多種工況下尾礦壩內穩定性研究

鄒建偉

（長春黃金設計院有限公司，吉林 長春 130012）

尾礦指的是在礦山開采過程中，將有用的礦物進行分選，所剩余的其他廢棄礦山以及殘余礦渣的存儲場所。而尾礦壩是攔擋尾礦和水的尾礦庫外圍構筑物。通常指初期壩和尾礦堆積的總體，是一種極其特殊的構筑物，與此同時也是尾礦庫中極其重要的組成部分。在當前階段，大多數的礦產開采企業為了就近使用礦產資源，大部分的尾礦壩體自身的粘性都比較低或者無粘性。在這種情況下易于尾礦固結，有利于壩體穩定[1]。尾礦區域中所長期堆放的礦渣主要指的是沒有經過風化以及礦渣變質作用的細顆粒，并且這種顆粒自身的塑形極低，在外部的荷載作用下會產生液化現象。我們國家是礦產資源的使用大國，但是由于我們國家的礦山企業在有段時間內企業的數量急劇的增加，伴隨著我國礦產開采步伐的降低，企業的尾礦數量也在不斷的縮減，但依據有關的統計報告顯示，我們國家現在所存在的尾礦庫仍接近1萬座。由于尾礦庫一般屬于重大危險源。因此在當前階段，深入研究多種工況下的尾礦壩穩定性具有十分重大的意義。

1 多種工況下尾礦壩穩定性影響因素的主要影響

1.1 壩體材料對于尾礦壩穩定性造成的影響

尾礦壩自身材料應有的物理學性質對尾礦壩自身的穩定性造成一定的影響，因為尾礦壩自身材料性質的不同，尾礦壩自身的抗滑穩定性也各不相同。比如，在尾礦壩的初期階段，一般會采用堆石壩、風化料、土壩。

1.2 尾礦堆積壩的下游坡比對于尾礦壩體穩定性所造成的主要影響

礦壩的坡度直接影響尾礦壩自身的穩定性，從而在一定程度上影響會直接尾礦壩的受力形態。我們可以深入研究細粒尾礦壩安全穩定性以餓及影響因素，經過詳細的實驗可以得出，尾礦壩的坡度每增加10°，尾礦壩體的承載力減少到原來的五分之一到分之一。通過實驗可以表明，尾礦壩體所堆積的高度和大小會直接影響到尾礦壩體材料掉落的位置。

1.3 尾礦壩壩高對于尾礦壩體穩定性的主要影響

伴隨著尾礦壩的日益增長的排放量，在當前階段，尾礦庫的堆放高度越來越高，隨著高度尾礦壩體自身的抗滑穩定性系數也在逐漸的降低，但是總的降低趨勢在呈現出放緩的趨勢，并且增幅也在不斷的降低[2]。

1.4 其他影響尾礦壩體的影響因素

影響尾礦壩體自身穩定性的主要因素有很多，比如浸潤線的埋深也是影響尾礦壩體穩定性的主要因素之一。如果浸潤線的埋深比較高，那么庫區的干灘長度會大大的縮短，尾礦壩體內的孔隙水的壓力也會逐漸的上升，對于尾礦壩體來說，也非常難固結，從而一定程度上降低了尾礦壩體的自身的穩定性。除此之外，一些自然環境的變化，例如地震以及強降雨等等也會直接影響尾礦壩的地質，從而直接影響尾礦壩體的穩定性，并且，這也是尾礦事故頻發的主要事故原因。

2 工程的實際案例

2.1 工程的具體情況

在這篇文章當中，主要以我國河北省的某一處尾礦庫區進行詳細研究分析。河北省得某尾礦庫區主要呈現出V字形狀，并且位置處于山澗溝谷之中，屬于山谷類型的尾礦庫區。在通常情況下，如果遇到這種類型的尾礦庫區，一般會在上游構筑尾礦壩。如果尾礦壩所在的庫區屬于低山的丘陵地區，并且屬于溝谷地形，地表的基層巖石為風化頁巖，庫區所處的位置常年沒有大面積積水，庫區周圍逐漸的由山地過度到平原地形，同時，在庫區的下游地區都有一些小型村落。

由于所處的尾礦庫區總的壩體高度為48m，并且尾礦堆積壩的下游平均坡度比為1：3，尾礦壩初期的壩體材料為粉質粘土，壩頂部寬度為4m，總的壩體高度為28.3m，并且尾礦初期壩的上下游歐比為1：3，總的尾礦壩長度為506m。在正常的工況下，干灘的平均長度為290m。如果尾礦壩處于汛期，則壩體的干灘總長度會有一定程度上的縮減。

2.2 多種工況的詳細計算

在文章當中，詳細分析了不同條件下尾礦自身的穩定性以及尾礦壩的具體高度對尾礦穩定性的具體影響。基于幾種不同的工況下對于尾礦壩體的穩定性進行了研究計算。工況一：主要對于干燥的自然環境下尾礦穩定性進行研究分析。其二：在相同的坡度比值下，高度增加20m，研究尾礦壩體穩定性的變化。其三：在尾礦壩體相同的條件之下，如果改變壩體的坡度的比值來深入研究壩體對于穩定性的具體影響。其四：當尾礦壩體處于飽水的狀態下，可以用來研究尾礦渣不同的狀態下，對于尾礦壩體穩定性的影響。

