典圓弧法計算公式和Bishop法的計算公式可以知道：

圖2 內摩擦角與穩定系數的敏感性關系

由圖2可見，尾礦的內摩擦角與壩坡穩定性安全系數基本上呈線性關系。其關系圖形基本上為通過原點的一條直線。尾礦內摩擦角的與壩坡穩定性安全系數的關系可用函數表達如式（3）。

公式（3）中k為常數，不同尾礦有不同值。一般當其內摩擦角在20°～30°之間，每一度的tan相差0.02～0.023，計算的安全穩定性系數F值基本相差0.075～0.086。因此，尾礦的內摩擦角直接影響尾礦堆積壩的安全穩定性。

（2）尾礦凝聚力c和穩定系數F也基本上為線性關系，根據安全穩定性系數F的計算公式可以做出尾礦凝聚力c和穩定系數F的關系見圖3。

圖3 凝聚力與穩定系數的敏感性關系

根據圖3可將尾礦的凝聚力c和穩定系數F的關系用函數表達如式（4）。

式中F0為C=0時的穩定性安全系數。根據相關統計分析得出，凝聚力C對尾礦壩的穩定性有一定的影響，但沒有內摩擦角的影響大。

2.2 浸潤線高低位置對壩體穩定性的影響

從極限平衡法的瑞典圓弧法和Bishop法等壩體穩定性安全系數計算公式來看，壩體浸潤線位置的高低，直接影響壩體穩定系數。

例如某尾礦壩總壩高為120m，初期壩為堆石壩高20m，壩外坡為1:2，尾礦堆積壩外坡比為1:5.7，壩前干灘長為400m，根據不同的浸潤線位置，經計算其對壩體安全穩定性系數F的影響結果見表2。

表2 浸潤線位置對尾礦壩安全穩定性的影響結果

從表2可以看出，浸潤線位置高低相差1m水位，安全穩定性系數F相差1.2%～2.5%，浸潤線位置越高壩體安全穩定性系數F越小，進一步說明壩體浸潤線位置對于壩體穩定性影響很大。

2.3 坡度對壩體穩定性的影響

壩坡坡度對尾礦壩的穩定性是直接有關的，表3為某尾礦壩采用不同坡度，計算其對應的安全系數F。

表3 某尾礦壩不同壩坡的安全系數

壩坡變化對安全系數F的影響見圖4。

圖4 壩坡與穩定系數的敏感性關系

由圖4可見，壩坡越陡安全穩定性系數越小，壩坡越緩安全穩定性系數越大，當壩坡太緩時，由于壩外坡增長，雖然浸潤線有所降低，但浸潤線與壩坡坡面的距離縮小，這種情況下浸潤線就有可能逸出壩面，不利滲流穩定，反而直接威脅壩體安全。因此，尾礦壩壩坡度的選擇，應是在保證有足夠的安全系數的前提下，壩坡不宜太緩，否則使浸潤線可能會逸出，影響壩體安全穩定性。此外，壩坡過緩，就減少了尾礦庫的庫容，同時增加筑壩工程量，這也是不經濟的。

總之尾礦壩安全穩定性的影響因素較多，通過分析可以認為，尾礦物理力學特性、壩體邊坡坡度、壩體浸潤線位置是比較重要的影響因素。

3 提高尾礦庫壩體安全穩定性的對策措施

3.1 選粗顆粒尾礦進行筑壩

為了使粗顆粒尾礦集中在壩體，一是在壩前放料，使粗顆粒尾礦能夠迅速沉淀在壩體區域，細顆粒尾礦流入庫內。二是可采用旋流分離器，將尾礦顆粒進行分級，粗顆尾礦筑壩，細顆粒直接排入庫區。

3.2 嚴格按照設計控制壩體邊坡坡度

在堆筑尾礦堆積壩每及子壩時都要進行檢查、檢測，嚴格按照設計外坡比進行控制。如果子壩外坡比超出設計值，在堆筑下一級子壩時可向庫內后退，放緩后期堆積壩外坡比，減少堆積壩總坡比。堆筑壩體總體外坡比不能滿足壩體安全穩定性要求時，對壩坡進行削坡或壓坡處理，降低壩體坡度，提高抗滑穩定性。

3.3 控制壩體浸潤線位置

因為浸潤線的高低對壩坡穩定的影響是頗大的，設計時要給出不同壩高對應的浸潤線最高位置。控制壩體浸潤線位置主要措施有：一是降低庫內水位，保持壩前足夠的干灘長度，減少壩體內的滲透壓力，以便降低壩體的浸潤線位置。二是采取壩體排滲的工程措施，如增設壩體排滲設施，將壩內部滲水及時排除，降低壩體內浸潤線。

3.4 做好壩體日常安全管理

尾礦庫壩體日常運行維護對其安全穩定性至關重要，特別要做好以下措施落實：一是要修建壩體表面的排水明渠，并保持暢通，確保雨水和滲水通過排水明渠有序排出壩體，防止沖刷壩體。二是壩外坡面要及時進行復土和綠化，保護壩體外坡面。三是定期檢查排滲設施的完好性，確保滲水能及時排走，并監測滲水流量的變化。四是對壩體定期監測，可采用自動在線監測和定期人工監測相結合，對壩體沉降、位移、浸潤線等關鍵指標進行監測，對數據進行統計分析。五是定期對壩體進行全面檢查，是否有裂縫、滑坡、浸潤線逸出、獸洞穴等異常情況，發現異常應及時處理。六是控制堆積壩筑壩上升速度，防止上升速度過快，下部壩體未能及時固結，強度不夠，引起壩體的變形、裂縫等。