江南，陳玉明（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093）

?

基于Slide的某鎢礦尾礦壩穩(wěn)定性及概率分析

江南，陳玉明
（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093）

摘要：尾礦壩的穩(wěn)定運行是鎢礦山安全生產(chǎn)的重要保障。研究結(jié)合某鎢礦尾礦庫的工程地質(zhì)特征，采用Slide軟件建立壩體的概化模型，通過Bishop法計算尾礦壩在正常、洪水及特殊三種工況下的穩(wěn)定性，結(jié)合瑞典條分法對壩體的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)進行校核。同時運用概率分析法，對安全系數(shù)在服從正態(tài)分布及對數(shù)正態(tài)分布下開展可靠性指數(shù)的計算，并得出壩體的失效概率。綜合分析壩體的穩(wěn)定性和概率分析的結(jié)果，認為該尾礦壩在三種工況下能正常運行但存在洪水漫頂和地震液化的隱患，并針對隱患提出相應(yīng)的整改建議。

關(guān)鍵詞：尾礦壩；邊坡穩(wěn)定性；Slide軟件；概率分析

0引言

尾礦庫是礦山生產(chǎn)中的重要設(shè)施，尾礦壩則是制約礦山安全生產(chǎn)的重大危險源之一。尾礦庫一旦發(fā)生事故，造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞等后果十分嚴(yán)重[1]。1995年圭亞那阿邁金礦尾礦壩發(fā)生潰壩事故，900人因飲用被氰化物污染的水導(dǎo)致死亡[2]；2008年山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫發(fā)生特別重大潰壩事故，造成277人死亡，34人受傷，先后投入資金1.2億元[3]。因此保障尾礦庫的安全運行成為礦山安全工作中的重點。然而，截至2014年底，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)庫容在100萬m3以下的五等庫約占尾礦庫總數(shù)的74.4 %[4]。這些小型尾礦庫由于企業(yè)規(guī)模小、投資小，普遍存在設(shè)計不正規(guī)、生產(chǎn)管理粗放、安全生產(chǎn)措施落實不到位等問題。因此，對小型尾礦庫的壩體進行穩(wěn)定性分析是十分必要且意義重大。本研究根據(jù)某鎢礦尾礦庫的實際情況，利用Slide軟件分析計算正常、洪水及特殊工況狀態(tài)下尾礦庫壩體穩(wěn)定性，并針對存在的各種隱患提出相應(yīng)的整改措施，為相似尾礦庫的相關(guān)研究提供了科學(xué)依據(jù)。

1工程概況

云南某鎢礦尾礦庫投入使用已經(jīng)6年，目前堆積形成1#、2#兩級壩。該尾礦庫采用上游式筑壩，堆積方式為壩后堆筑。1#壩為原始初期壩，目前已停用，壩高約3.00m，壩頂寬約3.00m，內(nèi)外坡比均為1∶2.5，在原初期壩堆滿后，向庫后延伸60 m堆積形成2#壩。2#壩為目前使用的壩體，初期壩為均質(zhì)黏土碾壓壩，壩高約8.5 m，頂寬1.5 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.5，后期堆積壩堆積高度為21.5m，庫容為9.53萬m3。按照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）第4.1條劃分[5]，尾礦庫為五等庫，相應(yīng)尾礦壩為五級壩。

2軟件分析及建模

2.1穩(wěn)定性分析基本理論

目前，尾礦壩穩(wěn)定性分析多依照土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法來進行，這些方法包括極限平衡法（如瑞典條分法、Bishop法、Janbu法等）；數(shù)值分析法（如有限元法、邊界元法、離散元法等）；隨機概率分析法（如蒙特卡羅法等）。在尾礦壩穩(wěn)定性分析中采用最普遍的是極限平衡法[6]。

瑞典條分法將滑體分為i個條塊，假設(shè)滑動面為圓弧且認為條塊間無作用力，滿足整體力矩平衡，把條塊i在滑動面上提供抗滑力之和與條塊i本身及外荷載在滑動面上產(chǎn)生的滑動力矩之比定義為滑動面的安全系數(shù)F[7]，F(xiàn)的表達式如式（1）：

式中：c為滑動面上的黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；bi為土條i寬度，m；Wi為土條自重，kN；θi為條塊滑面傾角，°。

