某尾礦庫在線監測設防閥值確定方法

王旭剛

摘 要：尾礦壩作為礦山生產中重要設施，其穩定性至關緊要。文章從壩體滲流、壩體穩定出發，結合在線監測的技術特點，提出了壩體的分級預警及設防閥值指標，并以實例說明了閥值指標在線監測系統中的應用。設防預警閥值的應用，使在線監測系統能夠直接反映出壩體的穩定性狀態，使在線監測更自動化。

關鍵詞：尾礦壩；在線監測；閥值；分級預警

目前我國在尾礦庫的建設及管理方面越來越重視，投入了極大的精力和財力。近些年，尾礦的在線監測項目得到較大范圍的推廣，監測項目包括浸潤線高度及壩體的位移，這2項指標的監測結果大部分只局限用于對比尾礦壩的運行狀態變化上，并沒有直接與壩體的穩定性直接接軌，體現到尾礦壩體的穩定性系數上來。本文通過某尾礦庫的穩定性計算，結合在線監測設備的現場布置，提出壩體穩定性安全預警級別以及在線監測數據的設防預警閥值，使在線監測系統能夠直接反映出壩體的穩定性系數，使在線監測更自動化。

1 尾礦壩體穩定性計算方法

1.1 尾礦壩滲流基本方程

1962年Biot在研究土的固結時，對固結滲流首先進行了研究，其包括描述地下水受外力在土體連通的孔隙通道中運動的運動方程和描述流體質量守恒的連續方程；水為牛頓流體因而達西定律是通用的，因此得到：

上式即為尾礦壩非定量地下水滲流基本方程，也即滲流力學單相不可壓縮流體的滲流方程。

1.2 尾礦壩穩定性計算方法

極限平衡法理論體系中的一種規范推薦的計算方法，同時滿足力與力矩的平衡條件，滑裂面為任意形狀，不局限于圓形滑裂面，計算簡圖見圖1。

將作用在微分條塊上的力對條底中點取力矩平衡，考慮地震作用力時，壩體的安全系數為：

式中，Fs為安全系數；li為條塊寬度；wi為計入滲透壓力后的土條重量，計算時浸潤線以上用天然容重，水位以下用浮容重，浸潤線以下至下游水位間當計算剪切強度時用浮容重，計算剪切力時用飽和容重；Qi為作用在土條重心處的水平慣性力；Qi為作用在土條重心處的豎向慣性力；Mi為土條水平慣性力對滑動中心的力矩，Ci和φi為土的粘聚力和內摩擦角。

2 尾礦壩預警分級

根據尾礦庫運行情況，結合《尾礦堆積壩巖土工程技術規范》（GB50547-2010），做出以下以預警分級：

正常運行：尾礦庫正常運行，各干灘長度、安全超高等各薦指標均滿足規范等相關規定的要求。

一級預警：一個效應量（即單項指標）如干灘長度、浸潤線高度等發生異常。

二級預警：多個效應量（即多項指標）發現異常，壩體穩定性系數小于洪水期規范要求。

三級預警：多個效應量（即多項指標）發現異常，且其變化速率加大時或遇地震時。

3 實例分析

3.1 工程簡介

尾礦壩總壩長為480m，總壩高為60.5m，已堆積尾礦量為4000000m3；壩頂寬度為3.5m，初期壩壩頂標高538m，初期壩壩高為14m，初期壩壩寬為4m，初期壩內外坡比為1：2。依據規范，此壩為三級壩。

3.2 尾礦壩穩定計算結果

對尾礦庫分別進行滲流與穩定性計算，結果如下：

第一，當干灘長度小于規范要求時，滿足一級預警，此時進行滲流及穩定性計算，得到浸潤線及穩定性結果，如圖2所示。

將上述計算結果與規范要求對比，雖然壩體穩定性系數大于規范要求，但干灘長度小于規范要求，此時應啟動一級報警，觀察監測指標（干灘長度）的變化趨勢。

第二，當庫水位達到或接近洪水位時，干灘長度和安全超高均小于規范要求，此時應啟動二級預警，根據庫洪水位進行計算，得到浸潤線及穩定性結果，如圖3所示。

將上述計算結果與規范要求對比，雖然壩體穩定性系數略大于規范要求，但由于壩體此時處于特殊運行狀態，因此密切關注壩體位移的變化情況，確保監測設備的運行正常；加強對壩體的監測，加強巡邏，及時泄洪，且對壩體薄弱處應采取加固措施。

第三，除突出地震等外力因素外，當預警系統啟動二級預警后，應該密切關注各監測指標的變化情況，當多項指標發現異常，且其變化速率加大時應啟動三級預警，及時上報，應由政府出面，通知下游人民撤離，控制事故造成的損失。對于壩體在地震力作用下的穩定性，通過計算，得到浸潤線及穩定性結果，如圖4所示。

計算結果表明，在地震力作用下，壩體的穩定性處于臨界狀態，如果遇到大雨等其它不利因素時，壩體隨時都有垮壩的危險。

3.3 浸潤線各監測點閾值設定

根據尾礦壩各種工況下計算結果，結合在線監測系統的實際布置情況，得出以下浸潤線的預警閥值：

4 結語

在線監測系統能夠實時監測影響壩體穩定的各項關鍵指標，本文結合在線監測的技術特點，從壩體滲流、壩體靜力穩定和壩體動力穩定出發，提出了壩體的分級預警及評價指標，并以實例說明了各項指標在線監測系統中的應用，總結主要有如下幾個特點及有待改進之處：

第一，壩體穩定性計算方法簡單明了，可以實現尾礦壩穩定性評價指標的唯一性，即每個尾礦壩都有各自的穩定性評價指標。

第二，同一壩體可以同時對不同剖面設立不同的穩定性評價指標，從而實現監測整個壩體的穩定性。

第三，壩體堆筑新子壩后可以快速有效的調整各剖面的監控指標。

第四，尾礦壩壩體穩定性計算采用極限平衡法，此法沒有考慮內部的變形和破壞，同時假定滑面的安全系數為常數，忽略了變形和孔隙水壓力的耦合作用，有待改進。

參考文獻

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