李秀春，李富平，王旭東

（1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北 唐山市 063009；2.河北省唐山市遷西縣委辦公室，河北 遷西縣 064300；3.中國(guó)黃金集團(tuán)遷西鑫峪礦業(yè)有限責(zé)任公司， 河北 遷西縣 064300）

0 引 言

尾礦庫(kù)是礦產(chǎn)資源開發(fā)過(guò)程中3大必不可少的基礎(chǔ)性工程之一，但是，尾礦庫(kù)又是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流重大危險(xiǎn)源，重大事故時(shí)有發(fā)生。當(dāng)前我國(guó)大概擁有尾礦庫(kù)1萬(wàn)多座，尾礦堆存量將近90億t。而且，我國(guó)許多尾礦庫(kù)的地理位置十分重要，有的位于大江、大湖、重要水源地上游，有的位于重要公交設(shè)施上游，有的在密集的居民區(qū)上游，庫(kù)壩一旦發(fā)生垮塌，勢(shì)必造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［1－5］。因此，尾礦庫(kù)壩體的安全穩(wěn)定性十分重要。

本文從滲流安全與壩體穩(wěn)定性兩個(gè)方面分析了鑫洲鐵尾礦庫(kù)的安全性能，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

尾礦庫(kù)位于遷西縣東荒峪鎮(zhèn)鑫洲鐵選廠南0.6 km的自然溝內(nèi)，溝呈東西走向，溝長(zhǎng)0.4km，壩址以上流域面積0.068km2，除了庫(kù)區(qū)西面外，其余三面環(huán)山，屬于典型的山谷型尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)初期壩高14.5m、壩頂寬4m、內(nèi)坡比1∶1.6、外坡比1∶1.75，壩底高程173.5m，壩頂高程188.0m，采用山坡廢石土碾壓而成。采用上游法堆積筑壩，子壩外坡平均比1∶1.75，內(nèi)坡比1∶1.75。設(shè)計(jì)堆積壩壩頂標(biāo)高為211.0m，最終堆積坡比1∶2.5，設(shè)計(jì)總壩高37.5m，總庫(kù)容為67.9×104m3，參照《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006－2005）要求，該尾礦庫(kù)屬于四級(jí)尾礦庫(kù)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限6.5a。

目前，尾礦庫(kù)壩頂堆積標(biāo)高已達(dá)到100m，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，當(dāng)尾礦壩堆積高度達(dá)到最終設(shè)計(jì)壩高的1／2～2／3時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)壩體進(jìn)行一次全面勘察，以校核壩體現(xiàn)狀的穩(wěn)定性。本文針對(duì)其中的初期壩進(jìn)行了滲流和穩(wěn)定性分析。

2 基本原理

2.1 滲流計(jì)算原理

滲流計(jì)算依據(jù)達(dá)西（Darcy）定律［6－7］：

式中：Q——斷面流量；

k——材料的滲透系數(shù)；

i——水利坡度。

對(duì)于二維穩(wěn)定滲流，控制方程為：

式中：kx、ky——X、Y方向的滲透系數(shù)，當(dāng)材料是各向同性時(shí)，kx＝ky；當(dāng)材料為各向異性時(shí)，kx≠ky，本文模擬采用各向異性材料參數(shù)；

H——總水頭。

計(jì)算方法采用有限元，采用三角形構(gòu)造有限元方程。根據(jù)變分原理和Galerkin方法，構(gòu)造方程的單元有限元方程，表達(dá)式如下：

式中：［B］——梯度矩陣；

q——通過(guò)單元斷面的流量；

A——尾礦壩橫斷面面積；

L——尾礦壩長(zhǎng)度。

邊界條件的處理，按照3種邊界條件處理，各種工況條件如下。

2.2 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算原理

在尾礦壩的靜力分析和地震力穩(wěn)定性計(jì)算分析中，瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化Bishop法使用最為廣泛。其中瑞典圓弧法根據(jù)計(jì)算指標(biāo)不同，又分為有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法。因?yàn)橛行?yīng)力法涉及到孔隙水壓力，所以通常較多地采用總應(yīng)力法進(jìn)行尾礦壩的穩(wěn)定性分析［8－10］。

瑞典圓弧法將滑塊劃分成不同條塊，不考慮各條塊間的作用力來(lái)求解安全系數(shù)。取任意條塊，通過(guò)解水平、垂直方向力矩平衡方程，得出瑞典圓弧法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)的表達(dá)式：

αi——條塊重心點(diǎn)到滑弧圓心的力臂，m；

R——滑弧半徑，m；

Cs——地震系數(shù)，一般取0.03～0.27；

Wi——條塊的土重量，kN；

θi——條塊畫面的傾角，°。

簡(jiǎn)化Bishop法，假設(shè)每個(gè)條塊側(cè)面上的合力是水平方向的，條塊之間無(wú)摩擦，根據(jù)垂直方向的分力為0，通過(guò)迭代，求解力平衡方程得出安全系數(shù)。

