關于我國尾礦壩穩定設計標準的探討

沈樓燕，王漢強

(1.武漢大學經濟與管理學院，湖北 武漢 430072; 2.中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330002)

《世界有色金屬》期刊2008年第2期發表了《美國礦山企業的尾礦管理》一文[1]，該文作者在對比中、美兩國尾礦庫工程設計標準后提出：“①(美國)尾礦庫的洪水設計標準高。最低標準為百年一遇洪水，大中型庫均需按最大可能洪水(PMF)或二分之一最大可能洪水進行設計。②(美國)尾礦壩設計穩定性安全系數高。規定標準系數為1.5，大于我國的標準”。該文還建議“結合我國國情，修訂尾礦庫安全技術標準，主要是洪水標準和尾礦壩穩定性標準，適當提高洪水標準和加大尾礦壩穩定性系數”。 2009年國家有關部委在發布的《尾礦庫隱患綜合治理方案》中，論述我國尾礦庫事故頻發和安全生產形勢嚴峻的主要原因時，認同并引用了該文獻的觀點，故發布的文件中第一條就是：“安全設計標準低。尾礦庫防洪抗震及壩體穩定等安全設計標準與發達國家相比相對偏低”。

上述觀點可以概括為：我國尾礦庫的設計洪水標準和尾礦壩穩定設計標準偏低,應予以提高。適逢筆者正在參與我國新的尾礦庫設計規范的編制工作，認為很有必要對這個觀點進行商榷。其中，筆者對“我國尾礦庫設計洪水標準是否偏低” 已在文獻[2]進行了專題論述，本文僅對“我國尾礦壩穩定設計標淮是否偏低”的問題予以探討。

1 科學認識因中、美尾礦壩穩定計算方法不同而導致的安全系數數值的差異

美國礦山安全衛生局(MSHA)下屬的丹佛技術中心(DTSC)制定的《礦山廢渣堆及尾礦壩設計準則》[3]，規定尾礦壩的靜力穩定和動力穩定安全系數標準分別為1.5及1.2。我國現行的行業標準《選礦廠尾礦設施設計規范》(ZBJ 1-90)[4]規定的尾礦壩穩定設計標準見表1,其最大值為1.3,比美國標準值1.5小。如果僅從數字來對比，似乎美國標準更高，其實這是一個誤解。

表1 尾礦壩壩坡抗滑穩定最小安全系數

國內外的研究成果和工程實踐經驗都表明：對于同一土石壩邊坡，用瑞典圓弧法和考慮條塊間作用力的簡化畢肖普法方法，分別計算得到各自的最小安全系數，后者要比前者大很多，平均約大9%[5]。尾礦壩的工程實踐也反映了同樣的情況。我國《選礦廠尾礦設施設計規范》(ZBJ 1-90)是參照我國《碾壓式土石壩設計規范》(SDJ 218-84)[6]的標準來規定其穩定安全標準的，采用的是瑞典圓弧法,最大安全系數為1.3。而美國標準則是采用簡化畢肖普法等方法，其規定的最大安全系數為1.5。其后我國的1984年版《碾壓式土石壩設計規范》(SDJ 218-84)己于2001年修訂為《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)[7]，采用的基本方法是畢肖普法等方法，其最大安全系數也規定為1.5(表2)。但是，由于《選礦廠尾礦設施設計規范》(ZBJ 1-90)沒有及時相應跟進予以修訂,其安全系數最大值仍為1.3。

表2 土石壩壩坡抗滑穩定最小安全系數(SL 274-2001)

