宋志飛 王越 郝宇 于云鶴

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 北京 100144)

0 引言

尾礦庫是用來存放礦山排出的廢礦或其他工業(yè)廢料的場所[1]，在礦山基礎(chǔ)工程中具有重要地位，但同時(shí)也存在很大的危險(xiǎn)性，若壩體失穩(wěn)，將會(huì)形成巨大的泥石流，對下游的設(shè)施和民眾帶來巨大的安全隱患。尾礦庫加高擴(kuò)容后的穩(wěn)定性問題一直是尾礦壩領(lǐng)域的熱門問題。尹光志等[2]采用時(shí)程分析法分析了某高堆尾礦壩的永久變形和動(dòng)力穩(wěn)定性；董鳳強(qiáng)等[3]運(yùn)用流固耦合理論計(jì)算了某尾礦庫加高擴(kuò)容后不同運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性；馬波等[4]對大沙河尾礦庫擴(kuò)容后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對加固方式提出了建議。

現(xiàn)有某尾礦庫庫容已達(dá)到極限，由于新建尾礦庫投入資金過大且周圍無合適用地，因此考慮通過加高堆筑高度的方式達(dá)到擴(kuò)容的目的，以滿足生產(chǎn)需求。

本文使用GeoStudio軟件對加高擴(kuò)容后的尾礦壩進(jìn)行安全評估，為該尾礦庫加高擴(kuò)容設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，也為類似尾礦庫提供借鑒。

1 尾礦庫工程概況

該尾礦庫年采礦石100萬t，運(yùn)抵選礦廠經(jīng)破碎后入磨機(jī)前甩廢石約10%，余下礦石90萬t。根據(jù)礦山多年統(tǒng)計(jì)，尾礦產(chǎn)率約67%，年產(chǎn)尾礦60.3萬t，約40萬m3，排礦濃度約67%。

初期壩類型為透水性很強(qiáng)的堆砌石壩，壩底標(biāo)高為212 m，壩頂標(biāo)高為228 m，壩頂寬為4 m，壩高為16 m，壩長為75 m。其上游坡高比為1∶1.7，下游坡高比為1∶1.6。在220 m標(biāo)高處設(shè)2 m寬的馬道。

現(xiàn)階段運(yùn)行的尾礦庫最終設(shè)計(jì)標(biāo)高為 280 m，堆積壩最大高度為68 m，最大庫容為983萬m3。初期壩壩頂用尾礦筑子壩，從初期壩頂處以每10 m的高度間隔設(shè)置1條4 m寬的馬道，現(xiàn)堆積子壩標(biāo)高為282.2 m，灘高為280.1 m，主壩方向干灘長約260 m。堆積子壩的等效外坡比為1∶3.2。泄洪系統(tǒng)采用塔—管的方式泄洪，屬于三等尾礦庫。

根據(jù)該尾礦庫加高擴(kuò)容設(shè)計(jì)，壩體終高由280 m提高至300 m，庫容由980萬m3增加至1 702萬m3，使尾礦庫可繼續(xù)使用20年。主要方案是主壩方向在現(xiàn)尾礦堆積壩壩頂?shù)幕A(chǔ)上，按平均坡高比1∶4用尾礦向上堆筑加高至300 m標(biāo)高，分別在280、290 m標(biāo)高處設(shè)4 m寬的平臺，根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(ZB J 1—1990)[5]，加高后的尾礦庫堆積壩壩高H可達(dá)88 m，低于100 m;總庫容V則達(dá)到1 702萬m3，小于10 000萬m3；該尾礦庫仍在三等庫標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

2 穩(wěn)定性計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 穩(wěn)定性計(jì)算理論

計(jì)算采用的GeoStudio軟件是一款高效、交互性強(qiáng)的工程計(jì)算仿真軟件，在巖土工程設(shè)計(jì)與分析中應(yīng)用廣泛。本文主要通過SEEP/W以及QUAKE/W模塊在不同工況下進(jìn)行模擬，并根據(jù)結(jié)果對相應(yīng)工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到不同工況下的安全系數(shù)。

查閱ZB J 1—1990可知，尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算一般采用兩種計(jì)算方法，即簡化Bishop法和瑞典圓弧法；地震計(jì)算則使用擬靜力法。本文選擇使用簡化Bishop法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

簡化Bishop法主要考慮了土條間的作用力，但是忽略了各土條間切向條間力，認(rèn)為其合力為水平，公式如下：

(1)

而

(2)

當(dāng)考慮壩體內(nèi)的滲流作用時(shí)，在工程上經(jīng)常通過使用容重替代法來進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(3)

