尾礦庫(kù)壩外排土壓坡對(duì)其穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

呂淑然，趙學(xué)龍

(1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100070；2.承德正通環(huán)境工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河北 承德 067002)

礦山在開(kāi)采過(guò)程中必然產(chǎn)生大量廢棄巖土，其堆存不僅占用大量土地、農(nóng)田，而且還將影響和破壞環(huán)境，大量堆存廢石的排土場(chǎng)由于管理及工程技術(shù)原因還會(huì)引發(fā)滑坡、泥石流等安全問(wèn)題[1]。隨著礦山的多年開(kāi)發(fā)，在礦區(qū)附近尋找適宜建造排土場(chǎng)的場(chǎng)所越來(lái)越困難。為了解決排土問(wèn)題，礦山企業(yè)擬在運(yùn)行的尾礦庫(kù)壩外排土壓坡。其目的在于在增強(qiáng)尾礦壩抗滑穩(wěn)定性的同時(shí)，解決礦山部分排土問(wèn)題，降低礦山經(jīng)營(yíng)成本。但是，排土壓坡方案是否可行以及由其涉及到的安全問(wèn)題則亟待論證。

尾礦庫(kù)壩外排土壓坡不同于尾礦壩及其他一般滑坡工程整治中的壓坡，大量排土壓坡的適用條件和要求在我國(guó)《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》(AQ2006-2005)中并無(wú)相關(guān)規(guī)定，同時(shí)國(guó)內(nèi)外也無(wú)相關(guān)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)可共參考。因此，急需對(duì)尾礦庫(kù)壩外排土壓坡涉及到的安全問(wèn)題進(jìn)行研究與論證，以探討尾礦壩外排土壓坡的安全性和可行性。

1 尾礦庫(kù)壩外排土壓坡方法簡(jiǎn)介

壓坡方法一般用于治理邊坡，即用廢石和表土壓住高陡邊坡的坡腳，使之形成穩(wěn)定的緩坡，消除邊坡滑塌的安全隱患[2]。在尾礦庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，由于種種原因，尾礦壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定的要求。按照規(guī)定應(yīng)對(duì)尾礦壩進(jìn)行整治，其中壓坡是最為常見(jiàn)的工程措施之一[3]。

尾礦庫(kù)壩外排土壓坡不同于尾礦庫(kù)整治工程的壓坡。在壓坡材料的選擇方面：前者選用露天礦山剝巖的土石，材料成分復(fù)雜，其排水性能較差，施工方式與常規(guī)排土方式作業(yè)相同；而后者一般要求選擇較規(guī)則的塊石，自下而上施工，其目的是提高尾礦庫(kù)基礎(chǔ)壩的強(qiáng)度，規(guī)則塊石形成的壓坡體具有良好的排水性能。在對(duì)壩體結(jié)構(gòu)影響方面：前者不僅是加固尾礦壩，而且還要解決礦山采礦大量排土問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是建造一座位于尾礦壩之上的排土場(chǎng)，從本質(zhì)上改變了尾礦壩壩體的基本結(jié)構(gòu)；而后者主要是自尾礦庫(kù)初期壩開(kāi)始，壓坡數(shù)個(gè)子壩，其壓坡厚度及高度均由設(shè)計(jì)給出，且量不大，不會(huì)從本質(zhì)上改變尾礦壩壩體基本結(jié)構(gòu)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

本文以順達(dá)尾礦庫(kù)為例進(jìn)行研究。目前尾礦壩堆積壩標(biāo)高782.0m，自初期壩壩頂710.0m標(biāo)高起算的尾礦堆積高度為72.0m，自初期壩壩底692.0m標(biāo)高起算的現(xiàn)狀壩高為90.0m，現(xiàn)狀尾礦庫(kù)全庫(kù)容為1000萬(wàn)m3，三等庫(kù)。

初期壩(已被排土場(chǎng)廢石掩埋)壩頂標(biāo)高710.0m，壩基軸線處壩底標(biāo)高692.0m，壩高18.0m，壩頂寬約6.0m，壩頂全長(zhǎng)約166.0m，外壩坡坡比1∶2.5，內(nèi)壩坡坡比1∶2.0。初期壩上下游坡腳處設(shè)置排滲棱體，壩基底部通過(guò)排滲盲溝將其連通。

