羅敏杰 ，黃辰奕 ，付智龍

(1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西 南昌 330031; 2.馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司,湖南 長沙 410699)

礦山開采不可避免的會(huì)出現(xiàn)廢渣、廢石等廢礦料，用于存儲(chǔ)廢礦料的場所則是尾礦庫。尾礦庫中的廢礦料傾瀉對環(huán)境和人們?nèi)粘Ｉ疃紩?huì)造成極大影響。尾礦壩作為尾礦設(shè)施中最重要的部分，直接關(guān)系到尾礦庫的安危，因此尾礦壩穩(wěn)定性的提升極為重要[1]。在尾礦壩施工中，分為初期壩和后期堆積壩，后期堆積壩是在初期壩的基礎(chǔ)上進(jìn)行壩體加高，作用是增加尾礦壩的容量，增加廢礦料的堆積量[2]。多項(xiàng)研究指明，尾礦壩失穩(wěn)是由于滲流破壞造成的，面對加高后的尾礦壩，其穩(wěn)定性所受到的影響也隨高度增加而增大[3-4]。如何對加高后的尾礦壩穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并加以控制是保證尾礦壩安全的前提之一。本研究將基于流固耦合條件進(jìn)行尾礦壩加高穩(wěn)定性分析，提出控制方法，借此為尾礦壩加高工作提供理論支持。

1 基于流固耦合的尾礦壩加高穩(wěn)定技術(shù)

1.1 尾礦壩失穩(wěn)影響因素及加高標(biāo)準(zhǔn)

尾礦壩是礦業(yè)工程中較為重要的一個(gè)部分，具有處理廢礦料的作用，同時(shí)又是重要的危險(xiǎn)來源。尾礦壩若出現(xiàn)潰壩破壞，導(dǎo)致的尾礦料傾瀉帶來的是對環(huán)境的污染，同時(shí)造成的人員損傷和財(cái)產(chǎn)損失也是不可估量的[5-6]。為了保證尾礦壩在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，研究中首先針對尾礦壩失穩(wěn)的影響因素進(jìn)行分析，借此來針對性地提出穩(wěn)定性控制方案。尾礦壩失穩(wěn)一般指的是壩坡發(fā)生滑動(dòng)導(dǎo)致的潰壩現(xiàn)象，尾礦壩壩坡失穩(wěn)示意圖如圖1所示。

圖1 尾礦壩失穩(wěn)示意圖Fig.1 Diagram of tailings dam instability

從圖1可以看出，當(dāng)出現(xiàn)不可抗因素時(shí)，壩坡的穩(wěn)定性受到影響，主要表現(xiàn)于壩坡某處的剪應(yīng)力增大；而土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，從而產(chǎn)生微小裂隙，并開始向四周蔓延產(chǎn)生巨大的破壞。最后逐漸形成張拉裂縫，并開始擴(kuò)散，導(dǎo)致滑移面的產(chǎn)生，在剪應(yīng)力作用下發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，最終出現(xiàn)潰壩。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，壩坡失穩(wěn)一般是由于切向滑動(dòng)的剪應(yīng)力超過剪切強(qiáng)度臨界值所導(dǎo)致。而造成剪應(yīng)力增加的因素一般分為外部因素和內(nèi)部因素，內(nèi)部因素一般包括尾礦壩物理性質(zhì)、內(nèi)滲透力等；外部影響因素主要分為氣候影響和植被情況[7]。尾礦壩失穩(wěn)影響因素如圖2所示。

圖2 尾礦壩失穩(wěn)影響因素Fig.2 Influencing factors of tailings dam instability

從圖2可以看出，壩坡較差的物理性質(zhì)、壩坡形態(tài)不理想、壩體內(nèi)部存在較大的動(dòng)水壓力三者都是導(dǎo)致尾礦壩失穩(wěn)的內(nèi)部因素；氣候變化周期短、氣候條件較差以及植被較差是導(dǎo)致尾礦壩失穩(wěn)的外部影響因素。從圖2中的壩坡失穩(wěn)因素分析中可以得知，增強(qiáng)壩坡物理性質(zhì)、改善壩坡的形態(tài)能夠提升尾礦壩的穩(wěn)定性，此外外界氣候變化難以認(rèn)為控制，因此從外部入手可以對尾礦壩周邊植被進(jìn)行優(yōu)化來提升其穩(wěn)定性。

