綦江鐵礦尾礦庫加高擴容的穩定性研究

呂志濤 靳曉光 李亞勇 王洪科

(1.重慶大學土木工程學院，重慶 400045；2.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400031)

綦江鐵礦尾礦庫加高擴容的穩定性研究

呂志濤1,2靳曉光1,2李亞勇1,2王洪科1,2

(1.重慶大學土木工程學院，重慶 400045；2.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400031)

為研究尾礦庫加高擴容以及浸潤線升高對其穩定性的影響，以重慶綦江鐵礦尾礦庫為研究對象，利用瑞典條分法分別計算現有尾礦庫及其加高擴容后在正常水位及洪水位狀態下的安全系數。計算結果表明，現有尾礦庫在正常水位及洪水位狀態下安全系數分別為1.90、1.63，均大于規范所規定的最小安全系數1.1，洪水位狀態下安全系數較正常水位降低14.21%；尾礦庫加高擴容后在2種水位下安全系數分別為1.27、1.17，尾礦庫加高擴容引起安全系數降低。尾礦庫加高擴容及浸潤線高度升高，導致尾礦庫安全系數有較大降低，幾乎沒有安全儲備，滑動面深度及滑體半徑有顯著增大。因此，建議尾礦庫加高擴容后應控制尾礦庫浸潤線位置，同時增強保護措施，加強監測管理，規范運行，防止尾礦庫發生垮塌事故。

尾礦庫 浸潤線 瑞典條分法 安全系數

尾礦庫是用以貯存金屬非金屬礦山礦石選別后排出尾礦或其他工業廢渣的場所，是礦山三大控制性工程之一[1]。我國尾礦庫數量多、規模小、安全度水平低，許多中小尾礦庫未經過正規設計[2]。據統計資料，我國在已經確定安全度的1 035座尾礦庫中，正常庫共643座，占總數的62.1%；非正常庫共392座，占總數的37.9%，其中危庫61座，占總數的5.9%；險庫共69座，占總數的6.7%；病庫共262座，占總數的25.3%[3]。大量資料表明，自建國以來，我國發生較嚴重的尾礦庫災害事故有11例，累計造成654人死亡(含失蹤)，經濟損失嚴重[4]。我國安監局對2001年以來尾礦庫事故發生的原因情況統計得出：洪水漫頂引起的事故占事故總數的23%，為尾礦庫發生破壞的主要誘因。隨著礦山的快速發展，許多已有尾礦庫都面臨加高擴容的情況。因此，研究尾礦庫加高擴容及庫區浸潤線升高對其穩定性的影響具有十分重要的現實意義。

極限平衡法和數值分析法是尾礦庫穩定性分析的主要方法。極限平衡法[5]是目前最經典的確定性分析方法，1916年由彼德森提出。極限平衡分析方法具有分析模型簡單、計算公式簡單、可以解決各種復雜剖面形狀和考慮各種加載形式等優點，在工程中獲得廣泛應用[6-7]。尾礦庫的浸潤線有尾礦庫的生命線之稱[8]，我國尾礦庫設計規范中規定：在作壩體抗滑穩定分析時，浸潤線須按正常運行和洪水運行2種工況分別給出。許多學者研究了浸潤線位置對尾礦庫穩定性的影響[9-11]。

為研究綦江尾礦庫加高擴容的可行性，利用瑞典條分法分別計算現有尾礦庫在正常水位和洪水位下的安全系數，以及加高擴容之后尾礦庫在正常水位和洪水位下的安全系數，為尾礦庫安全運行管理提供參考依據，具有重要的工程意義。

1 工程概況

綦江鐵礦原尾礦庫工程始建于20世紀70年代初，尾礦庫周圍有重要的交通設施和居民聚集居住區，一旦發生事故影響重大。為滿足現階段尾礦庫存放尾礦的條件和根據業主的要求，需要對尾礦庫進行加固、加高擴容。擴容后延長尾礦庫的服務年限15～20 a，最終堆積標高達555 m，屆時總壩高達118 m。根據《ZBJ1—90 選礦廠尾礦設施設計規范》，綦江尾礦庫為三等庫。

