尾礦壩破壞作用機理及影響因素分析

高飛達　孫　亮　劉　璐

（1.青島理工大學土木工程學院，山東　青島　266033；2.中建三局集團有限公司，湖北　武漢　430000；3.裕龍集團有限公司，山東　青島　266033）

尾礦壩破壞作用機理及影響因素分析

高飛達1孫亮2劉璐3

（1.青島理工大學土木工程學院，山東青島266033；2.中建三局集團有限公司，湖北武漢430000；3.裕龍集團有限公司，山東青島266033）

尾礦壩是礦山的一個重大危險源，一旦發生尾礦壩潰壩事故，將造成重大的人員傷亡、財產損失和環境污染。分析尾礦壩各種不同形式的破壞，研究尾礦壩破壞作用機理及影響因素，并提出尾礦壩事故的預防措施，為尾礦壩安全保護與潰壩防治提供理論與技術支持，推動礦山安全生產、科學管理、增值增效、科學創新和技術進步的進程。

尾礦壩；潰壩；作用機理；影響因素；預防措施

我國尾礦壩事故時有發生，山西省臨汾市襄汾縣境內的山西新塔礦業有限公司尾礦庫于2008年9月8日7:58發生潰壩事故，致277人死亡、4人失蹤、33人受傷，直接經濟損失達9 619.2萬元。對我國自1960年以來，有統計資料的尾礦庫故進行分析，自1960-2016年，我國共發生尾礦庫事故100起。這些事故中，主要有滲透破壞、洪水漫頂、地震液化3種破壞形式。尾礦壩往往處于高勢能狀態，導致尾礦壩失效潰壩后問題非常嚴重，致使下游發生大量的人員傷亡。因此，對尾礦壩的破壞作用機理和影響因素研究意義重大，國內外學者對此做了諸多研究［1］。

本文首先研究尾礦壩各種形式破壞機理；其次分析各種破壞的影響因素，提出必須對這些影響因素加以控制，保障尾礦壩安全穩定運行；最后提出預防措施，為完善和提高尾礦庫安全評價和安全管理水平奠定基礎。

1　尾礦壩各種形式破壞機理

1.1滲透破壞

尾礦庫投入生產后，隨著排尾工作的進行，在壩體上游水壓力作用下，水就會通過壩體孔隙和壩基的巖體裂縫產生流動，即滲流。滲流的存在，水會對尾礦砂等施加一種力，即滲流壓力。當庫水位升高后，尾礦壩內滲透壓力也會隨之提高，一旦滲透壓力大于尾礦砂間的黏結強度，壩體內部結構出現通道和空間時，滲流作用就會導致尾礦壩發生管涌、流沙、潛蝕等滲透破壞。

1.2洪水漫頂

洪水漫頂引發尾礦壩潰壩的機理是：當水位超過壩頂后，水流通過壩體潰口處流出，水流流到潰口處時，水頭坡降、流速和牽引壓力迅速增加，那么就會在壩頂處不斷侵蝕壩體，導致潰口的產生和擴大，這一過程將一直持續到水庫放空或者壩體能抵抗得住水流的進一步侵蝕為止。潰口在橫向、垂向同時發展變化，隨著時間的推移，由于斜坡失去穩定性導致的坍塌而引起壩頂部潰口逐漸擴大，最終導致潰壩。

1.3地震液化

地震發生時會產生縱波和橫波。縱波首先抵達，會使浸潤線以下的飽和尾砂在豎直方向重復振動，隨后抵達的橫波，會使飽和尾砂在水平方向受到重復剪切，使得尾砂發生反復的變形，粗細尾砂重新分布，粒徑分布更加均勻，導致尾砂孔隙率不斷減小，密實度增大，孔隙水壓力將部分承擔尾砂之間的接觸應力。當孔隙水壓力大于原分布的靜水壓力時，尾砂的有效應力將逐漸減少。隨著地震的進一步發展，孔隙水壓力與尾砂浸潤線之上的上覆有效應力一樣時，尾砂的抗剪強度完全喪失，尾砂像流體一樣流出，壩體隨之傾覆，潰壩就不可避免。

2　尾礦壩破壞的影響因素

2.1滲透破壞影響因素

壩體滲透破壞的發生應具備2個條件，一是壩體內部存在滲漏通道，二是實際滲透坡降大于壩體抗滲能力，出現壩體集中滲漏。尾礦庫投入生產運行后，勘探、設計和施工已不能更改，所以要防止滲透破壞的發生。要從日常生產管理方面入手，即控制庫水位、延長干灘長度、降低浸潤線和堅持均勻放礦。可量化的指標主要是庫水位、干灘長度和浸潤線，需要嚴格控制和重點監測這些指標。