尾礦壩加高是為了滿足生產(chǎn)需要，在礦采工程中常會(huì)針對采礦過程中不斷增加的廢礦料采取尾礦壩加高的措施[8]。在尾礦壩加高中，需要同時(shí)滿足多項(xiàng)加高標(biāo)準(zhǔn)，包括容量標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范，可通過圖3進(jìn)行分析。

圖3 尾礦壩加高標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Standard of heightening the tailings dam

從圖3可以看出，在尾礦壩加高中首先需要滿足庫容計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，即不同尾礦標(biāo)高下的壩高下對應(yīng)的總礦容。而在尾礦設(shè)計(jì)規(guī)范中，強(qiáng)調(diào)的是等級的確定和防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，其中等級確定時(shí)按照尾礦壩的庫容和壩高來確定的，一般來說尾礦壩的等級分為Ⅰ～Ⅴ5個(gè)等級；而防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)中是綜合考慮了庫容、壩高以及尾礦壩的使用年限。

1.2 尾礦壩加高后穩(wěn)定性控制方案

在尾礦壩加高中，尾礦壩受到水位上升帶來的水壓力影響增加，同時(shí)重心上升帶來的重力影響也增加。因此在尾礦壩加高后穩(wěn)定性的分析中，應(yīng)當(dāng)分析流固耦合情況，即建立滲流場和盈應(yīng)力場相互影響的數(shù)學(xué)模型[9-10]。在應(yīng)力場影響下的滲流場數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：Ω表示滲流場區(qū)域；H表示水頭；Γ1表示已知的水頭邊界；H1(x,y)表示水頭邊界處的水頭分布；Γ2表示流量邊界；q(x,y)表示流量邊界處的流量分布；n2為流量邊界處的法線方向；Γ3為滲流自由面的邊界；n3為滲流自由面邊界的法線方向；k(σij)表示滲透系數(shù)。滲流場影響下的應(yīng)力場數(shù)學(xué)模型：

(2)

(3)

式中：{f}表示水頭分布函數(shù)；{Fs}表示滲透體積力造成的等效結(jié)點(diǎn)力；{ΔFs}表示滲透體積力變化所產(chǎn)生的等效結(jié)點(diǎn)力；K表示滲透系數(shù)。尾礦壩的穩(wěn)定性分析采用安全性和可靠性進(jìn)行分析，其中安全性分析式確定壩體土體是否沿著滑移面發(fā)生滑動(dòng)，即確定發(fā)生滑動(dòng)的可能性，也就是確定其安全系數(shù)：

(4)

式中：F表示安全系數(shù)；S表示壩坡土體對抗剪應(yīng)力的強(qiáng)度；τ表示土體實(shí)際中所受到的剪應(yīng)力大小。通過計(jì)算滑移面的安全系數(shù)，安全系數(shù)越小就表示發(fā)生滑動(dòng)的可能性越大。在此基礎(chǔ)上通過可靠度來評價(jià)結(jié)構(gòu)的可靠性：

Z=F(x1,x2,…xn)-1=0

(5)

式中：Z表示可靠程度，當(dāng)其值小于0時(shí)，尾礦壩結(jié)構(gòu)就處于失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)其值大于0，尾礦壩結(jié)構(gòu)可靠；表示安全系數(shù)；表示隨機(jī)變量，表示隨機(jī)變量的數(shù)量。

在流固耦合條件下對尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為了有效的實(shí)現(xiàn)尾礦壩生產(chǎn)過程中的安全性，根據(jù)流固耦合下的滲透場和應(yīng)力場的作用，并結(jié)合提出的尾礦壩穩(wěn)定性影響因素，構(gòu)建尾礦壩穩(wěn)定性控制方案，具體如圖4所示。

