唐山地區某鐵選廠尾礦庫壩體滲流、穩定性分析研究

劉敏+朱曉敬

摘 要 主要介紹唐山某鐵選廠尾礦庫現狀，對尾礦壩體進行滲流計算，根據計算結果選用瑞典條分法對壩體進行穩定性分析，計算出安全系數，并提出相應的結論和建議。

關鍵詞 尾礦壩；瑞典條分法；安全系數

中圖分類號：TV649 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0090-02

尾礦壩是一種人造的具有高勢能的泥石流形成區，其安全運行直接關系到下游人民的生命財產安全和庫區周邊地區的生態環境。對尾礦壩進行穩定性分析計算，可以提高尾礦庫的安全程度和使用單位的安全管理水平，降低安全風險，預防事故發生，為安全監督管理部門提供執法參考依據，以便有目的地進行日常監管，同時也為尾礦庫設計部門提供設計依據。本文主要對唐山地區某鐵選廠尾礦庫壩體安全穩定性進行分析與評價。

1 尾礦庫壩體現狀及運行情況

鐵選廠尾礦庫位于灤河下游兩山之間一自然河流中，按尾礦庫類型劃分屬于截河型尾礦庫，按后期筑壩方式劃分屬于上游式尾礦壩。尾礦庫于2007年6月建成。

現狀初級壩為碾壓山坡土石壩，外坡面堆壓廢礦石，壩頂、壩底平均高程分別為171.52 m、156.08 m，平均壩高為15.44 m，壩頂寬度10 m，壩軸線長120 m，內坡、外坡比分別為1：1.6、1：1.26。現狀堆積壩西部由尾細砂與碎石混合堆積而成，中部與東部由尾細砂堆積而成，堆積壩表面覆蓋山皮土。壩頂平均高程為178.12 m，堆積高度6.6 m，壩頂寬度為20 m，內坡、外坡比分別為1：1.5、1：1.2。壩外坡有一級馬道，馬道寬度4.5 m，頂部平均高程176.07 m。

現狀尾礦庫排水系統由排水井、排水管、隧洞組成。排水井由兩根排水管對接而成，深入到隧洞約2 m。尾礦庫北端有一敞開式溢洪道，與初期壩同時建成。溢洪道與初級壩之間有漿砌石導水墻，溢洪道長16 m，寬5 m。一期溢洪道底面高程169.50 m，二期溢洪道頂高程為172.5 m。壩內干灘長度為268.9 m。浸潤線，上游起點高程為172.58 m，下游出漏位置在初級壩下部，高程總體較低。

目前該尾礦庫年產生尾礦9.64×104 t，尾礦庫存量2.64×104 m3，堆積壩體以每年4 m的速度上升。

2 尾礦庫壩體勘察設計情況

經過尾礦庫區勘察，上部地層主要為尾礦砂，中部地層為第四系山間沖洪積地層，下部地層為太古代片麻巖。場區自上而下可劃分為五個工程地質層：尾粉質粘土層，屬中等～高壓縮性土，僅分布于庫區東北側。尾細砂層、細砂層，分布于庫區大部分地區。堆積壩清基時已挖除。碎石層，為初級壩的壩基。風化片麻巖，在庫區分布較為廣泛，為壩基下臥層。現場踏勘工作中發現在初級壩外坡底部有少量滲水現象，滲水清澈，含少量尾粉砂，并造成外坡壩基局部有輕微沼澤化。

尾礦庫設計總壩高28 m，總庫容97.34×104 m3，堆積壩內坡、外坡比分別為1：50、1：5，防洪標準為100a。

3 壩體滲流計算及物理力學參數的選擇

首先采用有限單元法對尾礦壩滲流進行分析計算，對正常水位、洪水位分別進行了計算，求出壩體浸潤線、孔隙水壓力、逸出坡降和滲流量等參數。洪水位準流網計算結果見圖1。滲流計算結果見表1。

圖1 洪水位準流網圖

表1 滲流計算結果表

計算工況條件 干灘長度（m） 上游水位高程

（m） 下游水位高程

（m） 滲流量

（m3/d）

正常水位 268.9 172.58 148.19 4.50

洪水位 83.93 174.55 148.19 11.78

4 壩體穩定性的計算

壩體處于穩定滲流期，通常采用的計算方法有瑞典條分法、畢肖普法、替代法。本文采用瑞典條分法中的有效應力法，公式來自于《碾壓式土石壩設計規范》（DL/T 5395-2007）。計算公式如下：

