基于Geostudio的尾礦庫穩(wěn)定性分析

張紅良

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

尾礦庫是由谷口的筑壩和周圍相對較高的圍地構(gòu)建而成，其功能主要是用來堆放礦山在開挖選取完礦石后所排出尾渣料或其他類型的工業(yè)廢渣。尾礦庫是礦山企業(yè)最大的環(huán)境保護工程項目，可以防止來自尾礦運行后不需要的渣滓向江、海、草原等許多地方到處去任意排放。礦場和尾礦庫是相隨而產(chǎn)生的，只要是有渣滓產(chǎn)生的廠礦，尾礦庫就是必不可少的。因此，尾礦庫是礦山在運行生產(chǎn)建設(shè)期間的少不了且不能缺少的一個部分。一般尾礦庫在高度上會很高，形成人造小山丘，由于高度較高，導(dǎo)致尾礦庫的重力勢能很大，屬于人為造成的危險源頭，糟糕的雨雪天氣很有可能導(dǎo)致尾礦庫潰壩，危險系數(shù)較高。一旦尾礦庫失事，容易對下游村莊經(jīng)濟、生態(tài)等造成十分重大事故[1]。隨著經(jīng)濟和礦山開采業(yè)的迅速發(fā)展，我國尾礦庫的數(shù)量也在快速增加，目前我國尾礦庫的數(shù)量在6 000座以上，因此對尾礦庫的穩(wěn)定性進行合理有效的計算、分析與評價，對礦山的正常安全運行有著十分重要的影響。本文結(jié)合某選礦廠尾礦庫工程實例，通過現(xiàn)場勘查，分析該尾礦庫的特點，并采用Geostudio2007軟件計算運行工況的安全系數(shù)，并基于此分析評價其穩(wěn)定性。

1 尾礦庫基本特征

某礦山、選礦廠位于新疆境內(nèi)，所在的山溝地形切割強烈，山勢險峻，V字型谷地發(fā)育，兩側(cè)山坡的坡面角一般在25°～45°之間，庫區(qū)海拔標(biāo)高在1 500～2 000 m，相對高差300～400 m。壩型為碾壓透水土石壩，在下游壩面1 540.0 m等標(biāo)高處設(shè)寬2.0 m馬道。堆積壩堆積外坡坡比分別為1∶2.15，1∶5.0。

工程包括初期壩、堆積壩、排洪系統(tǒng)、地下水導(dǎo)排系統(tǒng)等。初期壩為土壩，下游坡腳設(shè)有排水菱體，上游設(shè)有塊石護坡。初期壩壩頂高程1 557.0 m。在生產(chǎn)期間用沉積灘干尾砂，采用上游式尾礦筑壩法逐年堆筑，設(shè)計堆積壩壩頂高程1 586.0 m。選礦廠設(shè)計原礦處理能力為200 t/d，1998年改擴建后生產(chǎn)規(guī)模達到400 t/d。目前該尾礦壩已使用26年，排放尾礦總量約100×104m3，工程規(guī)模屬大型。

2 穩(wěn)定計算原理

2.1 極限平衡法

邊坡的土體在極限平衡方法中被視為剛性體，將土體自身的變形對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響忽略或者采用非常低的影響系數(shù)，進行簡單處理。簡化計算是極限平衡法的特點，將復(fù)雜的計算過程通過忽略一些不重要的系數(shù)進行簡化，得到與復(fù)雜計算過程得出的結(jié)果十分相近的結(jié)果。一般情況下，使用極限平衡法計算的正應(yīng)力和實際情況比較吻合，但是在一些復(fù)雜的、 非均質(zhì)土體中其計算值與實際值可能相差較大。Geostudio軟件中的邊坡分析模塊就是為計算邊坡穩(wěn)定性而設(shè)計的，邊坡分析的計算原理采用極限平衡法，包括普通條分法、畢肖普法、 簡布法、摩根斯坦-普賴斯法等。

2.2 有限元法

該方法基于滑動面上應(yīng)力分析，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)存在滑動可能性的面上土體的整體或部分的應(yīng)力條件，采用不一致的計算分析方法計算得出所有計算結(jié)果中最危險的滑動面。兩種方法相比，有限元法不僅能比極限平衡法將工程邊坡巖土體的力與位移的關(guān)系更好地反映出來，而且邊坡的整體輪廓參數(shù)和不均勻的邊坡材料將不會對結(jié)果產(chǎn)生任何限制，因而有限元方法是邊坡穩(wěn)定性計算分析中首選的、理想的方法。在Geostudio中，應(yīng)用應(yīng)力分析模塊將實際邊坡的應(yīng)力通過二維模型進行模擬計算，將計算得出的應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到邊坡分析模塊中進行多場耦合計算，得出安全系數(shù)并確定出邊坡最危險滑裂面的位置等詳細(xì)參數(shù)。

