董光玉

（中鋁礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 450041）

冶金和有色行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，將礦山采出的礦石經(jīng)選礦廠(chǎng)選出有價(jià)值的精礦后，產(chǎn)生砂一樣的“廢渣”我們稱(chēng)之為尾礦。

全國(guó)每年產(chǎn)生的尾礦數(shù)量較大，這些尾礦中還含有暫時(shí)不能回收的有用成分和選礦過(guò)程中添加的有害物質(zhì)（酸、堿等藥劑），目前由于技術(shù)和市場(chǎng)的原因，只有少量的尾礦能綜合利用，為了不造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源流失，大量的尾礦被迫排放到尾礦庫(kù)集中堆存。出于工程投資的考慮，一般尾礦庫(kù)都建在離廠(chǎng)區(qū)比較近的一定范圍之內(nèi)，靠近公路或鐵路，有的截?cái)嗪恿鳎械目亢恿鬏^近，下游存在居民、工廠(chǎng)等，尾礦庫(kù)一旦失事，會(huì)給下游人民生命財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性的損失。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外尾礦庫(kù)壩體失事的事故比較多，1985年7月中旬，意大利北部的普瑞皮爾尾礦壩潰壩，250人死亡；2019年1月25日，巴西淡水河谷公司位于巴西米納斯吉拉斯州的一處尾礦壩潰壩，泥漿順流而下，沿途摧毀大量建筑物，致死超過(guò)160人，上百人失蹤；1962年9月26日云南錫業(yè)公司火谷都尾礦庫(kù)潰壩，受災(zāi)人口13970人，死亡171人，傷9人；1985年8月25日湖南柿竹園有色礦牛角壟尾礦庫(kù)潰壩，死亡49人，直接經(jīng)濟(jì)損失1300萬(wàn)元；2008年9月8日，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫(kù)發(fā)生特別重大潰壩事故，造成267人死亡。尾礦壩安全已引起了全世界范圍內(nèi)的高度重視。

1 尾礦庫(kù)壩體安全穩(wěn)定性概念

通過(guò)對(duì)多起尾礦庫(kù)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，造成尾礦庫(kù)事故的原因有多方面，但是尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性遭到破壞而失事，引起潰壩事故的情況比較突出。

壩體失穩(wěn)一般有兩種情況，一種是壩體沿地基整體滑動(dòng)，這種失穩(wěn)的壩體多數(shù)是整體剛性強(qiáng)，如：混凝土壩體；另一種是壩坡滑動(dòng)、坍塌破壞，這種失穩(wěn)的壩體柔性強(qiáng)，如：土石壩。尾礦壩多為細(xì)砂尾礦堆筑，屬于柔性材料，一般不會(huì)出現(xiàn)整體滑動(dòng)，易出現(xiàn)壩體邊坡坍塌或局部滑動(dòng)破壞。尾礦壩的安全穩(wěn)定性一般不考慮整體滑移問(wèn)題，只考慮壩體邊坡穩(wěn)定性。

尾礦壩安全穩(wěn)定性是以安全系數(shù)F來(lái)表示，總抗滑力與總滑動(dòng)力之比就是尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定的安全穩(wěn)定性系數(shù)，其表達(dá)式為式（1）。

《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006～2005）對(duì)尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)有明確規(guī)定（見(jiàn)表1），如果最小安全系數(shù)能夠滿(mǎn)足表1的要求，認(rèn)為壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果不能夠滿(mǎn)足要求，說(shuō)明壩體邊坡處于危險(xiǎn)狀態(tài)，要進(jìn)行原因分析，并采取整改措施。

表1 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定性達(dá)不到要求時(shí)，壩坡就易發(fā)生滑動(dòng)破壞，有時(shí)還會(huì)帶動(dòng)壩基土體一起滑動(dòng)見(jiàn)圖1。

圖1 壩體滑動(dòng)破壞示意圖

根據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)壩體大量破壞實(shí)例進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，均質(zhì)粘土壩的壩坡滑動(dòng)面形狀多呈圓弧形；非粘性砂石料壩多呈折線(xiàn)形；當(dāng)壩內(nèi)含有厚層細(xì)泥夾層，滑動(dòng)面的形狀就比較復(fù)雜，為圓弧和折線(xiàn)的組合面。

