尾礦庫壩體穩定性關鍵影響因素敏感性分析

郭彥華，陳方瑜，扈松林

(中原科技學院 土木建筑工程學院， 河南 鄭州 450018)

0 引言

對于濕排式尾礦庫壩體穩定性，國內外許多專家和學者進行了深入的研究和探討，其研究重點主要集中在滲流穩定性、壩體靜力穩定和壩體動力穩定三大方面[1]。滲流穩定性主要探討浸潤線位置高低和尾礦粒徑的滲流特性，多采用數值分析方法，如：差分法、有限元法和邊界元法[2]；壩體靜力穩定分析以極限平衡理論為基礎，主要研究尾礦壩處于靜力狀態時含水尾粉砂土的邊坡穩定性[3]，常采用有限元法；壩體動力穩定主要考慮尾礦壩在震動條件下產生的飽和砂土液化、孔隙水壓變化、不規則波作用對壩體穩定性影響[4]。以上3個內容的研究都有其局限性，因為壩體的穩定性受壩體設計、堆積材料內摩擦角φ、黏聚力c、尾礦粒徑、浸潤線高低等多種因素影響[5-6]，且各因素的變化對壩體穩定性的影響程度也不同。在工程實際中，往往需要研究各因素的變化對壩體穩定性的影響，并針對相關影響因素采取防治措施。

不確定性分析法中敏感性分析法原是用于財務評價的方法。敏感性分析法是從眾多不確定性因素中找出對結果有重要影響的敏感性因素，分析測算其對結果影響程度和敏感性程度的一種不確定性分析方法。本文對影響壩體穩定性的各種因素及其參數進行研究分析，選定不確定性因素，設定其變化幅度，分析其對尾礦庫壩體穩定安全系數K的 影響。

1 尾礦庫概況

某尾礦庫為一座山谷型尾礦庫，設計尾礦庫總庫容為230×104m3，總壩高為57 m，設計等別為四等庫。選礦廠排出的礦漿量為193.3 m3/h，采用尾礦庫壩前均勻放礦，放礦口間距為6 m。尾礦庫壩體及礦漿特征見表1。

表1 尾礦庫基本參數

尾礦庫排滲設計：初期壩采用塊石混凝土砌筑，內充填碎石，基礎牢固，設置有排水管，用砂卵石層及土工布層做反濾層。堆積壩上有垂向排滲井和水平排滲管，排滲井采用潛水泵排水，根據滲水量采用間歇性抽水，以控制壩面浸潤線高度。水平排滲管鋪設坡度為2%，庫區尾砂部分的PVC管上部鉆有數孔，外表面包裹一層400 g/m2土工布，內端 管口封閉，滲水通過排滲管排入相應排水溝。

2 尾礦庫壩體穩定性影響因素分析

根據庫侖定律，可知砂土的抗剪強度

黏性土的抗剪強度

式中，τ為土的抗剪強度，kPa；c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內摩擦角，（°）；σ為剪切滑動面上的法向應力，kPa[7]。

內摩擦力主要由土粒之間表面摩擦力和土粒之間的咬合力所引起。黏聚力則主要由土粒間水膜受到相鄰土粒之間的電分子引力以及土中化合物的膠結作用而形成[8]。

該尾礦庫的磨礦細度小于200目（篩孔尺寸0.075 mm）顆粒質量占總質量的60%，根據《尾礦庫安全規程》（GB 39496-2020）[9]，沉積在上部的為尾粉砂，沉積在下部的為尾粉土。尾粉砂和尾粉土的內摩擦角φ一般在28°～36°，孔隙比越小，φ越大。尾粉砂和尾粉土的黏聚力c一般較小，約10 kPa以下。

對于黏性土組成的壩體，壩體穩定性安全系數K為穩定力矩（式3）與滑動力矩（式4）的比值；在有水滲流的情況下，根據條分法分析壩體穩定性，安全系數計算公式見式（5）。

式中，αi為土條i滑動面的法線與豎直線的夾角；li為條分土條i滑動面的弧長；c、φ為滑動面上的黏聚力及內摩擦角；Wi為土條重度，浸潤線以下部分應考慮水的浮力，采用浮重度；K為作用在浸潤線以下部分滑動土體上的動水力合力；r為動力水合力D對滑動面圓心O的力臂；R為滑動圓半徑[10]。

壩體的穩定性受多種因素影響，與尾礦的顆粒組成、密度、含水率、礦物親水性、礦物膠體特征、水滲流狀態、黏性土觸變性、水位高低、壩體高度等有關，有的因素相互之間還有一定關聯，且無法準確測定[11]。為研究方便和便于定量分析，故選取可實驗測量的單因素進行分析。

（1）堆積壩高度H。堆積壩高度隨尾礦庫運營逐年增加，為一變量。從式（3）～式（5）可以看出，安全系數K與堆積壩高度H無關，導致容易忽略堆積壩高度的影響。但是，如果壩體下方為堅硬巖層，埋藏較淺，滑裂圓弧面只能與硬巖層相切，最危險滑動面產生在坡腳還是坡面則受堆積壩高度H因素影響。

（2）壩體沉積層的抗剪強度指標內摩擦角φ、黏聚力c。尾礦沉積時，易于沉降的粗砂在壩前沉降、固結，粉砂按粒級在澄清區內依次沉淀[12]。當濕排尾礦庫入庫尾礦的比重、質量濃度、粒度指標變化不大，尾礦漿量、干灘長度和澄清長度穩定時，尾粉砂層與尾粉土層呈層狀沉積，分界線可通過工程鉆探查明。尾礦的顆粒特征、礦物親水性、礦物膠體特征、黏性土的觸變性等綜合反映在內摩擦角φ、黏聚力c兩個因素上，其變化影響壩體穩定安全系數K。由于尾粉土層沉積在下部，并全部處于浸潤線以下，為最易滑裂面產生位置，因此，本文研究的均為尾粉土層水下內摩擦角、水下黏聚力。