2.2洪水漫頂影響因素

引發尾礦庫洪水漫頂的原因主要有三類：一是尾礦庫抗洪能力不足，包括庫水位過高、干灘長度不足、灘頂發生沉降和遭遇超注洪水；二是泄洪能力不足，包括排水設施淤堵、干灘長度不足、降雨或冰雪融化和庫水位過高；三是管理或應急措施不當。引起洪水漫頂的因素包含設計、施工和日常生產管理和周邊環境影響四個方面。同樣，從日常生產管理和周邊環境控制方面入手，即降低水位、延長干灘、實時監測泄流量和大氣降雨量。可量化的指標主要是庫水位、干灘長度、安全超高、排洪系統泄流量和降雨量，所以必須嚴格將這些指標控制在安全范圍之內。

2.3地震液化影響因素

尾礦砂在地震條件下強度變得很低，動剪應力比變化范圍小，地震時更易發生液化破壞。尾礦砂液化是很復雜的，其產生、發展受到尾礦砂的物理性質、受力狀態和邊界條件所影響。影響因素主要有：動荷載條件，主要指動荷載的頻率、振幅、波型、持續時間和多向振動等；埋藏條件，主要指上覆土層厚度、應力歷史、尾礦砂的滲透系數、浸潤線高度、排滲路徑及排滲邊界條件等；尾礦砂土性條件，主要指尾礦砂的顆粒組成、顆粒形狀、土的密度、膠結狀況及顆粒排列狀況等。要保證尾礦砂不被液化，要保證堆積密實度、降低庫水位、提高浸潤線埋深、進行削坡壓坡等。可量化指標主要是堆積密實度、庫水位和浸潤線埋深。

3　尾礦壩事故的預防

3.1做好勘察設計

在尾礦壩設計前，要根據尾礦壩址的地形和地質資料，選擇最佳的壩型和壩材。尾礦壩的勘察設計必須按《選礦廠尾礦設施設計規程》的有關規定進行，同時還應符合國家和地方環保、衛生、水電、建筑及其他有關部門現行的有關標準、規范或規定。

3.2嚴格管理筑壩施工

尾礦壩筑壩過程中應嚴格遵循有關規定，嚴格執行國務院規定的設計文件審批制度和有關基本建設程序的有關規定，施工必須按設計要求施工，做好施工檢驗及記錄，并制定好竣工驗收制度。

3.3加強日常生產管理

安排值班人員加強值班巡視，切實做好尾礦壩管理工作，發現事故隱患，盡快采取措施，以免擴大和惡化；加強尾礦壩在線監測檢查，通過壩體沉降、位移、浸潤線等的監視，掌握壩體安全狀況，消除隱患；做好防洪排洪工作，必須在汛期前對排洪、排水設施進行全面檢查，尤其是進出水口等關鍵部位，做好值班巡視，排洪口處設專人監視，密切注意庫內水情變化和壩體兩側溝谷地表徑流狀態，發現問題及時預警和給出相應的處理方案。

3.4安裝在線監測系統

安裝尾礦壩在線監測預警系統實現在線監測，對壩體位移、浸潤線、庫水位、庫區雨量、干灘長度、流量和水質實施在線監測，并對監測數據進行完善的集中分析處理，判斷尾礦庫的運行條件，對尾礦庫安全隱患進行報警。

4　結論

本文著重研究了尾礦壩破壞作用機理及影響因素，得到以下結論：①分析尾礦壩滲透破壞、洪水漫頂和地震液化的作用機理，提出了其導致尾礦庫破壞的失效機制；②指出了導致尾礦壩各種形式破壞的影響因素；③提出各種尾礦壩破壞形式的可量化指標，須將這些指標控制在安全范圍內，這對安全監管部門和企業的尾礦壩安全管理工作起指導作用；④提出要從尾礦壩勘察設計、尾礦壩建筑施工、日常生產管理、尾礦壩在線監測四點預防尾礦壩事故的發生。

Analysis on the Failure Mechanism and Influencing Factors of Tailings Dam

Gao Feida1Sun Liang2Liu Lu3
（1.School of Civil Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong 266033；2.China Construction Third Engineering Bureau Co.Ltd.，Wuhan Hubei 430000；3.Yulong Group Co.Ltd.，Qingdao Shandong 266033）

Tailings dam is a major source of dangerous mines，once the tailing dam accident，it will result in significant casualties，property damage and environmental pollution.So，various forms of destruction of the tailings dam were analyzed，the failure mechanism and influencing factors of tailings dam was studied，and preventive measures tailings dam accidents were proposed，to provide theoretical and technical support for the safety protection and dam break prevention of tailings dam，and promote the process of mine safety production，scientific management，value-added efficiency，scientific innovation and technological progress.

tailings dam；dam break；destruction mechanism；influence factors；preventive measures

TV649

A

1003-5168（2016）05-0090-02

2016-04-21

國家自然科學基金資助項目（51374135）。

高飛達（1991-），男，碩士，研究方向：巖土工程。

［1］鄭欣，秦華禮，許開立.導致尾礦壩潰壩的因素分析［J］.中國安全生產科學技術，2008（1）：51-54.