2 尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性影響因素分析

尾礦庫(kù)壩體多數(shù)采用尾礦堆積而形成壩體，影響尾礦堆積壩穩(wěn)定性因素很多，既有壩體的內(nèi)在因素，如：堆積尾礦的顆粒組成、尾礦沉積層的抗剪強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c)、尾礦堆積壩坡度、堆積壩高度、尾礦沖積分層情況；又有堆積壩的外在因素，如：壩體浸潤(rùn)線(xiàn)的高低、庫(kù)內(nèi)水位高低、沉積灘長(zhǎng)度、壩體工程地質(zhì)、自然條件等都會(huì)對(duì)尾礦堆積壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。下面對(duì)主要影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.1 尾礦物理力學(xué)特性對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響

尾礦的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式（2）中 ：

σ—作用在某一滑面上的垂直壓力，MPa；

C—尾礦的凝聚力，單位MPa。

根據(jù)壩體穩(wěn)定性分析中常用的瑞典圓弧法計(jì)算公式和Bishop法的計(jì)算公式可以知道：

圖2 內(nèi)摩擦角與穩(wěn)定系數(shù)的敏感性關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，尾礦的內(nèi)摩擦角與壩坡穩(wěn)定性安全系數(shù)基本上呈線(xiàn)性關(guān)系。其關(guān)系圖形基本上為通過(guò)原點(diǎn)的一條直線(xiàn)。尾礦內(nèi)摩擦角的與壩坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的關(guān)系可用函數(shù)表達(dá)如式（3）。

公式（3）中k為常數(shù)，不同尾礦有不同值。一般當(dāng)其內(nèi)摩擦角在20°～30°之間，每一度的tan相差0.02～0.023，計(jì)算的安全穩(wěn)定性系數(shù)F值基本相差0.075～0.086。因此，尾礦的內(nèi)摩擦角直接影響尾礦堆積壩的安全穩(wěn)定性。

（2）尾礦凝聚力c和穩(wěn)定系數(shù)F也基本上為線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)安全穩(wěn)定性系數(shù)F的計(jì)算公式可以做出尾礦凝聚力c和穩(wěn)定系數(shù)F的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 凝聚力與穩(wěn)定系數(shù)的敏感性關(guān)系

根據(jù)圖3可將尾礦的凝聚力c和穩(wěn)定系數(shù)F的關(guān)系用函數(shù)表達(dá)如式（4）。

式中F0為C=0時(shí)的穩(wěn)定性安全系數(shù)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析得出，凝聚力C對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性有一定的影響，但沒(méi)有內(nèi)摩擦角的影響大。

2.2 浸潤(rùn)線(xiàn)高低位置對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響

從極限平衡法的瑞典圓弧法和Bishop法等壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算公式來(lái)看，壩體浸潤(rùn)線(xiàn)位置的高低，直接影響壩體穩(wěn)定系數(shù)。

例如某尾礦壩總壩高為120m，初期壩為堆石壩高20m，壩外坡為1:2，尾礦堆積壩外坡比為1:5.7，壩前干灘長(zhǎng)為400m，根據(jù)不同的浸潤(rùn)線(xiàn)位置，經(jīng)計(jì)算其對(duì)壩體安全穩(wěn)定性系數(shù)F的影響結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 浸潤(rùn)線(xiàn)位置對(duì)尾礦壩安全穩(wěn)定性的影響結(jié)果

從表2可以看出，浸潤(rùn)線(xiàn)位置高低相差1m水位，安全穩(wěn)定性系數(shù)F相差1.2%～2.5%，浸潤(rùn)線(xiàn)位置越高壩體安全穩(wěn)定性系數(shù)F越小，進(jìn)一步說(shuō)明壩體浸潤(rùn)線(xiàn)位置對(duì)于壩體穩(wěn)定性影響很大。

2.3 坡度對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響

壩坡坡度對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性是直接有關(guān)的，表3為某尾礦壩采用不同坡度，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)F。

表3 某尾礦壩不同壩坡的安全系數(shù)