K= （1）

u=ui-rwZ （2）

式中：K-抗滑安全參數；W-土條重力；Q、V-分別為地震水平和垂直地震慣性力；u-作用在土條底面的孔隙壓力；α-條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角； b-土條寬度；-土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc-地震水平慣性力對圓心的力矩；R-圓弧半徑；ui-穩定滲流期的孔隙壓力；rw-水容重。

對尾礦壩穩定性分析時考慮了正常水位運行、洪水位運行、特殊運行三種情況。壩體不同工程地質層的物理力學參數見表2。

從初級壩底（156.08米）到堆積壩壩頂（178.12米），對22.04米高差內的所有滑動面進行了計算，求出了安全系數最小的潛在滑動面及相應參數，見表3。特殊運行條件下滑動面計算建模圖見圖2。

表3 潛在滑動面計算結果表

計算工況條件 計算考慮的荷載 滑動

半徑

（m） 總的

下滑力

（kn） 總的

抗滑力

（kn） 抗滑穩定最小系數 規范要求抗滑穩定最小系數

正常運行 壩體自重、正常運行期水位滲透壓力 23.14 643.2 746.3 1.16 1.15

洪水運行 壩體自重、最高洪水位滲透壓力 25.12 675.5 774.8 1.14 1. 05

特殊運行 壩體自重、最高洪水位滲透壓力、

地震慣性力 25.12 695.0 760.5 1.09 1.00

圖2 特殊運行條件下滑動面計算建模圖

該尾礦庫壩高22.04 m（初級壩與堆積壩之和），屬于五等庫，根據《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006-2005）規定，正常、洪水、特殊運行抗滑穩定最小安全系數分別為1.15、1.05、1.00，本次算出的壩坡抗滑穩定安全系數不小于規范中壩坡抗滑穩定最小安全系數規定的數值，故可以認定該尾礦壩穩定可靠，滿足規范要求。

5 結論

經過計算，壩體的穩定性系數符合相關規范要求，但影響尾礦壩穩定性的因素有很多，就算經過詳細的計算論證，也不能就斷定壩體非常安全，切不可掉以輕心，下面提出一些建議，可進一步提高壩體的穩定性。

1）現狀初級壩外坡坡腳有滲水現象，可對初級壩外側邊坡進行碎石護坡，并鋪設土工布反濾層，護坡比不小于1：2。

2）為避免堆積壩壩肩被雨水沖刷，可設置壩坡排水溝進行排水，并加強對護坡的日常維護。

3）要經常檢查尾礦庫的排水設置，確保設施完好，汛期干灘長度應大于80米，必要時可增加臨時排洪設備。良好的排水系統可以降低壩內浸潤線的高度，提高壩體穩定性。

4）日常巡視中應重點檢查壩體是否有滲水、流土、管涌等現象，對壩體位移變形、裂縫及壩體內浸潤線的高度要進行長期監測，發現異常情況應立即報告上級主管、設計等相關部門，及時采取技術措施，防止險情的擴大。

參考文獻

[1]《金屬非金屬礦山安全》編委會.金屬非金屬礦山安全[M].湖北科學技術出版社，2003：211-215.

[2]AQ2006-2005尾礦庫安全技術規程[S].

[3]DL/T 5395-2007碾壓式土石壩設計規范[S].endprint

摘 要 主要介紹唐山某鐵選廠尾礦庫現狀，對尾礦壩體進行滲流計算，根據計算結果選用瑞典條分法對壩體進行穩定性分析，計算出安全系數，并提出相應的結論和建議。

關鍵詞 尾礦壩；瑞典條分法；安全系數

中圖分類號：TV649 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0090-02

尾礦壩是一種人造的具有高勢能的泥石流形成區，其安全運行直接關系到下游人民的生命財產安全和庫區周邊地區的生態環境。對尾礦壩進行穩定性分析計算，可以提高尾礦庫的安全程度和使用單位的安全管理水平，降低安全風險，預防事故發生，為安全監督管理部門提供執法參考依據，以便有目的地進行日常監管，同時也為尾礦庫設計部門提供設計依據。本文主要對唐山地區某鐵選廠尾礦庫壩體安全穩定性進行分析與評價。

1 尾礦庫壩體現狀及運行情況

鐵選廠尾礦庫位于灤河下游兩山之間一自然河流中，按尾礦庫類型劃分屬于截河型尾礦庫，按后期筑壩方式劃分屬于上游式尾礦壩。尾礦庫于2007年6月建成。

現狀初級壩為碾壓山坡土石壩，外坡面堆壓廢礦石，壩頂、壩底平均高程分別為171.52 m、156.08 m，平均壩高為15.44 m，壩頂寬度10 m，壩軸線長120 m，內坡、外坡比分別為1：1.6、1：1.26。現狀堆積壩西部由尾細砂與碎石混合堆積而成，中部與東部由尾細砂堆積而成，堆積壩表面覆蓋山皮土。壩頂平均高程為178.12 m，堆積高度6.6 m，壩頂寬度為20 m，內坡、外坡比分別為1：1.5、1：1.2。壩外坡有一級馬道，馬道寬度4.5 m，頂部平均高程176.07 m。