圖4 尾礦壩加高穩(wěn)定性控制方案Fig.4 Stability control scheme for heightening tailings dam

從圖4可以看出，尾礦壩的穩(wěn)定性控制包括了浸潤線控制、放礦工藝、護(hù)坡安全性控制。其中浸潤線控制是針對尾礦壩的滲水現(xiàn)象，在尾礦壩加高擴(kuò)容中采取2層排滲系統(tǒng)來降低浸潤線；此外，還需要按照運(yùn)行過程中的浸潤線情況增設(shè)排滲層。放礦工藝強(qiáng)調(diào)的是尾礦堆積，放礦中采取壩頂分散放礦，并且放礦中應(yīng)使用多個(gè)放礦口，保證能夠形成沉積灘。尾礦壩護(hù)坡的安全性控制可以采用山皮合并植被來進(jìn)行壩坡保護(hù)，并在護(hù)坡處設(shè)置壩坡排水溝，保證壩坡在運(yùn)行過程中不出現(xiàn)水壓力過大的情況。

2 基于流固耦合的尾礦壩加高穩(wěn)定性效果分析

對尾礦壩穩(wěn)定性控制的實(shí)驗(yàn)采用數(shù)值模擬分析，采用的軟件為ABAQUS進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。選取某尾礦壩方案實(shí)施前后的變化進(jìn)行對比分析，探討尾礦壩穩(wěn)定性控制作用效果。選取的尾礦壩堆積壩壩高標(biāo)高150 m，將堆積壩壩頂標(biāo)高增加值170 m，即尾礦壩加高20 m。針對尾礦壩加高后的安全性進(jìn)行分析，其中孔隙水壓力的變化情況如圖5所示。

(a)工況1下孔隙水壓力變化

(b)工況2下孔隙水壓力變化圖5 方案實(shí)施前后不同工況的孔隙水壓力比較Fig.5 Comparison of pore water pressure before and after implementation of the scheme under different working conditions

圖5(a)是穩(wěn)定性控制方案實(shí)施前后的工況1孔隙水壓力比較結(jié)果，可以看出在工況前5 h內(nèi)，尾礦壩所受到的孔隙水壓力增長迅速，穩(wěn)定性方案實(shí)施前后差異不大；此外當(dāng)時(shí)間達(dá)到10 h時(shí)，實(shí)施穩(wěn)定性控制的尾礦壩受到的孔隙水壓力開始逐漸趨于穩(wěn)定，而為實(shí)施方案的尾礦壩數(shù)值模擬中顯示，孔隙水壓力還呈現(xiàn)一小段的上升趨勢。從曲線整體變化可以看出，方案實(shí)施前的水壓力隨著時(shí)間的增加上升速度大于實(shí)施前的尾礦壩所受到的水壓力。圖5(b)是穩(wěn)定性控制方案實(shí)施前后的工況2孔隙水壓力比較結(jié)果，同樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的變化，方案實(shí)施后的尾礦壩受到的孔隙水壓力變化小于未實(shí)施穩(wěn)定性控制的尾礦壩。此外，尾礦壩的安全系數(shù)是反映其安全性最直接的指標(biāo)，對尾礦壩數(shù)字模擬計(jì)算得到的安全系數(shù)變化結(jié)果如圖6所示。

(a)工況1安全系數(shù)變化

(b)工況2安全系數(shù)變化圖6 方案實(shí)施前后不同工況的安全系數(shù)比較Fig.6 Comparison of safety factor before and after implementation of the scheme under different working conditions