圖1瑞典條分法Fig.1 Fellenius Method

簡化Bishop法是對瑞典條分法的改進，它同樣假定圓弧滑動面，只考慮條塊間的水平作用力，則F的表達式如式（2）：

式中各參數(shù)意義同式（1）。

2.2計算軟件

Slide軟件是由加拿大RocScience公司基于極限平衡理論開發(fā)的一套用于分析巖土體邊坡穩(wěn)定性的軟件[8]。該軟件不僅能快速創(chuàng)建和分析復(fù)雜模型，而且能進行外部荷載、地下水及支護等情況下的邊坡穩(wěn)定性分析。

Slide軟件中包含邊坡穩(wěn)定性分析、地下水分析和概率統(tǒng)計分析等模塊。邊坡穩(wěn)定性分析基于垂直條分的極限平衡法展開，可對圓弧或非圓弧的滑動面進行搜索，嵌套了Bishop法、Janbu法、M-P法、Spencer法等分析方法，能對特定的滑動面進行分析，也可以求出臨界滑動面和安全系數(shù)[9]。在進行概率統(tǒng)計分析時，可通過指定不同參數(shù)的分布類型，詮釋其參數(shù)的不確定指數(shù)并得出邊坡滑坡的可靠性指數(shù)。Slide軟件能夠直觀、準(zhǔn)確的反應(yīng)尾礦壩邊坡的穩(wěn)定性情況，目前在國內(nèi)已得到廣泛認可和應(yīng)用[10]。

2.3 Slide軟件分析

該尾礦庫壩體穩(wěn)定性計算運用Slide軟件，從靜載荷和動載荷兩方面進行研究，考慮正常工況、洪水工況、特殊工況三種狀態(tài)下的穩(wěn)定性。應(yīng)用Bishop法計算壩體的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，用瑞典條分法進行校核，同時結(jié)合概率分析法對結(jié)果的可靠性進行分析。

根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)范》[5]，五等庫采用Bishop法計算壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)（kmin）時要達到：正常運行kmin=1.25；洪水運行kmin=1.15；特殊運行kmin=1.10；而采用瑞典條分法計算壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)時要達到：正常運行kmin= 1.15；洪水運行kmin=1.05；特殊運行kmin=1.00。

在進行概率分析時，假設(shè)材料的黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）均服從正態(tài)分布，黏聚力的標(biāo)準(zhǔn)偏差取值為1.0，內(nèi)摩擦角的標(biāo)準(zhǔn)偏差取值為3.0。為定義一個完整的正態(tài)分布，最大和最小值取3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差，保證99.7 %的樣本數(shù)落在該范圍內(nèi)。

2.4計算模型

該尾礦庫現(xiàn)已堆積形成1#、2#兩級壩，考慮計算剖面應(yīng)最具代表性，并能合理的反映出最不穩(wěn)定情況，因此根據(jù)庫區(qū)所處地形和尾礦庫堆積現(xiàn)狀（圖2），選取2#壩中心剖面（II-II'剖面）進行分析。

圖2 II-II'剖面位置圖Fig.2 II-II'sectional position

根據(jù)該尾礦庫巖土工勘報告和現(xiàn)場情況，對IIII'剖面尾礦的分區(qū)進行概化，可以將材料分為4個區(qū)域，該尾礦庫壩體Slide模型如圖3所示。

圖3尾礦庫壩體Slide模型Fig.3 Slide model of tailings dam

2.5材料參數(shù)

在充分考慮野外原位測試、室內(nèi)常規(guī)試驗、直剪試驗等各種試驗條件的基礎(chǔ)上，參考有關(guān)規(guī)范綜合確定計算剖面上各層巖土的天然容重、飽和容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角。重度選取庫內(nèi)各巖土層室內(nèi)土工物理試驗結(jié)果的算術(shù)平均值；抗剪強度指標(biāo)選取室內(nèi)試驗成果的標(biāo)準(zhǔn)值。壩體各材料物理力學(xué)計算參數(shù)列于表1。

表1壩體各材料物理力學(xué)計算參數(shù)Tab.1 Material physical and mechanical parameter of dam

3穩(wěn)定性分析

3.1正常工況

考慮勘察期間揭露水位影響情況，尾礦壩總體處于水位以上，故計算時大部分采用天然狀態(tài)下指標(biāo)，僅局部處于浸潤水位線以下的采用飽和狀態(tài)抗剪強度指標(biāo)。

根據(jù)圖4和圖5的計算結(jié)果顯示，采用Bishop法計算得出的抗滑最小安全系數(shù)為1.671，大于規(guī)范中要求的1.25；采用瑞典條分法校核時，計算得出的抗滑最小安全系數(shù)為1.452，大于規(guī)范中要求的1.15。根據(jù)概率穩(wěn)定性計算：當(dāng)安全系數(shù)服從正態(tài)分布時，可靠性指數(shù)為8.671；當(dāng)安全系數(shù)服從對數(shù)狀態(tài)分布時，可靠性指數(shù)為11.075，兩者均大于3.000。安全系數(shù)小于1.25時，失效概率為0 %。由此可認為壩體在正常工況下是能夠穩(wěn)定運行。