2 尾礦庫浸潤線位置

綦江鐵礦尾礦庫位于陡峭狹長的溝谷內，地形蜿蜒曲折，對堆積壩坡穩定有利。穩定計算剖面經過分析比較，最終選定相對最不利于穩定的Ⅰ-Ⅰ剖面進行分析(如圖1)。

圖1 穩定分析斷面平面

根據《ZBJ1—90 選礦廠尾礦設施設計規范》，壩體上游最高水位位置可依據上游式尾礦壩最小安全超高與最小灘長的規定確定，下游自由溢出點位置根據現場觀測確定，經觀測尾礦庫下游自由溢出點位于初期堆石壩壩腳部位。由于尾礦場內部地形起伏、溝谷曲折，在確定現狀剖面的浸潤線時，考慮到滲流水流的主流還是沿主河溝方向流動，所以滲流計算斷面選取通過初期壩而沿主河溝的斷面，根據地質剖面圖繪出現狀條件相應確定坡面的浸潤線。現有尾礦庫和其加高擴容后在正常水位和洪水位狀態下的浸潤線位置分別如圖2、圖3所示。

圖2 現有尾礦庫浸潤線示意

圖3 尾礦庫加高擴容后浸潤線示意

3 極限平衡分析

3.1 計算荷載及安全系數取值

根據《選礦廠尾礦設施設計規范》確定不同運行狀態下尾礦庫極限平衡所采用的荷載。本文選用最不利狀態荷載組合進行尾礦庫極限平衡計算。根據相關規范規定，三級尾礦庫正常水位和洪水位狀態下最小安全系數分別為1.20和1.10。

3.2 物理力學計算參數

根據室內試驗及綦江尾礦庫地勘資料，綦江尾礦庫壩體穩定分析時所采用的物理力學參數見表1。

3.3 計算結果分析

3.3.1 現有尾礦庫安全系數

現有尾礦庫在正常水位及洪水位狀態下計算結果圖4所示。可以看出，滑動面呈圓弧形，正常水位狀態下現有尾礦庫滑動面分布較淺，位于浸潤線上方，滑動體體積較小；洪水位狀態下，滑動面位置顯著加深，位于浸潤線位置下方，且滑體體積及半徑較洪水位狀態有顯著增大。同時可以看出，2種水位狀態下現有尾礦庫的滑動面位于初期壩和一期子壩的交接位置，從堆石體壩體剪出破壞。這主要是由于現有堆積體對尾礦庫的初期壩有較大的水平推力，且初期壩為堆石壩，堆填料處于松散狀態，受堆積體水平推力初期壩發生剪切破壞。正常水位狀態下現有尾礦庫安全系數為1.90，滑體半徑為32 m；洪水位狀態下現有尾礦庫安全系數為1.63，滑體半徑為57 m。洪水位狀態下安全系數較正常水位狀態降低14.21%，滑體半徑增大78.13%。由此可見浸潤線升高使得尾礦庫安全系數顯著降低，且滑體半徑顯著增大。現有尾礦庫正常水位及洪水位狀態下安全系數均大于規范允許值，現有尾礦庫處于穩定狀態，且具有加高擴容的空間，但應注意浸潤線位置對尾礦庫穩定性的影響，同時加強堆石壩的加固措施，避免堆石壩處發生剪切破壞。

表1 材料物理力學參數

圖4 現有尾礦庫的計算結果

3.3.2 尾礦庫加高擴容后安全系數

尾礦庫擴容后正常水位及洪水位狀態下計算結果如圖5所示。從中可以看出，滑動面呈圓弧形，尾礦庫加高擴容后滑動面位于上部堆積體內，這主要是由于隨著堆積體高度升高，堆積體浸潤線也提高，浸潤線逸出導致初期壩坡滲流、管涌，致使坡面飽和松散，直到堆積體塌滑。