在本次的研究中，采用虛擬建模的形式進行詳細的計算以及研究。研究的主要模型選用的是尾礦壩體的主要斷面。在對于尾礦壩的斷面進行深入的研究分析時，可以進行網格剖分的方式，同時兼顧到尾礦壩體不同地段壩體的變化，在不同類型的單元接觸面以及不同形狀變化比較大的地區以及最危險的滑動面進行網格剖分，并且需要嚴格的遵循平穩過度的原則。在監理網格時，需要按照壩體材料的不同進行分組，具體為基巖、堆石體以及粘土壩、尾粉砂這幾種類型，通過這種方式可以便于賦予壩體材料的具體參數。

除此之外，還需要根據尾礦壩體材料自身的物理性質，可以將其作為連續的彈塑性的介質進行詳細的研究分析。具體的壩體材料參數如下表所示。

表1 物理學性質參數

3 計算結果以及詳細的數據分析

在一般的自然條件之下，尾礦壩整體的受力狀態相對來說比較的均勻。在最開始的初期階段，尾礦壩的內坡與基層巖石的交匯處所分布的應力相對集中，在這種情況下，尾礦壩體所處的位置地形起伏的變化會比較大，并且在這個地方網格的劃分會比較的密集。還可以看出位移的最大的峰值一般會發生在初期壩體的排水處。與此同時，壩體的滑移面在初期底部的滑移面一直到尾礦壩的頂部，整個滑移面呈現出圓弧裝。當增加20m的高度時，尾礦壩體的整體受力情況與工況的情況基本一致，在一些特殊的位置，例如基層巖石的交匯處會出現一些張拉以及剪切力的破壞位置。從整體的形勢下來看，如果破壞的區的影響相對較小，沒有形成貫穿的破壞力。在改變尾礦坡度比值以后，尾礦壩體不會發生太大的改變，并且其他的位置也并沒有出現應力集中的情況。如果尾礦壩的滑動面沒有發生任何的改變，則尾礦壩的位移位置則由初期的位置逐漸的向堆積壩進行發展，則主要的破壞力面在尾礦壩的底部逐漸的向坡頂發展，從而可以形成圓弧形的破壞區域面，但是因為尾礦壩的坡度在不斷變陡，從而所形成的壩體滑移面的位置相對較淺。礦渣在飽水狀態下的黏聚力以及摩擦角的變化對于壩體抗剪力強度的影響下，壩體自身的位移會逐漸的增大。加高尾礦壩庫的高度，其尾礦壩體的坡度也會隨之而發生改變，從而也會直接影響尾礦壩體的自身穩定性。然而，壩體高度卻對于壩體穩定性的影響相對較小，如果尾礦的坡度發生變化，則對于尾礦壩穩定性的影響最大。相比較傳統的壩體狀態，如果礦渣處于飽水的狀態下，因為礦渣在水狀態下自身的容量會有所增加，所以，尾礦壩體的黏聚力以及摩擦角度也會隨之發生改變，尾礦壩體的穩定性也會隨之發生改變，由于處于飽水狀態下，壩體的整體穩定性會變差。通過《尾礦庫安全設施設計規范》可以得出，在正常情況下，尾礦壩體主要滑穩定性的安全系數不應該小于1.2，在汛期季節，尾礦壩體處于洪水期時，尾礦壩體自身的抗滑穩定安全系數不應該小于1.1、所以，根據預算結果可以看出，研究的尾礦壩體在不同的情況下都屬于安全狀態。

4 結語

在文章當中，主要采取強度折減法對于多種工況狀態下的尾礦壩穩定性進行研究分析，并且建立相應的研究模型，通過詳細的研究結果表明，其一，無論是在自然狀態下還是處于飽和水的狀態下，尾礦壩都相當來說比較穩定，并且安全系數特相對較高，潛在的位移安全風險主要由初期尾礦壩進行承受，特別實在排水棱體存在很大位移量的時候。在這種情況下，建議在排水棱的地方進行強化加固處理，通過這種方式，可以保證尾礦壩的穩定性。其二，在對于尾礦壩的穩定性進行研究的過程中，無論是增高還是降低尾礦壩的比值都會直接影響尾礦壩自身的穩定性，然而如果是僅僅增加壩的高度。對于尾礦壩自身穩定性影響相對較小，相對來說，尾礦壩的坡度比值則更為敏感。其三，通過詳細的研究分析可以得出，在自然條件下以及飽和水的狀態下，通過詳細的研究可以計算出安全系數為1.68以及1.44，在兩種不同的工況條件下，安全系數不同，并且有多降低。在尾礦壩處于飽和水狀態下，礦渣更容易發生壩體穩定性破壞。