現狀尾礦庫排水系統由排水井、排水管、隧洞組成。排水井由兩根排水管對接而成，深入到隧洞約2 m。尾礦庫北端有一敞開式溢洪道，與初期壩同時建成。溢洪道與初級壩之間有漿砌石導水墻，溢洪道長16 m，寬5 m。一期溢洪道底面高程169.50 m，二期溢洪道頂高程為172.5 m。壩內干灘長度為268.9 m。浸潤線，上游起點高程為172.58 m，下游出漏位置在初級壩下部，高程總體較低。

目前該尾礦庫年產生尾礦9.64×104 t，尾礦庫存量2.64×104 m3，堆積壩體以每年4 m的速度上升。

2 尾礦庫壩體勘察設計情況

經過尾礦庫區勘察，上部地層主要為尾礦砂，中部地層為第四系山間沖洪積地層，下部地層為太古代片麻巖。場區自上而下可劃分為五個工程地質層：尾粉質粘土層，屬中等～高壓縮性土，僅分布于庫區東北側。尾細砂層、細砂層，分布于庫區大部分地區。堆積壩清基時已挖除。碎石層，為初級壩的壩基。風化片麻巖，在庫區分布較為廣泛，為壩基下臥層。現場踏勘工作中發現在初級壩外坡底部有少量滲水現象，滲水清澈，含少量尾粉砂，并造成外坡壩基局部有輕微沼澤化。

尾礦庫設計總壩高28 m，總庫容97.34×104 m3，堆積壩內坡、外坡比分別為1：50、1：5，防洪標準為100a。

3 壩體滲流計算及物理力學參數的選擇

首先采用有限單元法對尾礦壩滲流進行分析計算，對正常水位、洪水位分別進行了計算，求出壩體浸潤線、孔隙水壓力、逸出坡降和滲流量等參數。洪水位準流網計算結果見圖1。滲流計算結果見表1。

圖1 洪水位準流網圖

表1 滲流計算結果表

計算工況條件 干灘長度（m） 上游水位高程

（m） 下游水位高程

（m） 滲流量

（m3/d）

正常水位 268.9 172.58 148.19 4.50

洪水位 83.93 174.55 148.19 11.78

4 壩體穩定性的計算

壩體處于穩定滲流期，通常采用的計算方法有瑞典條分法、畢肖普法、替代法。本文采用瑞典條分法中的有效應力法，公式來自于《碾壓式土石壩設計規范》（DL/T 5395-2007）。計算公式如下：

K= （1）

u=ui-rwZ （2）

式中：K-抗滑安全參數；W-土條重力；Q、V-分別為地震水平和垂直地震慣性力；u-作用在土條底面的孔隙壓力；α-條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角； b-土條寬度；-土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc-地震水平慣性力對圓心的力矩；R-圓弧半徑；ui-穩定滲流期的孔隙壓力；rw-水容重。

對尾礦壩穩定性分析時考慮了正常水位運行、洪水位運行、特殊運行三種情況。壩體不同工程地質層的物理力學參數見表2。

從初級壩底（156.08米）到堆積壩壩頂（178.12米），對22.04米高差內的所有滑動面進行了計算，求出了安全系數最小的潛在滑動面及相應參數，見表3。特殊運行條件下滑動面計算建模圖見圖2。

表3 潛在滑動面計算結果表

計算工況條件 計算考慮的荷載 滑動

半徑

（m） 總的

下滑力

（kn） 總的

抗滑力

（kn） 抗滑穩定最小系數 規范要求抗滑穩定最小系數

正常運行 壩體自重、正常運行期水位滲透壓力 23.14 643.2 746.3 1.16 1.15

洪水運行 壩體自重、最高洪水位滲透壓力 25.12 675.5 774.8 1.14 1. 05

特殊運行 壩體自重、最高洪水位滲透壓力、

地震慣性力 25.12 695.0 760.5 1.09 1.00

圖2 特殊運行條件下滑動面計算建模圖

該尾礦庫壩高22.04 m（初級壩與堆積壩之和），屬于五等庫，根據《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006-2005）規定，正常、洪水、特殊運行抗滑穩定最小安全系數分別為1.15、1.05、1.00，本次算出的壩坡抗滑穩定安全系數不小于規范中壩坡抗滑穩定最小安全系數規定的數值，故可以認定該尾礦壩穩定可靠，滿足規范要求。