圖6(a)是穩(wěn)定性控制方案實(shí)施前后的工況1安全系數(shù)變化，可以看出穩(wěn)定性控制前后的曲線都是隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。但仍然可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定性控制后的尾礦壩在數(shù)值模擬中顯示的安全性系數(shù)下降速度緩慢，比較在第10 d二者安全性系數(shù)可以看出，實(shí)施穩(wěn)定性控制方案的尾礦壩的安全性系數(shù)為1.255；而未采用控制方案的工況1在第10 d的安全性系數(shù)降低到了1.223，差距明顯。圖6(b)是穩(wěn)定性控制方案實(shí)施前后的工況2安全系數(shù)變化，仍然可以看出方案實(shí)施后的安全系數(shù)下降速度明顯低于方案實(shí)施前的安全系數(shù)下降速度，并且在第10 d二者之間的差異較為明顯。尾礦壩的安全性還體現(xiàn)在壩坡的位移變化上，因此在數(shù)值模擬中同樣對工況1和工況2進(jìn)行位移數(shù)值分析，結(jié)果如圖7所示。

(a)工況1下位移變化

(b)工況2下位移變化圖7 方案實(shí)施前后不同工況的位移量比較Fig.7 Comparison of displacement before and after the implementation of the scheme under different working conditions

圖7(a)是在工況1中選取的各特征點(diǎn)的位移變化比較結(jié)果，可以看出每個(gè)特征點(diǎn)的位移變化都不相同，原因在于尾礦壩中水位變化對每個(gè)點(diǎn)造成的作用力不同。但從曲線的變化情況來看，穩(wěn)定性控制方案實(shí)施后的尾礦壩的位移變化總體較小。圖7(b)是在工況2中選取的各特征點(diǎn)的位移變化比較結(jié)果，同工況1的情況相同，實(shí)施穩(wěn)定性控制方案后的尾礦壩在數(shù)值模擬中表現(xiàn)出的位移更小，說明受到的剪應(yīng)力影響也就越小。

可靠度分析目的是驗(yàn)證尾礦壩加高的可行性，本次實(shí)驗(yàn)選取的尾礦壩堆積壩標(biāo)高150 m，壩頂增加20 m至170 m，通過可靠度來分析加高后的穩(wěn)定性。可靠度計(jì)算結(jié)果根據(jù)許可標(biāo)準(zhǔn)，其值在3.2～3.7，表示結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級；其值在3.7～4.2表示安全級別為Ⅱ級；其值大于4.2，表示結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅰ級。經(jīng)模擬計(jì)算，得出結(jié)果如表1所示。

表1 尾礦壩加高可靠度分析結(jié)果Tab.1 Reliability analysis of tailings dam heightening

由表1可知，在尾礦壩正常運(yùn)行中，經(jīng)計(jì)算尾礦壩加高后的可靠度達(dá)到了4.125，安全級別也達(dá)到了Ⅱ級，并且尾礦壩的失效概率已經(jīng)低至0.02%。而在洪水沖擊下的運(yùn)行過程中的安全級別仍然達(dá)到了Ⅱ級，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)雖然失效概率較正常運(yùn)行狀態(tài)下的失效概率有了提升，但僅為0.07%。

以上結(jié)果說明，在正常運(yùn)行和洪水沖擊下的尾礦壩加高后的失效概率都較低，并且尾礦壩的安全級別也滿足規(guī)范要求，即在穩(wěn)定性控制下的尾礦壩的安全性和可靠性都具有合理性和科學(xué)性。

3 結(jié)語

本研究針對尾礦壩加高過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探討影響尾礦壩穩(wěn)定性的影響因素，并在流固耦合條件下提出穩(wěn)定性控制方案。在數(shù)值模擬計(jì)算中可以得出，經(jīng)過穩(wěn)定性控制后的尾礦壩在孔隙水壓力變化中的增加速度明顯低于未實(shí)施穩(wěn)定性控制的尾礦壩，同時(shí)不同工況下實(shí)施控制方案的尾礦壩在安全系數(shù)和位移變化中也明顯低于未實(shí)施穩(wěn)定性控制方案的尾礦壩。在可靠度分析中，經(jīng)過穩(wěn)定性控制方案實(shí)施之后的尾礦壩加高在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行中的安全級別均為Ⅱ級，符合規(guī)范要求。結(jié)果表明：在流固耦合條件下進(jìn)行穩(wěn)定性分析，提出的穩(wěn)定性控制方案能夠提升尾礦壩的安全性，具有較高的可靠度。