3 尾礦庫穩(wěn)定性分析

本文對該工程的1 596 m高程處壩坡進行建模計算分析，得到校核工況、設(shè)計工況和正常工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)，并與規(guī)范規(guī)定的不同級別的安全系數(shù)值進行對比，得出邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 尾礦壩靜力穩(wěn)定分析

尾礦壩原設(shè)計1 596 m靜力穩(wěn)定分析采用壩體填筑到壩頂高程即1 596 m時應(yīng)力計算成果進行滑弧搜索。在進行滑弧搜索時，為了盡可能找出最小安全系數(shù)所在滑弧，將可能的圓心位置放大。圖1-圖3分別為搜索到3個典型截面的正常水位下最小安全系數(shù)對應(yīng)的滑弧位置，并給出相應(yīng)的滑弧半徑。圖4-圖6分別為搜索到3個典型截面的洪水位下最小安全系數(shù)對應(yīng)的滑弧位置，并給出相應(yīng)的滑弧半徑。

計算分析得出各種工況下尾礦壩各截面壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)，見表1，全部滿足穩(wěn)定要求。

圖1 正常水位左岸截面靜力最危險滑弧位置(ks=1.781)

圖2 正常水位中部截面靜力最危險滑弧位置(ks=1.872)

圖4 洪水位左岸截面靜力最危險滑弧位置(ks=1.601)

圖5 洪水位中部截面靜力最危險滑弧位置(ks=1.815)

圖3 正常水位右岸截面靜力最危險滑弧位置(ks=1.693)

圖6 洪水位右側(cè)截面靜力最危險滑弧位置(ks=1.674)

表1 尾礦壩1596m高程靜力安全系數(shù)表

3.2 尾礦壩動力穩(wěn)定分析

圖7給出3個典型截面壩坡的最小安全系數(shù)時程曲線。

圖7 安全系數(shù)時程曲線

計算得出個各截面的平均安全系數(shù)、最小平均安全系數(shù)，見表2。從表2中可以看出，平均安全系數(shù)在1.507～1.788之間，最小平均安全系數(shù)在1.060～1.135之間，各典型截面動力安全系數(shù)較靜力安全系數(shù)小，但均大于規(guī)范要求值，滿足穩(wěn)定要求。

表2 動力安全系數(shù)表

4 穩(wěn)定性評價

通過上述分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 在正常運行工況下，尾礦壩1 596 m高程工況典型截面靜力最小穩(wěn)定安全系數(shù)位于右側(cè)截面，1 596 m高程下最小安全系數(shù)為1.693；中部截面與左側(cè)截面安全系數(shù)較為接近，右岸較大，大于規(guī)范要求值1.25，滿足靜力穩(wěn)定要求。

2) 在洪水工況下，尾礦壩各典型截面安全系數(shù)規(guī)律同正常運行工況，1 596 m高程下最小安全系數(shù)為1.601，大于規(guī)范要求值1.25。

3) 在地震工況下，尾礦壩各典型截面動力穩(wěn)定安全系數(shù)較靜力安全系數(shù)有所降低，滑弧半徑有所增加。動力工況下，河床中間截面最小平均安全系數(shù)最小，1 596 m高程下動力最小平均安全系數(shù)為1.078，大于規(guī)范要求值1.05，滿足動力穩(wěn)定要求。繼續(xù)采用濕排方式堆積尾礦至1 610 m高程運行工況進行研究，表明河床中間截面最小平均安全系數(shù)為1.1038，高于規(guī)范值，滿足動力穩(wěn)定要求。

5 結(jié) 語

尾礦庫運行期內(nèi)的穩(wěn)定性分析在邊坡穩(wěn)定性研究占有較大的比重，尾礦壩是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)施，分析計算運行期間的穩(wěn)定性，可以事先采取相應(yīng)的安全預(yù)防措施，把危險性降到最低，以保證礦山安全生產(chǎn)和礦區(qū)人民生命安全。本文通過對尾礦庫的靜動力穩(wěn)定分析，確定尾礦壩在不同運行工況下的安全系數(shù)值。通過計算得到的安全系數(shù)與規(guī)范的安全系數(shù)對比表明，尾礦壩在各種工況下運行安全。