5 結論

經過計算，壩體的穩定性系數符合相關規范要求，但影響尾礦壩穩定性的因素有很多，就算經過詳細的計算論證，也不能就斷定壩體非常安全，切不可掉以輕心，下面提出一些建議，可進一步提高壩體的穩定性。

1）現狀初級壩外坡坡腳有滲水現象，可對初級壩外側邊坡進行碎石護坡，并鋪設土工布反濾層，護坡比不小于1：2。

2）為避免堆積壩壩肩被雨水沖刷，可設置壩坡排水溝進行排水，并加強對護坡的日常維護。

3）要經常檢查尾礦庫的排水設置，確保設施完好，汛期干灘長度應大于80米，必要時可增加臨時排洪設備。良好的排水系統可以降低壩內浸潤線的高度，提高壩體穩定性。

4）日常巡視中應重點檢查壩體是否有滲水、流土、管涌等現象，對壩體位移變形、裂縫及壩體內浸潤線的高度要進行長期監測，發現異常情況應立即報告上級主管、設計等相關部門，及時采取技術措施，防止險情的擴大。

參考文獻

[1]《金屬非金屬礦山安全》編委會.金屬非金屬礦山安全[M].湖北科學技術出版社，2003：211-215.

[2]AQ2006-2005尾礦庫安全技術規程[S].

[3]DL/T 5395-2007碾壓式土石壩設計規范[S].endprint

摘 要 主要介紹唐山某鐵選廠尾礦庫現狀，對尾礦壩體進行滲流計算，根據計算結果選用瑞典條分法對壩體進行穩定性分析，計算出安全系數，并提出相應的結論和建議。

關鍵詞 尾礦壩；瑞典條分法；安全系數

中圖分類號：TV649 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0090-02

尾礦壩是一種人造的具有高勢能的泥石流形成區，其安全運行直接關系到下游人民的生命財產安全和庫區周邊地區的生態環境。對尾礦壩進行穩定性分析計算，可以提高尾礦庫的安全程度和使用單位的安全管理水平，降低安全風險，預防事故發生，為安全監督管理部門提供執法參考依據，以便有目的地進行日常監管，同時也為尾礦庫設計部門提供設計依據。本文主要對唐山地區某鐵選廠尾礦庫壩體安全穩定性進行分析與評價。

1 尾礦庫壩體現狀及運行情況

鐵選廠尾礦庫位于灤河下游兩山之間一自然河流中，按尾礦庫類型劃分屬于截河型尾礦庫，按后期筑壩方式劃分屬于上游式尾礦壩。尾礦庫于2007年6月建成。

現狀初級壩為碾壓山坡土石壩，外坡面堆壓廢礦石，壩頂、壩底平均高程分別為171.52 m、156.08 m，平均壩高為15.44 m，壩頂寬度10 m，壩軸線長120 m，內坡、外坡比分別為1：1.6、1：1.26。現狀堆積壩西部由尾細砂與碎石混合堆積而成，中部與東部由尾細砂堆積而成，堆積壩表面覆蓋山皮土。壩頂平均高程為178.12 m，堆積高度6.6 m，壩頂寬度為20 m，內坡、外坡比分別為1：1.5、1：1.2。壩外坡有一級馬道，馬道寬度4.5 m，頂部平均高程176.07 m。

現狀尾礦庫排水系統由排水井、排水管、隧洞組成。排水井由兩根排水管對接而成，深入到隧洞約2 m。尾礦庫北端有一敞開式溢洪道，與初期壩同時建成。溢洪道與初級壩之間有漿砌石導水墻，溢洪道長16 m，寬5 m。一期溢洪道底面高程169.50 m，二期溢洪道頂高程為172.5 m。壩內干灘長度為268.9 m。浸潤線，上游起點高程為172.58 m，下游出漏位置在初級壩下部，高程總體較低。

目前該尾礦庫年產生尾礦9.64×104 t，尾礦庫存量2.64×104 m3，堆積壩體以每年4 m的速度上升。

2 尾礦庫壩體勘察設計情況

經過尾礦庫區勘察，上部地層主要為尾礦砂，中部地層為第四系山間沖洪積地層，下部地層為太古代片麻巖。場區自上而下可劃分為五個工程地質層：尾粉質粘土層，屬中等～高壓縮性土，僅分布于庫區東北側。尾細砂層、細砂層，分布于庫區大部分地區。堆積壩清基時已挖除。碎石層，為初級壩的壩基。風化片麻巖，在庫區分布較為廣泛，為壩基下臥層。現場踏勘工作中發現在初級壩外坡底部有少量滲水現象，滲水清澈，含少量尾粉砂，并造成外坡壩基局部有輕微沼澤化。