根據尾礦壩的實踐經驗，我們建議新的尾礦庫設計規范規定：采用畢肖普法和瑞典法同時進行尾礦壩穩定計算，并比較其計算結果。尾礦壩穩定設計標準分別采用表1和、2的數值(可個別調整)。實際上，將表1的數值按瑞典圓弧法和畢肖普法相差的百分數平均值放大后，并將尾數取0或5,就成了表2中的數值。這樣就有兩個最大值，瑞典法為1.3、畢肖普法為1.5，二者是相對應的。在新的尾礦庫設計規范施行前的過渡期，可執行《尾礦庫安全技術規程》[8](AQ 2006-2005)的規定：在采用簡化畢肖普法計算時，可按SL 274-2001規范的規定選定安全系數標準值，最高值也達1.5?？梢?，現行的《選礦廠尾礦設施設計規范》(ZBJ 1-90)中，尾礦壩穩定安全系數1.3和美國標準的1.5二者的安全度是相當的。因此，僅從1.3小于1.5而不考慮計算方法不同，就來判斷安全標準孰高孰低是一種誤解。

2 國內外土石壩穩定安全設計標準對比分析

尾礦壩屬于土石壩中的水力沖填壩類型，因此，國內外制訂尾礦壩的穩定安全設計標準時，都是以土石壩的穩定安全設計標準為主要參照標準的。所以，對比國內外土石壩的穩定安全設計標準，對評價尾礦壩的穩定設計標準很有意義。

土石壩邊坡穩定安全設計標準是如何制定的呢? 首先按邊坡級別、工作條件規定出基本的最小穩定安全系數標準。最小穩定安全系數標準，應在大量工程實踐的統計基礎上，盡量與國內其他行業標準、國外本行業技術標準相協調，同時考慮士石壩邊坡工程特點，以及國內經濟發展水平等來確定。在確定了基本的最小安全系數標準的基礎上，再根據邊坡類型、穩定計算方法等不同因素分別做出補充規定。比如當采用不考慮條塊間作用力的方法時，其最小穩定安全系數標準應與考慮條塊間作用力方法的標準有所區別。在確定最小穩定安全系數標準時，根據相關的專題研究成果，考慮與國外同類技術標準接軌，適當引入風險分析的內容，結合工程失事所造成的危害，提出對安全標準的修正條款(例如升、降級條款等)。綜上所述，穩定安全系數標準值的合理規定，涉及了所采用的計算理論(例如剛體極限平衡)、計算方法(例如瑞典法)、計算工況(運用條件)，主要是參照相關標準，并將已建邊坡的實際取值統計，作為制定土石壩穩定安全系數標準的主要依據。

文獻[5] 及文獻[7]統計了美國墾務局、加州水務局及陸軍工程兵團以及前蘇聯、印度、日本、加拿大、澳大利亞的土石壩最小穩定安全系數標準，并將之與中國土石壩的最小穩定安全系數標準進行對比，得出了國外的最小穩定安全系數標準與我國采用簡化畢肖普法等考慮條塊間作用力的方法為基本方法的規范的最小穩定安全系數標準比較接近的結論[7]。因此，可以認為中、外尾礦壩穩定設計標準的基礎水平是相接近的。

3 中、美尾礦壩穩定設計標準綜合對比分析

3.1 美國對本國的尾礦壩穩定設計標準也是有爭議的

美國MSHA制定的尾礦壩安全系數標準僅二個數值：1.5(靜力) 和1.2(動力)。不論尾礦庫庫容大小、尾礦壩的高低和失事后的災害程度，都是這兩個值。對此，美國國內也有不同意見。美國內政部礦山局頒布的《金屬與非金屬礦尾礦處理設計指南》[9]指出：“每座尾礦壩應按下列幾方面的特點來選定安全系數標準：①相對于居民中心的位置；②總庫容和使用年限；③區域降水和匯入庫內的水量；④尾礦的特性；⑤地形特征。換句話說，一座位于城市范圍內或在主要公路或鐵路旁的尾礦庫，應該取靜力穩定安全系數為1.5。當一座尾礦庫位于偏僻地區，離都市很遠，其安全系數取為1.3就非常安全。”

可見，美國也有相關管理部門認為，尾礦庫的安全設計標準，應依據尾礦庫的具體情況分級執行，而不是統一采用固定的數值。因此，筆者認為，不必按照美國的作法將所有尾礦壩的安全系數標準都定為一個數值，還是分級規定安全系數為好，這樣更符合我國實際國情，更符合工程的技朮經濟綜合分析原則。