圖4正常工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.4 Stability analysis result of normal water level

圖5正常工況下安全系數(shù)可靠性計算結(jié)果Fig.5 Probabilistic analysis result of normal water level

3.2洪水工況

按《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，洪水重現(xiàn)期按50年一遇（即P=2 %）考慮，最終計算確定尾礦庫洪水期2#壩庫后洪水位距離壩頂0.3 m。壩體浸潤線水位按庫后最高洪水位和壩面最高逸出點綜合考慮。尾礦庫地層趨于飽和，故計算時采用飽和抗剪強度指標(biāo)。

根據(jù)圖6和圖7計算結(jié)果顯示，采用簡化Bishop法計算得出的抗滑最小安全系數(shù)為1.506，大于規(guī)范中要求的1.15；采用瑞典條分法校核時，抗滑最小安全系數(shù)為1.382，大于規(guī)范中要求的1.05。根據(jù)概率穩(wěn)定性計算分析，安全系數(shù)服從正態(tài)分布時，可靠性指數(shù)為2.477；安全系數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布時，可靠性指數(shù)為2.967，兩者均小于3.000。安全系數(shù)小于1.15時，壩體的失效概率為4.1 %。由此可以得出，在現(xiàn)有高程的條件下，壩體的安全系數(shù)能夠滿足規(guī)程要求，壩體能夠穩(wěn)定運行。但存在一定的失效概率，一旦浸潤線超過洪水位線，就可能發(fā)生洪水漫頂從而導(dǎo)致潰壩，若繼續(xù)使用必須加強排滲措施。

圖6洪水工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.6 Stability analysis result of flooding

圖7洪水工況下安全系數(shù)可靠性計算結(jié)果Fig.7 Probabilistic analysis result of flooding

3.3特殊工況

根據(jù)礦區(qū)所在地，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對各省的規(guī)定進行劃分，尾礦庫庫區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度二組，模擬時取水平向地震力為0.24 g[11]，在洪水水位下分析壩體特殊工況時的穩(wěn)定性。

根據(jù)圖8和圖9的計算結(jié)果顯示，用簡化Bishop法計算時，壩體抗滑的最小安全系數(shù)為1.379，大于規(guī)范中要求的1.10；采用瑞典條分法校核時，抗滑安全最小系數(shù)為1.235，大于規(guī)范中要求的1.00。概率穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示，當(dāng)安全系數(shù)服從正態(tài)分布時，可靠性指標(biāo)為2.014；安全系數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布時，可靠性指標(biāo)為2.300，兩者均小于3.000。設(shè)定安全系數(shù)小于1.10時，壩體的失效概率為6.9 %。因此，壩體在地震作用下能穩(wěn)定運行，但庫區(qū)內(nèi)尾礦砂屬液化土層，應(yīng)提高壩體壓實度，采取有效的防液化措施。

圖8特殊工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.8 Stability analysis result of earthquake

圖9特殊工況下安全系數(shù)可靠性計算結(jié)果Fig.9 Probabilistic analysis result of earthquake

4結(jié)論

（1）運用Slide軟件可快速建立尾礦壩壩體模型，并準(zhǔn)確計算出不同工況下的抗滑最小安全系數(shù)，結(jié)合概率分析得出：尾礦壩在正常工況下運行時，計算所得的抗滑最小安全系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)值，壩體的穩(wěn)定性能夠滿足要求；尾礦壩在洪水工況下運行時，庫內(nèi)水位線上升，滲流路徑縮短，浸潤線升高使得經(jīng)過處孔隙水壓力增大，材料強度減弱，抗滑最小安全系數(shù)也隨之減小，雖大于規(guī)定值，但失效概率增大，認為在現(xiàn)有高程的下壩體是穩(wěn)定的，若浸潤線超過洪水位線，則存在洪水漫頂導(dǎo)致潰壩的可能；尾礦壩在特殊工況下運行時，由于地震動荷載的作用，抗滑最小安全系數(shù)大幅減小，失效概率增大。為防止壩體因地震液化而造成潰壩，應(yīng)采取切實可行的防液化措施。

（2）浸潤線的抬升很大程度上會影響壩體的安全系數(shù)，因此尾礦庫在繼續(xù)使用時必須完善壩體的排滲系統(tǒng)。設(shè)立水平排滲溝或豎直排滲井，適當(dāng)降低庫內(nèi)水位，增大沉積灘長，以保障尾礦庫的安全運行。

（3）為加強壩體的穩(wěn)定性，尾礦庫應(yīng)采取壩前排放尾礦的方式，合理布置排放口使粗顆粒集中堆積至壩體前部。同時建議加強尾礦壩內(nèi)浸潤線及壩體變形的觀測，加強日常監(jiān)測和巡視，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報并采取措施。

參考文獻：

[1]束永保，李仲學(xué).尾礦庫潰壩災(zāi)害事故樹分析[J].黃金，2010，31 （6）：54-56.