3 滲流安全分析

3.1 滲流模型建立

根據(jù)壩體構(gòu)造分析，滲流模型由細(xì)尾砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土、廢石土、砂礫土以及基巖等組成。根據(jù)《尾礦庫(kù)巖土工程勘察報(bào)告》的相關(guān)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，材料滲透系數(shù)見表1。

在網(wǎng)格劃分方面，考慮三角形網(wǎng)絡(luò)精度相對(duì)較高，計(jì)算均為三角形網(wǎng)絡(luò)剖分，計(jì)算模型見圖1。

從尾礦庫(kù)初期壩的堆筑至堆積壩堆積至最終設(shè)計(jì)標(biāo)高211.0m，計(jì)算工況選取如下：

（1）初期壩頂標(biāo)高188.0m；

圖1 尾礦庫(kù)滲流計(jì)算模型

（2）終期壩體標(biāo)高211.0m。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

采用AutoBANK6.0進(jìn)行二維有限元模擬，分別對(duì)兩種計(jì)算工況下的壩體在正常（考慮放礦水的影響）、最高洪水兩種情況下運(yùn)行的浸潤(rùn)線進(jìn)行計(jì)算模擬，計(jì)算結(jié)果見圖2～圖5。

由圖2～圖5可知，不論是在正常，還是在最高洪水工況下運(yùn)行，計(jì)算的壩體浸潤(rùn)線比較低，且最小埋深都大于規(guī)程要求的深度，浸潤(rùn)線均沒有從下游坡面溢出。

圖2 正常工況下初期壩頂浸潤(rùn)線模擬

圖3 洪水工況下初期壩頂浸潤(rùn)線模擬

圖4 正常工況下終期壩頂浸潤(rùn)線模擬

圖5 洪水工況下終期壩頂浸潤(rùn)線模擬

從尾礦壩情況看，一是初期壩是透水堆石壩，滲水性能特別好；二是正常情況下，庫(kù)內(nèi)尾礦水量不大，尾礦澄清水通過(guò)排水斜槽排至回水池供循環(huán)使用，庫(kù)內(nèi)存水不會(huì)太多，后期水位穩(wěn)定在標(biāo)高208.5 m左右。

綜上所述，通過(guò)滲流分析，尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線滿足規(guī)程規(guī)定。

4 壩體穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《尾礦庫(kù)巖土工程勘察報(bào)告》及附近同類型選礦廠尾礦庫(kù)巖土層力學(xué)參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，穩(wěn)定計(jì)算分析采用的巖土力學(xué)參數(shù)見表2。

考慮最危險(xiǎn)斷面的情形，分別選取初期壩體（標(biāo)高188.0m）、終期壩體（標(biāo)高211.0m）和副壩（標(biāo)高211.0m）的剖面為計(jì)算剖面。按照相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)各種情形下的壩體分別在正常水位、最高洪水（最小安全灘長(zhǎng)）及地震3種工況條件下進(jìn)行計(jì)算。參考安全標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 穩(wěn)定分析選用材料參數(shù)

表3 安全標(biāo)準(zhǔn)

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

初期、終期堆積壩、副壩壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表4可見，初期壩體、終期壩體及副壩在各種工況條件下均能滿足《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006－2005）對(duì)安全系數(shù)的要求，計(jì)算得出的抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于允許最小安全系數(shù)，能保證尾礦壩的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 論

（1）尾礦庫(kù)作為重大危險(xiǎn)源，壩體的穩(wěn)定情況至關(guān)重要。尾礦壩浸潤(rùn)線情況是壩體穩(wěn)定性的主要影響因素之一，只有準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)尾礦壩浸潤(rùn)線位置才能夠科學(xué)合理地評(píng)價(jià)壩體穩(wěn)定性。采用河海大學(xué)工程力學(xué)所編制的AutoBANK6.0能夠很好地進(jìn)行尾礦壩浸潤(rùn)線位置分析，分析結(jié)果表明：即使在最高洪水工況下運(yùn)行，壩體浸潤(rùn)線依舊比較低，且最小埋深都大于規(guī)程要求的深度，尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線滿足規(guī)程規(guī)定。

（2）影響尾礦壩浸潤(rùn)線的因素十分復(fù)雜，為了盡可能準(zhǔn)確計(jì)算，分析之前應(yīng)先準(zhǔn)確檢測(cè)尾礦的分層情況和滲透性。

（3）參照尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程，綜合瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：尾礦壩在正常、最高洪水以及地震工況下，壩體安全系數(shù)均符合規(guī)程要求，壩體具有良好的穩(wěn)定性。

［1］ 祝玉學(xué)，戚國(guó)慶.尾礦庫(kù)工程分析與管理［M］.北京：冶金工業(yè)出版，1999.

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