容重替代法顧名思義，若土條是在浸潤線之上則采用天然容重，若在浸潤線之下則采用飽和容重[6]。其優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算方便，且由于考慮了穩(wěn)定滲流對于土坡穩(wěn)定性的影響，因此該方法的計(jì)算精度也可以滿足工程需要。其缺點(diǎn)是現(xiàn)階段主要為工程人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，沒有形成具體理論。

2.2 建立計(jì)算模型

本文取最大標(biāo)高斷面處(主壩方向)進(jìn)行計(jì)算，若此斷面安全，則滿足尾礦庫加高擴(kuò)容的要求。根據(jù)地勘報(bào)告，建立地質(zhì)剖面如圖1所示。該剖面由初期壩體、尾細(xì)沙、尾粉砂、尾粉土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化巖組成。以此剖面為基礎(chǔ)，導(dǎo)入GeoStudio中建立計(jì)算模型如圖2所示。由勘察報(bào)告得出計(jì)算所需的土層物理參數(shù)如表1所示。

圖1 尾礦庫地質(zhì)剖面

圖2 終高建模

表1 土層物理參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

本次計(jì)算采用簡化Bishop法，根據(jù)現(xiàn)有土層參數(shù)，對最終300 m標(biāo)高進(jìn)行尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算，并且設(shè)定3種工況：①正常水位運(yùn)行工況；②特大暴雨運(yùn)行工況；③特殊運(yùn)行工況。

其中，正常水位運(yùn)行工況水位線以實(shí)測水位線標(biāo)高292.5 m進(jìn)行設(shè)置，在模型右側(cè)設(shè)置水頭邊界，水頭高度為292.5 m，模型左側(cè)初期壩壩腳處設(shè)壓力水頭，壩面設(shè)立潛在滲流面；特大暴雨運(yùn)行工況中降雨強(qiáng)度則選取降雨強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)中的特大暴雨強(qiáng)度等級，即24 h降雨總量為300 mm，并將正常水位運(yùn)行所得到的浸潤線位置作為條件帶入；特殊運(yùn)行工況設(shè)定為特大暴雨+地震的極端工況，該地設(shè)防烈度為7度，因此以0.15g進(jìn)行峰值加速度修正，初始孔隙水壓力為特大暴雨工況中的數(shù)值。

3 壩體穩(wěn)定性分析

本次分析是以尾礦加高擴(kuò)容后的標(biāo)高為最終高度建立模型并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，獲得了3種工況下尾礦壩的浸潤線位置和最不利滑面及對應(yīng)的安全系數(shù)，結(jié)果如圖3～圖5和表2所示。

圖3 終高正常水位壩體穩(wěn)定性分析模型

圖4 終高特大暴雨壩體穩(wěn)定性分析模型

圖5 終高特殊工況壩體穩(wěn)定性分析模型

表2 計(jì)算結(jié)果匯總及評價(jià)

從計(jì)算結(jié)果得知，3種工況下的尾礦壩均處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以安全運(yùn)行。但從圖4中也可以看出，在特大暴雨工況下，靠近初期壩位置的浸潤線明顯升高，從而導(dǎo)致壩體安全系數(shù)減小，并有可能使壩體發(fā)生滲透破壞。根據(jù)齊清蘭等[7]的研究，必須嚴(yán)格控制干灘長度，增加滲流路徑，使壩體穩(wěn)定性得到提高。同時(shí)需要指出的是，在特殊運(yùn)行工況下，雖然壩體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但是安全儲備較小，因此也應(yīng)采取一定措施，減小在暴雨以及地震作用下礦砂產(chǎn)生液化的可能性。

4 結(jié)論

本文通過建立某加高擴(kuò)容后的尾礦壩在正常水位工況、特大暴雨工況和特殊工況3種條件下的數(shù)值模型，分析其穩(wěn)定性后得出以下結(jié)論：

(1)由穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，3種工況下的尾礦壩均處于安全運(yùn)行狀態(tài)，滿足規(guī)范要求，但是特大暴雨工況時(shí)的浸潤線位置隨著降雨明顯抬高，因此需要在雨季增加排滲設(shè)施使壩體的浸潤線降低。

(2)特大暴雨工況+地震工況時(shí)的尾礦壩壩體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，但安全儲備不是很大，因此尾礦壩加高后除了增加排滲設(shè)施外，也應(yīng)對尾礦壩進(jìn)行抗震加固，如對尾礦壩二次碾壓、打碎石樁、壩腳處打抗滑樁等。

(3)加強(qiáng)尾礦庫運(yùn)行期間的管理和安全監(jiān)測，以便及時(shí)采取措施為尾礦庫的安全穩(wěn)定提供有力保障。