SHU Yong-bao，LI Zhong-xue. Fault tree analysis of tailings dam break[J].Gold，2010，31（6）：54-56.

[2]吳宗之，梅國棟.尾礦庫事故統(tǒng)計分析及潰壩成因研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2014，24（9）：70-76.

WU Zhong -zhi，MEI Guo -dong. Statistical analysis of tailings pond accidents and cause analysis of dam failure [J].China Safety Science Journal，2014，24（9）：70-76.

[3]閃淳昌，張振東，鐘開斌，等.襄汾“9.8”特別重大尾礦庫潰壩事故處置過程回顧與總結(jié)[J].中國應(yīng)急管理，2011，（10）：13-18.

SHAN Chun-chang，ZHANG Zhen-dong，ZHONG Kai-bin，et al. Review and summary of accident disposal process of particular major tailings dam break accident in Xiangfen[J].China Emergency Management，2011，（10）：13-18.

[4]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.全國尾礦庫綜合治理行動2014年工作總結(jié)和2015年重點工作安排[EB/OL]. [2015-07-17]. http://www.Chinasafety.gov.cn.

[5]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ2006-2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[6]廖智.見龍坡選廠尾礦庫穩(wěn)定性分析[J].中國鎢業(yè)，2014，29 （5）：30-33.

LIAO Zhi. Stability analysis of tailing reservoir in Jianlongpo processing plant [J].China Tungsten Industry，2014，29（5）：30-33. [7]呂淑然，張新浩.基于可靠度分析的尾礦壩穩(wěn)定性評價[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013，（6）：35-37．

LYU Shu-ran，ZHANG Xin-hao. Tailings dam stability evaluation basedonreliabilityanalysis[J].Modern Mining，2013，（6）：35-37.

[8]普興林，陳玉明.基于Slide的尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析[J]．中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2015，（2）：54-55.

PU Xing -lin，CHEN Yu -ming.Stability analysis of gold mine tailing dam based on Slide[J]. China Non-Metallic Mining Industry Herald，2015，（2）：54-55.

[9]朱澤勛，吳莉.基于Slide的某尾礦庫邊坡穩(wěn)定性分析[J]．采礦技術(shù)，2011，（6）：49-51.

ZHU Ze-xun，WU Li. Stability analysis of tailings dam slope based on Slide[J].Transportation Science&Technology，2011，（6）：49-51.

[10]肖先國，林依平，徐濤，等.Slide軟件在邊坡穩(wěn)定性計算中的應(yīng)用[J]．交通科技，2012，（4）：83-85．

XIAO Xian-guo，LIN Yi-ping，XU Tao，et al. Application of Slide software in the calculation of slope stability [J]. Transportation Science & Technology，2012，（4）：83-85.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

來稿須知：

《中國鎢業(yè)》系中國鎢業(yè)協(xié)會主辦的綜合性科技期刊（雙月刊），《中國鎢業(yè)》為中文核心期刊，中國科技核心期刊。期刊于1986年創(chuàng)刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。主要報道鎢行業(yè)貿(mào)易、地質(zhì)、采礦、選礦、冶煉、材料加工與應(yīng)用、分析檢測、節(jié)能、環(huán)保等方面的最新動態(tài)及研究成果。設(shè)有綜述性、研究性論文和簡訊。

1.來稿要求內(nèi)容新穎，論點明確，試驗設(shè)計合理，數(shù)據(jù)可靠。量和單位必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)，參考或引用他人觀點和數(shù)據(jù)時須標(biāo)注參考文獻。

2.來稿中題名、摘要、關(guān)鍵詞、作者姓名、單位。文中表名、圖題以及文后參考文獻等必須翻譯成與中文內(nèi)容嚴(yán)格對應(yīng)的英文。中文摘要字數(shù)一般200～300字為宜，應(yīng)包括研究目的、方法、結(jié)果和結(jié)論等4部分內(nèi)容。關(guān)鍵詞以3～8個為宜。來稿以6000字左右為宜（含圖表），字體為宋體，小四。