（3）浸潤線高度。浸潤線高度為一變量，圓弧法計算時，土條干容重段和飽和段的高度對壩體穩定性有影響。壩體內含水率增高，會使壩體抗剪強度降低，表現在：一是水流動過程中帶走細小顆粒，在較粗顆粒之間起著潤滑作用，使內摩擦力降 低；二是黏土顆粒表面結合水膜增厚，使土黏聚力減小。

3 尾礦庫壩體穩定性計算模型

取壩體中軸線剖面建立數學模型，運用極限平衡法原理，采用瑞典圓弧條分法計算尾礦庫壩體的穩定性。錄入初期壩、堆積壩外形特征信息（見表1），基巖傾角為7°，子壩為20級，對應壩高658 m，工程探測粉砂層與粉土層分界線在坡面以下22.4 m垂深，浸潤線取平均值8 m，干灘長度取最小值50 m，建立幾何模型。尾粉砂、尾粉土、初期壩、基巖基本參數見表2。對于4級尾礦壩，水作用力采用有效應力法，不考慮地震影響[13]。采用理正巖土邊坡穩定軟件進行復雜土坡穩定性計算，條分寬度 取1 m。圓弧穩定計算采用自動搜索最危險滑裂面，計算結果：壩體穩定性安全系數K為1.671。

表2 模型計算基本參數

4 敏感性分析

4.1 影響因素確定

選取子壩壩高H、浸潤線高度h、尾粉土水下黏聚力c、尾粉土水下內摩擦角φ4個關鍵影響因素，分析其對壩體穩定性的影響程度。

各因素分別按-15%、-10%、-5%、5%、10%、15%幅度變動。

4.2 安全系數計算

計算過程及運算結果見式6。

4.3 敏感性分析

4.3.1 子壩高度

子壩高度變化對壩體穩定性安全系數的影響如圖1所示。隨著子壩高度增加，壩體穩定安全系 數K呈下降趨勢，正常子壩增加2 m，安全系數降低0.014左右。

圖1 子壩壩高的敏感性分析

對于此壩體，當子壩數為18級（壩高+655 m）時，最危險滑裂圓弧面出現在初期壩上（見圖2（a）），但子壩數為19級（壩高+656.5 m，壩高度增加1.5 m）時，最危險滑裂圓弧面出現在堆積壩上，位置發生跳動（見圖2（b）），安全系數K也發生大幅度變化。

圖2 最危險滑裂圓弧面位置變動

最危險滑裂面位置呈坡腳圓或坡面圓，美國巖土學家泰勒認為主要取決于硬層的深度，最易滑動面總是和硬層頂面相切。對于此壩體，本文認為最危險滑裂圓弧面位置隨壩高發生突變與初期壩結構、基巖傾角和尾礦沉積特征有關。該壩初期壩采用塊石混凝土砌筑，內充填碎石，基礎牢固，相當于擋土墻結構[14]，壩體基巖呈7°傾角，滑動面底面總是和基巖頂面相切；靠近初期壩部分堆積壩受水壓較大，對初期壩施加主動土壓力[15]，達到極限平衡狀態；當子壩超過臨界高度后，上部堆積壩整體穩定性則取決于尾礦沉積層黏聚力c、內摩擦角φ，最危險滑裂圓弧面以坡面圓形式出現在堆積壩上。

4.3.2 浸潤線高度

壩體穩定性安全系數K與浸潤線高度呈反向變 化，如圖3所示。由圖3可知，浸潤線高度越高，壩體穩定性安全系數K越小，隨浸潤線至壩體表面距離減小，對壩體穩定性安全系數K影響越明顯，線段左側斜率小于右側斜率。

圖3 浸潤線高度的敏感性分析

4.3.3 黏聚力

堆積壩中尾粉土層水下黏聚力變動對壩體穩定性安全系數K的影響如圖4所示。由圖4可知，黏聚力的影響較小。

圖4 尾粉土水下黏聚力的敏感性分析

4.3.4 內摩擦角

堆積壩中尾粉砂水下內摩擦角變動對壩體穩定性安全系數K有較大影響（見圖5）。由圖5可知，隨著內摩擦角增大，壩體穩定性安全系數K增大，壩體穩定性安全系數K對尾粉土層內摩擦角變動較敏感。

圖5 尾粉土水下內摩擦角的敏感性分析

不考慮子壩高度對壩體穩定性安全系數K的突變影響，各因素對壩體穩定性安全系數K影響敏感性排序為：尾粉土層內摩擦角＞浸潤線高度＞壩高＞尾粉土層黏聚力。

5 結論

（1）子壩壩高、浸潤線高度、尾粉土層內摩擦角、黏聚力對壩體穩定性安全系數K都有影響；相比較，壩體穩定性安全系數對尾粉土層內摩擦角和浸潤線變動更敏感。增大沉積在下部的尾粉土層摩擦角，降低浸潤線高度，是提高壩體穩定性最有效的辦法。

（2）浸潤線高度與壩體穩定性安全系數K呈反向變化，浸潤線高度越高，壩體穩定性安全系數K越小，且隨浸潤線至壩體表面的距離越近，對壩體穩定性安全系數K的影響越顯著。

（3）對于此壩體，最危險滑裂圓弧面在19級子壩高度出現位置跳動，壩體穩定性安全系數K隨之發生大幅度變化，本文認為與初期壩結構、基巖傾角和尾礦沉積特征有關。后續還需深入研究，在工程實踐中也應引起高度重視。