尾礦堆積壩壩頂長(zhǎng)約750m，呈不規(guī)則折線形，自初期壩壩頂710.0m標(biāo)高起算的現(xiàn)狀尾礦堆積高度為70.0m。由于該庫(kù)初期壩和710～734m標(biāo)高之間的尾礦堆積體已被廢棄土石掩埋(現(xiàn)已不可見(jiàn))。從壩體穩(wěn)定性角度上講，這種填埋壓坡對(duì)初期壩體及尾礦壩部分堆積壩體起到了很好的壓重加固作用。

礦山企業(yè)擬在尾礦庫(kù)壩外排土壓坡，壓坡臺(tái)階高程740m，壓坡高度為87m，坡腳至基礎(chǔ)壩為220m，坡比1∶5，坡角11°。

2.2 排土壓坡對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

尾礦庫(kù)壩外排土壓坡的土石在增加尾礦壩下游抗滑穩(wěn)定性的同時(shí)，又在尾礦壩外增加了一道排水過(guò)濾壩體，增加的排水過(guò)濾壩體勢(shì)必對(duì)尾礦壩原有排滲系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。另外，大量巖土堆積形成的壓坡體實(shí)際上又是坐落在尾礦庫(kù)上的排土場(chǎng)，由于尾礦壩內(nèi)有持續(xù)性滲水排出到壓坡體底部，導(dǎo)至壓坡體的運(yùn)行狀況與常見(jiàn)排土場(chǎng)也有所不同。因此，為了更清楚地了解排土壓坡對(duì)尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性的影響，下面采用由加拿大Geostudio公司出品的軟件Geostudio/slope/seep有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2.1 尾礦壩計(jì)算模型

計(jì)算模型長(zhǎng)度取尾礦壩外坡面投影長(zhǎng)的三倍，分別建立無(wú)排土壓坡的尾礦庫(kù)模型(圖1)和有排土壓坡的尾礦庫(kù)模型(圖2)，其中圖2中排土壓坡的外坡比1∶5，坡角11°，壓坡土體下部透水大石塊層厚2～3m。尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)各巖土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。邊界條件為：尾礦庫(kù)后側(cè)即庫(kù)區(qū)尾水澄清區(qū)取為定水頭邊界，水頭高度為計(jì)算模型高度；尾礦水的滲流出逸點(diǎn)取為尾礦庫(kù)初期壩的外坡腳處，該處邊界條件也取為定水頭，水頭高度與初期壩外坡腳平齊。計(jì)算類(lèi)型為穩(wěn)定滲流。

圖1 無(wú)排土壓坡的尾礦庫(kù)有限元模型

圖2 有排土壓坡的尾礦庫(kù)有限元模型

表1 有限元模型材料計(jì)算參數(shù)

2.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

選取壩體坡比最大的斷面即最危險(xiǎn)斷面作為壩體穩(wěn)定性的計(jì)算斷面，即只要此斷面滿足安全要求，則可認(rèn)為整個(gè)尾礦庫(kù)都處于安全狀態(tài)。

2.2.2.1 排土壓坡對(duì)壩體浸潤(rùn)線影響分析

圖3為有、無(wú)排土壓坡時(shí)的尾礦庫(kù)壩體浸潤(rùn)線圖。從圖3中可以看出，由于排土壓坡的存在，改變尾礦壩原有排滲結(jié)構(gòu)，從而改變了尾礦庫(kù)原本的滲流場(chǎng)，使得原尾礦壩壩體的浸潤(rùn)線的埋深有了較大升高，浸潤(rùn)線已經(jīng)位于基礎(chǔ)壩之上。但由于壓坡土體底部2～3m厚石塊透水層的存在，尾礦庫(kù)的積水可以從石塊透水層中排出，不會(huì)造成壓坡土內(nèi)的大量積水。