壩坡變化對(duì)安全系數(shù)F的影響見(jiàn)圖4。

圖4 壩坡與穩(wěn)定系數(shù)的敏感性關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，壩坡越陡安全穩(wěn)定性系數(shù)越小，壩坡越緩安全穩(wěn)定性系數(shù)越大，當(dāng)壩坡太緩時(shí)，由于壩外坡增長(zhǎng)，雖然浸潤(rùn)線(xiàn)有所降低，但浸潤(rùn)線(xiàn)與壩坡坡面的距離縮小，這種情況下浸潤(rùn)線(xiàn)就有可能逸出壩面，不利滲流穩(wěn)定，反而直接威脅壩體安全。因此，尾礦壩壩坡度的選擇，應(yīng)是在保證有足夠的安全系數(shù)的前提下，壩坡不宜太緩，否則使浸潤(rùn)線(xiàn)可能會(huì)逸出，影響壩體安全穩(wěn)定性。此外，壩坡過(guò)緩，就減少了尾礦庫(kù)的庫(kù)容，同時(shí)增加筑壩工程量，這也是不經(jīng)濟(jì)的。

總之尾礦壩安全穩(wěn)定性的影響因素較多，通過(guò)分析可以認(rèn)為，尾礦物理力學(xué)特性、壩體邊坡坡度、壩體浸潤(rùn)線(xiàn)位置是比較重要的影響因素。

3 提高尾礦庫(kù)壩體安全穩(wěn)定性的對(duì)策措施

3.1 選粗顆粒尾礦進(jìn)行筑壩

為了使粗顆粒尾礦集中在壩體，一是在壩前放料，使粗顆粒尾礦能夠迅速沉淀在壩體區(qū)域，細(xì)顆粒尾礦流入庫(kù)內(nèi)。二是可采用旋流分離器，將尾礦顆粒進(jìn)行分級(jí)，粗顆尾礦筑壩，細(xì)顆粒直接排入庫(kù)區(qū)。

3.2 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)控制壩體邊坡坡度

在堆筑尾礦堆積壩每及子壩時(shí)都要進(jìn)行檢查、檢測(cè)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)外坡比進(jìn)行控制。如果子壩外坡比超出設(shè)計(jì)值，在堆筑下一級(jí)子壩時(shí)可向庫(kù)內(nèi)后退，放緩后期堆積壩外坡比，減少堆積壩總坡比。堆筑壩體總體外坡比不能滿(mǎn)足壩體安全穩(wěn)定性要求時(shí)，對(duì)壩坡進(jìn)行削坡或壓坡處理，降低壩體坡度，提高抗滑穩(wěn)定性。

3.3 控制壩體浸潤(rùn)線(xiàn)位置

因?yàn)榻?rùn)線(xiàn)的高低對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響是頗大的，設(shè)計(jì)時(shí)要給出不同壩高對(duì)應(yīng)的浸潤(rùn)線(xiàn)最高位置?？刂茐误w浸潤(rùn)線(xiàn)位置主要措施有：一是降低庫(kù)內(nèi)水位，保持壩前足夠的干灘長(zhǎng)度，減少壩體內(nèi)的滲透壓力，以便降低壩體的浸潤(rùn)線(xiàn)位置。二是采取壩體排滲的工程措施，如增設(shè)壩體排滲設(shè)施，將壩內(nèi)部滲水及時(shí)排除，降低壩體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)。

3.4 做好壩體日常安全管理

尾礦庫(kù)壩體日常運(yùn)行維護(hù)對(duì)其安全穩(wěn)定性至關(guān)重要，特別要做好以下措施落實(shí)：一是要修建壩體表面的排水明渠，并保持暢通，確保雨水和滲水通過(guò)排水明渠有序排出壩體，防止沖刷壩體。二是壩外坡面要及時(shí)進(jìn)行復(fù)土和綠化，保護(hù)壩體外坡面。三是定期檢查排滲設(shè)施的完好性，確保滲水能及時(shí)排走，并監(jiān)測(cè)滲水流量的變化。四是對(duì)壩體定期監(jiān)測(cè)，可采用自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和定期人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)壩體沉降、位移、浸潤(rùn)線(xiàn)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。五是定期對(duì)壩體進(jìn)行全面檢查，是否有裂縫、滑坡、浸潤(rùn)線(xiàn)逸出、獸洞穴等異常情況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)處理。六是控制堆積壩筑壩上升速度，防止上升速度過(guò)快，下部壩體未能及時(shí)固結(jié)，強(qiáng)度不夠，引起壩體的變形、裂縫等。