尾礦庫設計總壩高28 m，總庫容97.34×104 m3，堆積壩內坡、外坡比分別為1：50、1：5，防洪標準為100a。

3 壩體滲流計算及物理力學參數的選擇

首先采用有限單元法對尾礦壩滲流進行分析計算，對正常水位、洪水位分別進行了計算，求出壩體浸潤線、孔隙水壓力、逸出坡降和滲流量等參數。洪水位準流網計算結果見圖1。滲流計算結果見表1。

圖1 洪水位準流網圖

表1 滲流計算結果表

計算工況條件 干灘長度（m） 上游水位高程

（m） 下游水位高程

（m） 滲流量

（m3/d）

正常水位 268.9 172.58 148.19 4.50

洪水位 83.93 174.55 148.19 11.78

4 壩體穩定性的計算

壩體處于穩定滲流期，通常采用的計算方法有瑞典條分法、畢肖普法、替代法。本文采用瑞典條分法中的有效應力法，公式來自于《碾壓式土石壩設計規范》（DL/T 5395-2007）。計算公式如下：

K= （1）

u=ui-rwZ （2）

式中：K-抗滑安全參數；W-土條重力；Q、V-分別為地震水平和垂直地震慣性力；u-作用在土條底面的孔隙壓力；α-條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角； b-土條寬度；-土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc-地震水平慣性力對圓心的力矩；R-圓弧半徑；ui-穩定滲流期的孔隙壓力；rw-水容重。

對尾礦壩穩定性分析時考慮了正常水位運行、洪水位運行、特殊運行三種情況。壩體不同工程地質層的物理力學參數見表2。

從初級壩底（156.08米）到堆積壩壩頂（178.12米），對22.04米高差內的所有滑動面進行了計算，求出了安全系數最小的潛在滑動面及相應參數，見表3。特殊運行條件下滑動面計算建模圖見圖2。

表3 潛在滑動面計算結果表

計算工況條件 計算考慮的荷載 滑動

半徑

（m） 總的

下滑力

（kn） 總的

抗滑力

（kn） 抗滑穩定最小系數 規范要求抗滑穩定最小系數

正常運行 壩體自重、正常運行期水位滲透壓力 23.14 643.2 746.3 1.16 1.15

洪水運行 壩體自重、最高洪水位滲透壓力 25.12 675.5 774.8 1.14 1. 05

特殊運行 壩體自重、最高洪水位滲透壓力、

地震慣性力 25.12 695.0 760.5 1.09 1.00

圖2 特殊運行條件下滑動面計算建模圖

該尾礦庫壩高22.04 m（初級壩與堆積壩之和），屬于五等庫，根據《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006-2005）規定，正常、洪水、特殊運行抗滑穩定最小安全系數分別為1.15、1.05、1.00，本次算出的壩坡抗滑穩定安全系數不小于規范中壩坡抗滑穩定最小安全系數規定的數值，故可以認定該尾礦壩穩定可靠，滿足規范要求。

5 結論

經過計算，壩體的穩定性系數符合相關規范要求，但影響尾礦壩穩定性的因素有很多，就算經過詳細的計算論證，也不能就斷定壩體非常安全，切不可掉以輕心，下面提出一些建議，可進一步提高壩體的穩定性。

1）現狀初級壩外坡坡腳有滲水現象，可對初級壩外側邊坡進行碎石護坡，并鋪設土工布反濾層，護坡比不小于1：2。

2）為避免堆積壩壩肩被雨水沖刷，可設置壩坡排水溝進行排水，并加強對護坡的日常維護。

3）要經常檢查尾礦庫的排水設置，確保設施完好，汛期干灘長度應大于80米，必要時可增加臨時排洪設備。良好的排水系統可以降低壩內浸潤線的高度，提高壩體穩定性。

4）日常巡視中應重點檢查壩體是否有滲水、流土、管涌等現象，對壩體位移變形、裂縫及壩體內浸潤線的高度要進行長期監測，發現異常情況應立即報告上級主管、設計等相關部門，及時采取技術措施，防止險情的擴大。

參考文獻

[1]《金屬非金屬礦山安全》編委會.金屬非金屬礦山安全[M].湖北科學技術出版社，2003：211-215.

[2]AQ2006-2005尾礦庫安全技術規程[S].

[3]DL/T 5395-2007碾壓式土石壩設計規范[S].endprint