尾礦壩邊坡地質勘查及穩定性研究

陳 冬 華

(華北地質勘查局 五一四地質大隊，河北 承德 067000)

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尾礦壩邊坡地質勘查及穩定性研究

陳 冬 華

(華北地質勘查局 五一四地質大隊，河北 承德 067000)

以某尾礦庫為研究對象，通過地質勘察，探討了邊坡水文地質條件及土體物理力學參數，并基于強度折減法對尾礦壩邊坡進行數值模擬，結果表明：該尾礦壩邊坡沒有滑坡及泥石流等災害發生的條件，庫區工程地質條件相對較好，水文地質條件簡單，在暴雨狀態下邊坡的穩定性有明顯降低。

尾礦壩，地質勘察，邊坡，穩定性

0 引言

我國大規模尾礦庫8 000余座，正常使用的不足70%[1]。近年來尾礦庫壩體滑坡事件多有發生，給國家、企業及人民的財產甚至是生命造成了巨大威脅。尾礦庫壩體滑坡主要有壩體失穩和尾礦庫內滑坡2種，很多學者從尾礦壩數學模型[2]、計算方法[3]、風險分析及評價方面[4，5]對尾礦壩穩定性研究做了大量的工作，取得了顯著成果。文中以平泉尾礦庫為研究對象，通過地質勘察確定邊坡土層物理力學參數，并基于強度折減法對自然、暴雨以及地震三種狀態下的尾礦壩邊坡運用FLAC3D進行數值模擬，通過應力場、位移場分析對尾礦壩穩定性進行科學評價。

1 工程概況

1.1 尾礦壩概況

平泉縣泰輝礦業有限公司尾礦庫設計初期壩為透水堆石壩，初期最大壩高為31.0 m，現已被碎石壓坡；現堆積壩壩標高560.8 m，子壩總坡比1∶2.94。尾礦庫設計總庫容為44.5萬m3，設計總壩高71.0 m，尾礦庫初期壩軸以上匯水面積約為0.20 km2，尾礦庫設計為四等庫。尾礦庫為山谷型尾礦庫。尾礦庫處于一主溝長約0.35 km的溝谷內,庫區底為強風化石灰巖，溝口筑壩。溝口東北方向約410 m是西哨鹿溝口，縱深方向東北—西南走向，溝口呈V字形，溝谷兩岸基本對稱，山體傾角40°～60°。庫區地貌單元左側為坡積相，右側為剝蝕較陡裸露巖石，該區區域地貌為燕山山脈中段構造剝蝕低山區，地形較簡單，地貌較復雜，植被局部較發育，溝谷及沖溝兩側局部覆蓋第四系坡洪積層。庫區基巖主要為石灰巖，尾礦堆積材料以細小顆粒尾礦砂為主(如圖1所示)。

1.2 尾礦壩地質條件

庫區地處燕山山脈中段，為低山區，庫區基巖以元古界霧迷山組石灰巖(Jxw)為主，巖體表面的層理、節理及裂隙較為發育，這是長期風化導致的結果。庫區地質構造簡單，規模不大，庫區及壩址山體穩定，地質構造簡單，無不良地質作用，造成崩塌、滑坡、泥石流等地質災害可能性小。勘察結果表明，平泉縣泰輝礦業有限公司尾礦庫庫區范圍內，地層巖性根據性質及成因可分為天然地層、初期壩和尾礦堆積層三個部分。

地層表面為強風化石灰巖，局部覆蓋含礫粉質粘土；尾礦沉積分選性不明顯，普遍存在粘性尾礦夾層。夾層不在同一水平面上，主要呈現透鏡體狀，總體分布具有一定規律性。垂向存在上粗、下細的規律，水平層序分布則為堆積子壩向庫區內呈現由粗到細的規律。

根據現場勘查、原位測試和室內實驗結果分析，將庫區巖土層劃分為6個主層，即尾中砂、尾細砂、尾粉砂、尾粉質黏土、含礫粉質粘土、石灰巖，本次分析選取了尾礦庫勘察的主剖面進行研究，通過標準貫入試驗、室內土工試驗與地區經驗相結合，參考《尾礦庫安全技術規程》中的物理力學指標，分析的標準值如表1所示。

表1 各個土層參數

2 尾礦壩穩定性數值模擬分析

2.1 強度折減法理論

通過對邊坡土體粘聚力及內摩擦角進行折減，直至對應邊坡臨界狀態時，折減前、后抗剪強度參數的比值即為安全系數[6-8]。強度折減法具體為：利用式(1)，式(2)來折減邊坡土體的抗剪強度指標c和φ，通過數值模擬手段確定折減系數對應邊坡臨界狀態，此時得到的折減系數即為安全系數Fs。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=arctanφ/Ftrial

(2)

