冶金礦山尾礦庫壩體穩定性影響因素分析

李文海

（中冶沈勘工程技術有限公司，遼寧 沈陽 110169）

1 尾礦庫分類及事故原因統計分析

1.1 尾礦庫分類

目前，根據尾礦庫地形不同將其分為3 類：（1）山谷型尾礦庫。山谷型尾礦庫充分借助山區（丘陵）地形，在下游處筑壩，形成攔截式庫區。山谷型尾礦庫具有筑壩工期短、成本低、容量大、管理方便等優點，是較為理想的庫型，也是目前我國應用最多的庫型［1］。（2）傍山型尾礦庫。傍山型尾礦庫在丘陵及湖灣地區存在較多，其利用山坡洼地，依山兩面或三面筑壩，形成圍截式尾礦庫。該型尾礦庫具有筑壩長度大、壩體高度小、庫容小、防洪控制差等缺點，在我國南方地區較為常見。（3）平地型尾礦庫。由于受地形限制，平地型尾礦庫集中在平原地區，只能建在平底或凹坑處，人為在四面筑壩，工程量大、管理困難，且隨著尾礦越來越多，庫區面積、調洪能力等均減弱。平地型尾礦庫占地面積大，但壩體高度低，一般不會發生事故［2］。

1.2 尾礦庫事故原因統計分析

通過統計和分析全球范圍內近百起尾礦庫事故，制作了柱狀圖（見圖1）。

圖1 尾礦庫事故原因柱狀圖

由圖1 可知：（1） 壩體失穩占尾礦庫總事故比例的34%，是最常見的事故原因；（2）邊坡失穩占尾礦庫總事故比例的18%，一般情況下邊坡失穩會最終造成庫壩裂縫，滲漏加劇，所以也是壩體失穩的重要原因［3］。

2 尾礦壩穩定性影響因素分析

2.1 瑞典圓弧條分法原理

為分析尾礦壩力學穩定性，在此采用“瑞典圓弧分條法”分析。為簡化計算，假設滑動條體均為剛體，通過分析條塊受力平衡來求解壩體抗滑穩定性安全系數。在此取其中任一條塊，從X、Y 兩個方向分析其力矩平衡方程，其抗滑穩定性安全系數F 的計算表達式見式（1）［4］。

式中：φ—第i 條塊內摩擦角，°；β—第i 條塊坡角，°；ci—第i 條塊粘聚力，kN；li—第i 條塊粘聚力力矩，m；Wi—第i 條塊重量，kN；

通過分析計算公式可知：壩體抗滑安全穩定性系數F 主要和壩體筑壩材料、角度等因素有關，因此從這些參數分析可指導筑壩施工，提高壩體抗滑穩定性。

2.2 尾礦壩穩定性影響因素分析

2.2.1 尾礦渣物理力學特征對壩體穩定性影響分析

尾礦渣不同于水體，其一般以漿液或固體形式堆積在庫區，其對壩體的沖擊擠壓力是影響壩體安全穩定性的重要因素，而尾礦渣堆積層的抗剪強度τ 則直接決定了其沖擊擠壓力大小，其計算公式見（2）。

式中：σ—作用在尾礦滑動面上的正應力，kN；φ—尾礦堆積層內摩擦角；°。c—尾礦堆積層粘結力，kN。

由式（2）可知：內摩擦角φ 與抗剪強度τ 呈正比關系，進而可知也和安全穩定性系數F 呈正比關系。由此對摩擦角φ 與F 值的敏感性關系進行線性回歸，得出式（3）。一般情況下，內摩擦角角φ 每增加1°，安全穩定性系數F 增加5%～10%。

此外，尾礦堆積層粘結力c 也與F 緊密相關，c 值越大，F 值也越大。對c 和F 值的敏感性關系進行線性回歸分析，得到公式（4）。一般情況下：粘結力c 每增加5 kPa，F 平均增加0.05，影響程度較小。

式中：F0—穩定尾礦堆積層安全系數；β—尾礦堆積層坡角，°。

2.2.2 滲流浸潤線對壩體穩定性影響分析

尾礦壩體浸潤線位置是一個動態變化過程，浸潤線是產生管涌、流沙的重要原因，對壩體安全穩定性系數F 有直接影響，表1 是經過統計大量數據得出的結果。由數據可知：（1）浸潤線降低值越大，尾礦壩安全穩定性系數F 的值越大；（2）隨著水位的增加，尾礦壩安全穩定性系數在逐漸下降。綜合分析，浸潤線高度每相差1 m 水位，尾礦壩安全穩定性系數F 就相差0.02～0.05，變化率在1.2%～2.5%。

表1 浸潤線位置對尾礦壩穩定性影響分析

3 結 語

通過分析可知：尾礦渣堆積層的內摩擦角φ 和尾礦壩體浸潤線是影響壩體安全穩定性的主要參數，因此在筑壩施工、礦渣排放、日常巡查中要特別注意檢測這些參數的變化，科學管理，將危險因素全部排除。