圖5 尾礦庫加高擴容后的計算結果

此外，正常水位狀態下尾礦庫安全系數為1.27，滑體半徑92 m；洪水位狀態下安全系數1.17，滑體半徑92 m。洪水位狀態下，尾礦庫安全系數較正常水位降低7.87%，浸潤線升高時尾礦庫安全系數有所降低。尾礦庫加高擴容后，較現有尾礦庫在2種水位下安全系數分別降低33.16%與28.22%，滑體半徑分別增大187.5%與61.4%。通過以上分析可知，尾礦庫加高擴容后，尾礦庫的滑動面位置加深，滑體半徑增大；浸潤線位置的提高使得尾礦庫安全系數降低，但浸潤線位置的改變并不對滑動面產生影響。尾礦庫擴容后安全系數均大于規范規定的1.1，尾礦庫在最終堆積狀態下也是安全的，這雖然說明尾礦庫進行加高擴容延長服務時間是可行的，但是其安全系數較低，幾乎沒有安全儲備，這種情況下應加強安全監測管理，規范運行，防止事故的發生。

4 結 論

(1)現有尾礦庫在正常水位和洪水位狀態下安全系數分別為1.90與1.63，浸潤線提高使得安全系數顯著降低。現有尾礦庫安全系數大于規范規定的最小安全系數，尾礦庫處于安全狀態，具備加高擴容的空間。

(2)尾礦庫加高擴容后在正常水位和洪水位狀態下安全系數分別為1.27與1.17，尾礦庫加高擴容使得安全系數顯著降低。滑裂面位于上部堆積體，且滑體深度及滑體半徑較現有尾礦庫顯著增大。

(3)尾礦庫加高擴容和浸潤線位置提高均會對尾礦庫安全系數造成不利影響，現有尾礦庫安全系數大于規范允許值，具有加高擴容的空間。尾礦庫加高擴容后安全系數仍大于規范規定的最小安全系數，但安全系數較低，幾乎沒有安全儲備。尾礦庫加高擴容后，應控制尾礦庫浸潤線位置高度，同時加強安全監測管理，規范運行，防止尾礦庫發生垮塌事故。

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(責任編輯 徐志宏)

Research on Stability of Tailing Pond in Qijiang Iron Mine After Storage capacity Enlarging

Lu Zhitao1,2Jin Xiaoguang1,2Li Yayong1,2Wang Hongke1,2

(1.CollegeofCivilEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing，400045，China;2.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaoftheMinistryofEducation，ChongqingUniversity,Chongqing400030，China)

Qijiang Iron Mine's tailing pond is selected as an object to study the effect of capacity dilatation and saturation line increase on the stability of tailing pond.Safety factors of the orginal tailing pond and the tailing pond after enlarging capcacity under normal water level and flood level are calculated by using Sweden slicing method.As a result，the safety factor of the present tailing pond under normal water level and flood level are 1.90 and 1.63 respectively，which are all greater than 1.1 that is the minimum safety factor stipulated by the corresponding specifications.The safety factor under flood level decreases by 14.21%，compared to that under normal water level.Safety factor of tailing pond after enlarging capacity under two water levels are 1.27 and 1.17，so the enlarging results in the lower safety factor.It can be seen that the safety factor of tailing pond decreases with the increase of storage capacity and saturation line；however，the volume and radius of the sliding body increase largely.Although the safety factor of the tailing pond after enlarging capacity is still greater than the minimum safety factor，it has little emergency capacity.Thus，it is suggested that the saturation line of the tailing should be controlled after enlarging capacity，and the protective measures and monitoring management should be enhanced to avoid the happen of accidents after enlarging the capacity of tailing pond.

Tailing pond，Saturation line，Sweden slice method，Safety factor

2014-11-26

重慶市應用開發項目(編號:CSTC2013YYKFA30003)。

呂志濤(1990—)，男，碩士研究生。

TD21

A

1001-1250(2015)-03-183-04