其中，cF為折減后的邊坡土體粘聚力；φF為折減后的邊坡土體內摩擦角；Ftrial為強度折減法確定的折減系數。

可利用FLAC3D軟件內自帶的安全系數命令——solve fos，直接對粘聚力c和內摩擦角φ進行折減，最終確定臨界破壞狀態的安全系數。

2.2 計算模型的建立

模擬選取了尾礦庫勘察的主剖面進行計算，模型尺寸及材料參數均依據前期勘查結果進行選取。涉及到巖土體材料變形的非線性特征，邊坡巖土體材料本構模型采用理想彈塑性模型，初始應力只計重力。建模所適用的邊界條件為：側面水平位移約束，約束邊坡的左邊界和右邊界，即橫向位移；底面約束豎直方向位移，采用固定支座邊界條件。為了簡化計算，該場區的邊坡問題可以等效看成平面應變問題，建模時只取斷面的一個“薄面”。對于計算結果的分析，是在天然工況、暴雨工況以及地震工況下進行的，重點分析天然狀態下邊坡的穩定性情況，如圖2所示。

2.3 計算結果分析

該邊坡的水平與垂直位移分布分別如圖3，圖4所示。從圖3尾礦壩邊坡水平方向位移場分布可以得到，在天然狀態下最大水平位移值為9.06 cm，主要分布在邊坡臨空面中下部；沿z軸正向垂直位移的最大值為2.58 cm，在自重影響下產生了沿z軸負向的位移3.95 cm。在實際工程中，水平位移指的是沿著x正方向指向邊坡坡面這一側，垂直位移正向是指向坡頂。如圖4位移變形圖所示，明顯看出邊坡潛在滑動面的位置。

該剖面為典型的斜面邊坡，邊坡垂直應力分布呈現帶狀，最大壓應力在邊坡內部，為27.45 MPa，最大拉應力為20.19 MPa，最大不平衡力與邊坡內部達到平衡。根據地質勘察報告顯示，目前該邊坡是穩定的，用FLAC3D強度折減法計算的該邊坡在天然狀態、暴雨狀態以及地震狀態下的安全系數分別為1.31，1.10和1.31(計算圖略)。說明暴雨狀態下邊坡的穩定性有明顯降低；地震作用下邊坡的安全系數數值不變，且與天然狀態下的變形、應力狀態等相一致。數值模擬的變形矢量圖及塑性貫通區的范圍表明了尾礦壩邊坡可能潛在的滑動面位置。塑性區描述了邊坡巖體的破壞特征，其中深綠色區域為塑性區(潛在滑動面)，即此區域內巖體的強度達到了極限，進而發生破壞而形成滑體。滑動面外側區域各網格點的速度大于其他區域，因此發生了一定程度的塑性破壞。

3 結論與建議

1)庫區場區及附近無活動性斷裂構造通過，未發現有新近構造活動痕跡，該尾礦壩邊坡沒有滑坡及泥石流等災害發生的條件，庫區工程地質條件相對較好，水文地質條件簡單。2)勘察期為平水期，如短時間內不進行尾砂回采，建議增大壩間排洪溝，增大庫區排洪能力，防止洪水對堆積壩的沖刷。3)用FLAC3D強度折減法計算的該邊坡在天然狀態、暴雨狀態以及地震狀態下的安全系數分別為1.31，1.10和1.31，說明暴雨狀態下邊坡的穩定性有明顯降低。

[1] 李全明，陳 仙，王云海，等.基于模糊理論的尾礦庫潰壩風險評價模型研究[J].中國安全生產科學技術，2008,4(6):57-61.

[2] 袁 兵,王飛躍,金永健,等.尾礦壩潰壩模型研究及應用[J].中國安全科學學報,2015(4):173-176.

[3] 鄭 欣,李全明,許開立,等.考慮變量相關性的尾礦壩坡失穩潰壩概率計算方法[J].中國安全生產科學技術,2015,11(2):23-27.

[4] 王肖霞,楊風暴,吉琳娜,等.基于柔性相似度量和可能性歪度的尾礦壩風險評估方法[J].上海交通大學學報,2014,48(10):1440-1445.

[5] 卜 磊,周漢民,李長洪,等.極限平衡法與強度折減法分析尾礦壩穩定性比較[J].有色金屬(礦山部分),2014,66(6):70-74.

[6] 趙尚毅,鄭穎人,時衛民,等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報,2002,24(3):343-346.

[7] 趙尚毅,鄭穎人,鄧衛東.用有限元強度折減法進行節理巖質邊坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(2):254-260.

[8] 連鎮營,韓國城,孔憲京.強度折減有限元法研究開挖邊坡的穩定性[J].巖土工程學報,2001,23(4):407-411.

Geological exploration and research of tailings dam slope stability

Chen Donghua

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China)

Taking the tailings as the research object, through the geological investigation to determine the slope hydrogeology and soil physical and mechanical parameters, and based on strength subtraction for numerical simulation of tailings dam slope. Results show that: there is no large-scale collapse, landslide, debris flow and other geological disaster conditions, reservoir engineering geological conditions are relatively good, simple hydrogeological conditions, state of the slope stability is significantly reduced.

tailings dam, geological survey, slope, stability

1009-6825(2016)11-0083-03

2016-02-02

陳冬華(1979- )，男，工程師

P624

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