3.首頁腳注處標(biāo)注基金項目名稱及其編號，文章涉及的項目若有獲獎情況，請?zhí)峁┇@獎證書復(fù)印件，我們將優(yōu)先錄用。

5.參考文獻一般不少于8篇，且最好是引用近5年內(nèi)公開發(fā)表過的相關(guān)文獻。本刊按照GB/T7714-2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》，采用“順序編碼制”。中外作者的名字均按姓前名后，最多3人，3人以上時中文用“，等.”，英文用“，et al.”，參考文獻應(yīng)在文章引用處相應(yīng)的位置用上角標(biāo)標(biāo)明。文后參考文獻著錄格式如下：

a.期刊

[序號]主要責(zé)任者（3人以上列出3人，后加等字，下同）.文獻題名[J].刊名，年，卷（期）：起止頁碼．

例：[1]閻松，姜恒，宮紅，等.三氧化鎢催化環(huán)己烯合成己二酸[J].中國鎢業(yè)，2005，20（2）：33-35.

b.論文集、學(xué)位論文、科技報告

[序號]析出文獻主要責(zé)任者.析出文獻題名｛論文集[C]、學(xué)位論文[D]、報告[R]｝.//專著主要責(zé)任者.專著題名.版本項.出版地：出版者，出版年：析出文獻頁碼．

例：[2]鐘文發(fā).非線性規(guī)劃在可燃毒物配置中的應(yīng)用[C]//趙瑋.運籌學(xué)的理論與應(yīng)用：中國運籌學(xué)會第五屆大會論文集.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1996：468-471.

例：[3]張志祥.間斷動力系統(tǒng)的隨機擾動及其在守恒律方程中的應(yīng)用[D].北京：北京大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，1998.

c.書、標(biāo)準(zhǔn)

[序號]主要責(zé)任者.文獻題名｛專著[M]、標(biāo)準(zhǔn)[S]｝.出版地：出版者，出版年：起止頁碼.

例：[4]施雅風(fēng)，黃茂桓，姚檀棟，等.中國冰川與環(huán)境[M].北京：科學(xué)出版社，2000：1-410.

d.專利

[序號]專利申請者或所有者.專利題名：專利國別，專利號〔P〕.公告日期或公開日期（引用日期）．

例：[5]彭子飛.尺寸可控納米級碳化鎢的制備方法：中國，1122768A[P]. 1996-05-22.

6．來稿文責(zé)自負，凡涉及單位技術(shù)成果、專利和保密資料的稿件，須附單位對稿件的保密審查意見并加蓋公章。

7.稿件自收到之日起2個月內(nèi)決定刊用與否，刊出后酌付稿酬。

8．本刊現(xiàn)已入網(wǎng)“萬方數(shù)據(jù)-數(shù)字化期刊群”、“中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）”、“中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）”等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作者著作權(quán)使用費與本刊稿酬一次性給付，不再另行發(fā)放。

Stability and Probabilistic Analysis of a Tungsten Mine's Tailings Dam Based on Slide Software

JIANG Nan, CHEN Yu-ming
(Kunming University of Science and Technology Faculty of Land ResourceEngineering, Kunming 650093,Yunnan, China)

Abstract:Stable operation of tailings dam is an important guarantee for mine safety production. Based on the engineering geological features of the tailings dam, this paper analyzes the stability of a tungsten mine's tailings dam with Bishop method in three kinds of operation situations, including conventional water level, flooding and earthquake by establishing a generalized model for the tailings dam. The stability against sliding minimum safety factor of the dam is checked by Fellenius method. The failure probability for the tailings dam is obtained by calculating the reliability indexes of safety factor under normal distribution and lognormal distribution. The slope stability and probabilistic analysis results show that the dam can operate under the three conditions. However, there are hidden risks of overtopping and earthquake liquefaction. Corresponding rectification suggestions are then put forward.

Key words:tailings dam；slope stability; Slide software; probabilistic analysis

通訊作者：陳玉明（1963-），男，四川眉山人，教授，主要從事礦山安全技術(shù)工程、礦山開采理論與技術(shù)研究。

作者簡介：江南（1992-），女，云南紅河人，碩士研究生，主要研究方向為礦山安全工程技術(shù)。 4.第一姓名（出生年－），性別，籍貫（省、市、縣），學(xué)位，職稱，研究方向及其聯(lián)系電話，E-mail地址等。

收稿日期：2015-11-04

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2016.01.008

中圖分類號：TD862

文獻標(biāo)識碼：A