圖3 兩種不同工況下的尾礦庫(kù)壩體浸潤(rùn)線

2.2.2.2 排土壓坡對(duì)壩體孔隙水壓力影響分析

圖4為有、無(wú)排土壓坡的尾礦庫(kù)壩體孔隙水壓力圖。無(wú)排土壓坡的尾礦庫(kù)壩體孔隙水壓力范圍為-503.4kPa～882.6kPa，而有排土壓坡的尾礦庫(kù)壩體孔隙水壓力范圍變?yōu)?535.8kPa～882.6kPa。即，尾礦壩外排土壓坡后，壩體底部所受到的壓力明顯增高，但是壩體表層的壓力卻明顯減小，這表明礦壩外排土壓坡提高了尾礦壩砂體部分的穩(wěn)定性。

圖4 兩種不同工況下的尾礦庫(kù)壩體孔隙水壓力

2.2.2.3 排土壓坡對(duì)壩體抗滑安全系數(shù)影響分析

圖5為有、無(wú)排土壓坡的尾礦庫(kù)壩體整體抗滑安全系數(shù)以及壓坡土體自身穩(wěn)定性分析結(jié)果。從圖5可知，排土壓坡后，尾礦壩壩體的抗滑安全系數(shù)由1.225增加至1.915，整個(gè)壩體的穩(wěn)定性有了較大提高。壓坡土體自身的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為1.496，高于《金屬非金屬礦山排土場(chǎng)安全生產(chǎn)作業(yè)規(guī)則》(AQ2006-2005)[4]對(duì)正常排土場(chǎng)抗滑安全系數(shù)1.15的要求。

2.2.2.4 壓坡土體對(duì)壩體滲透性影響分析

排土壓坡后，尾礦壩的整體排滲取決于壓坡排土體底層的排滲效能，為了提高排土壓坡體的排滲性能，要求在清理排土體底層第四系腐殖土的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)2～3m大塊石層。如若出現(xiàn)壓坡土體底層的排滲效果較差或壩體底部第四系土清理不徹底時(shí)的尾礦庫(kù)滲流及壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖5 兩種不同工況下的尾礦庫(kù)壩體抗滑穩(wěn)定性

圖7 尾礦壩抗滑穩(wěn)定性分析

圖7為排土體排滲效果較差時(shí)的壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果，可以看出當(dāng)排土體排滲效果較差時(shí)，尾礦壩整體安全系數(shù)下降為1.564，壓坡土體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)降低為1.028。實(shí)際上，此時(shí)的壓坡土體已具備發(fā)生滑坡、坍塌的可能。

以上分析表明：壓坡土底部的石塊層的排滲效果較差或壩底第四系腐殖土清理不徹底時(shí)，則極易造成壓坡土體內(nèi)的含水量增加，滲潤(rùn)線升高，最終可能引發(fā)排土體坍塌、滑坡，甚至誘發(fā)尾礦壩發(fā)生垮壩的危險(xiǎn)。為了使壓坡排土體有著良好的排滲效能，應(yīng)清理底層植被和第四系軟弱層土(《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB16423-2006)[5]第5.7.2規(guī)定)，并在其上鋪設(shè)2～3m大塊石層是保證壓坡成功的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

1)尾礦壩外排土壓坡后可以提高尾礦壩安全穩(wěn)定性，尾礦庫(kù)壩體的抗滑安全系數(shù)由1.628增加至1.915，壓坡土體抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.496。

2)排土體底層是否具有良好的排水性能和排土體自身是否具有較高的抗滑穩(wěn)定性，是排土壓坡是否可行的關(guān)鍵所在。

3)為了保證壓坡排土體有著良好的排滲效能，必須清理底層植被和第四系軟弱層并在其上鋪設(shè)2～3m塊石層，排土壓坡體的邊坡角以不陡于尾礦壩邊坡角為宜。

[1] 昝世明，樊赟赟，萬(wàn)江，等.礦山泥石流災(zāi)害防治研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013(2)：93-96.

[2] 莫江，張世雄.露天礦排土壓坡護(hù)坡力學(xué)原理的研究[C].采礦科學(xué)技術(shù)前沿論壇論文集，2006：47-50.

[3] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn).尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程(AQ2006-2005)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[4] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn).金屬非金屬礦山排土場(chǎng)安全作業(yè)規(guī)則(AQ2005-2005)[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[5] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn).金屬非金屬礦山安全規(guī)程(GB16423-2006)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.