3.2 實踐是判別尾礦壩穩定與否的唯一標準

從理論上說，計算的穩定安全系數大于1時，應滿足穩定要求。但在實際工程中，有些土坡的計算安全系數雖大于1，卻發生了滑坡；而另一些土坡計算安全系數只有0.8，但卻一直保持穩定的[10]。那么，如何規定能確保尾礦壩壩坡穩定的允許最小安全系數呢？這只能如前所述，將已建尾礦壩邊坡穩定安全系數的實際取值統計，作為制定尾礦規范穩定安全系數標準的主要依據，再參照國內有關邊坡規范并與國外尾礦規范協調來規定。這里強調的就是工程實踐經驗。尾礦壩的邊坡穩定標準是否合適，同樣也應根據其實踐經驗來判別。實際邊坡工程采用的安全系數標準和實際計算值，可反映目前邊坡安全系數的應用現狀。作者統計了我國數十座尾礦壩的現狀計算安全系數，都是采用現行尾礦壩安全系數標準的。這數十座尾礦壩從2級壩到5級壩都有。應該說明的是，按老規范我國沒有評定1級尾礦壩，實際有些2級壩甚至3級壩的安全設計標準己達到1級壩的要求。由于美國尾礦壩靜力穩定不分級別和計算方法只有一個標準Fs=1.50，因此，為便于對比，將這些尾礦壩正常運行(靜力穩定)的計算Fs值，不論方法，一起統計求其平均值來與之比較。求得的平均Fs=1.48，與1.50相差無幾。由此可見，根據我國現行尾礦規范設計建設的已建尾礦壩，其平均安全系數的總體水準是與美國尾礦壩標準相當的。

4 結語

(1) 中、外尾礦壩穩定設計標準制訂時，都是以土石壩的標準作為主要參照標準的，而中、外土石壩的穩定安全設計標準是接近的。因此，可以認為，中、外兩國尾礦壩穩定設計標準的基礎水平是接近的。

(2) 從國內尾礦壩實踐經驗統計來看，中國尾礦壩安全系數的總體水準與美國的標準是相當的。

(3) 未經充分論證，不應任意提高或降低規范規定的穩定安全系數的允許值，其總體水平宜基本維持在現行規范的歷史經驗水平上，僅需對個別不合理情況作適當調整。

(4) 建議新的尾礦庫設計規范規定，用畢肖普法和瑞典法同時進行尾礦壩穩定計算,并比較其計算結果。尾礦壩安全設計標準，可分別采用表2和表1的數值(可個別調整) 。

[1] 汪貽水. 美國礦山企業的尾礦管理[J]. 世界有色金屬，2008(2)：55-58.

[2] 沈樓燕 ,王漢強. 關于我國尾礦庫設計洪水標準的探討[J]. 中國礦業,2010,19(6):14-16.

[3] 美國礦山安全衛生局(MSHA). 礦山廢渣堆及尾礦壩設計準則[S]. 冶金工業部南昌有色冶金設計院總圖衛技科(譯)，1979,4.

[4] 中國有色金屬工業總公司.ZBJ1-90，選礦廠尾礦設施設計規范[S] .北京：中國計劃出版社，1991：14-15.

[5] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 5395-2007 碾壓式土石壩設計規范[S]. 北京：中國電力出版社，2008：51，219.

[6] 中華人民共和國水利部.SDJ 218-84，碾壓式土石壩設計規范[S].北京: 中國水利水電出版社，1984：51.

[7] 中華人民共和國水利部.SL 274-2001，碾壓式土石壩設計規范[S]. 北京: 中國水利水電出版社，2002:135-136.

[8] 國家安全生產監督管理總局.AQ 2006-2005 ，尾礦庫安全技術規程[S].北京：煤炭工業出版社，2006：7.

[9] Design guide for metal and nonmetal tailings diposal ，by Roy L. Soderberg and Richard A. Busch,[Washington]:United States Department of the Interior,Bureau of Mines,1977：35.

[10] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算(第二版)[M].北京：中國水利水電出版社,1996:302-312.