某尾礦庫副壩加固穩定性研究

王建偉 李元鋒 吳鷹翔

(江西省安全生產科學技術研究中心(江西省工業安全工程技術研究中心),江西 南昌 330030)

0 引言

尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流重大危險源，尾礦庫一旦失事，將會給當地的工業、農業生產以及尾礦庫下游居民的生產財產造成巨大的災害和損失。因此當尾礦壩下游有重要設施和居民時尾礦壩的穩定性分析就更為重要。本文特色之處是該尾礦庫副壩下游有一露天采礦場。露天采礦場是礦山企業主要的工作場所，如果副壩出現事故，對下游采場工作人員的人身安全和財產受到嚴重影響，因此副壩的穩定性分析就更為重要。

1 工程簡介

江西某尾礦庫是于2002年6月建成投入使用的，為山谷型四等庫。至2012年6月底，尾礦庫剩余42萬庫容，剩余服務年限3年～4年。該礦庫庫尾的副壩原設計為粘土斜墻堆石壩，迎水面為粘土斜墻，背水面為堆石體，粘土體與堆石體之間設置一層土工膜防滲，副壩壩體設計為不透水壩，但壩基未進行防滲設計；初期設計的副壩軸線長72 m，壩高15.4 m，壩頂標高173 m，壩頂寬4 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。2001年7月，在副壩施工至165 m標高時，尾礦庫水位上升導致尾礦庫水倒灌至露天采場，為了保證正常生產，臨時采用采場廢石一次性堆筑形成透水壩。現有副壩的壩頂標高185 m，壩頂寬12 m，壩體上游壩坡1∶1.2，下游壩坡1∶1.7。副壩作為阻擋尾礦庫渣進入露天采場的屏障，已安全穩定運行超過10年。目前尾礦庫庫水滲入采場的日均滲水量約為200 m3(見圖1)。

副壩區域主要為構造剝蝕丘陵地形，總體地勢為南東高、北西低，走勢北東—南西，山脊舒緩，呈波狀起伏。尾礦庫副壩位于一近南北向長條狀溝谷尾部，溝谷開口朝北，溝長1 km左右。兩壩肩山坡為凸形坡或折線形坡，坡度一般為20°～30°，局部35°～40°(見圖2,圖3)。

作為尾礦庫擴容工程主要部分的副壩，由于提高了運行要求，并考慮后期副壩壩前的排尾堆渣，為確保副壩的安全穩定，對其實施加固處理是十分必要的。在有關副壩的加固設計方案中，將副壩上游壩坡設砂礫料和粗砂反濾層，反濾層外設干砌塊石護坡，最終形成上游壩坡坡度1∶2.0；副壩下游壩坡采用干砌塊石護坡，使副壩下游壩坡坡度達到1∶2.0，副壩壩體加固方量約為3 000 m3。副壩加固剖面圖見圖4。

現有副壩實際為透水壩，隨著尾礦庫水位逐漸升高以及采場底部標高不斷降低，滲流水頭會逐漸增大，最大達到近60 m，而滲徑只有150 m，滲透坡降最大達到40%，尾礦庫向采場內的滲流量會大大增加，同時副壩壩體也有可能發生滲透破壞。為了盡量減少尾礦水向采場的滲漏量，消除安全隱患，設計將尾礦放礦管引至副壩壩前進行壩前均勻排尾堆渣，在副壩壩前形成約200 m長的干灘，滲透坡降將減小至17%，尾礦水向采場的滲漏量將大大減少，這對副壩壩體穩定性也是有利的。尾礦庫副壩壩體安全穩定性分析。

在該尾礦庫擴建工程中，對副壩采取加固的措施，并計劃在副壩附近排尾堆渣。由于將要提高尾礦庫的運行水位，分析加固后的副壩在各種運行工況條件下的滲流狀況、壩體的安全穩定性是必要的。

2 尾礦庫副壩滲流穩定計算

計算方法:

滲流有限元分析基本方程為：

(1)

其中,[K]為透水系數矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為邊界流量對節點水頭的貢獻；t為時間。

瑞典圓弧滑動面條分法，是將假定滑動面以上的土體分成n個垂直土條，對作用于各土條上的力進行力和力矩平衡分析，求出在極限平衡狀態下土體穩定的安全系數(見圖5)。

邊坡破壞以滑動面形式表現，土坡滑動面的形狀取決于土質，對于粘土，多為圓柱面或碗形；對于砂土，則近似平面。阻止滑動的抗滑力矩與促使滑動的滑動力矩之比，即為邊坡穩定安全系數K：

(2)

其中,L為滑動圓弧的長度;τi為滑動面上的平均抗剪強度;R為以滑動圓心O為圓心的滑動圓弧的半徑;W為滑動土體的重量;d為W作用線對滑動圓心O的距離。

如K>1.0表示壩坡穩定；K=1.0壩坡處于極限平衡狀態；K<1.0則壩坡不穩定。首先要確定最危險滑動圓弧的形狀，即找出最危險滑動圓弧的滑動圓心O，然后畫出最危險滑動圓弧。欲找出K值最小的最危險滑動圓弧，一般根據土質參照設計規范按經驗選取，選出一組滑動面，進行試算，在所計算得到的安全系數中最小的滑動面即為最危險滑動面。

壩體內水頭有明顯消散，下游堆石體前壩殼料出逸坡降在最高洪水水位時超過允許值，但是由于有堆石體的反濾層保護，可有效防止管涌和流土，允許滲透坡降可提高30%。考慮最高洪水位運行的時間很短，且有可靠的防護措施，故認為滲透系數滿足要求。

3 壩前排尾前的壩體滲流穩定分析

表1 尾礦庫副壩(最不利剖面)抗滑穩定性計算結果

表1給出的計算結果表明，各工況條件下的壩體安全系數(Fs)均遠遠小于相應條件下的規范允許值，說明礦尾礦庫副壩壩坡最小抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

在壩前實施排尾堆渣后，副壩壩體的浸潤線會有明顯降低，同時壩體的滲透比降和壩體滲流量也有不同程度的下降。壩體的滲流狀況進一步得到改善，這對壩體的穩定是有利的。

穩定分析是確定壩體設計剖面和評價壩體安全的主要依據。土石混合是一種具有強非線性性質的材料，由于對土石壩壩坡失穩破壞機理的研究還不夠充分，因此在穩定分析方法和控制標準方面，在相當大的程度上還要依靠工程經驗和判斷。工程上采用的土坡穩定分析方法，主要建立在極限平衡理論基礎上，通過不同的分析方法以確定壩體中具有最小安全系數的可能滑動面的位置和形狀(見圖6～圖8)。我國土石壩設計規范規定，土石壩的穩定分析仍以瑞典圓弧法為主。由計算結果可知，壩前的排尾堆渣可以減少壩體的滲透量由于客觀上提高了壩體的斷面寬度，對于進一步提高壩體安全穩定性是有益的。

4 結語

尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流重大危險源，其穩定性影響重大。以某尾礦壩現場勘察報告為依據，對尾礦壩進行滲流穩定性分析，確定副壩上游壩坡設砂礫料和粗砂反濾層，反濾層外設干砌塊石護坡，下游壩面采用干砌塊石護坡的方案，在實現副壩壩前排尾后，副壩浸潤線會有明顯降低，同時壩體的滲透比降和壩體滲流量也有不同程度的下降，各工況壩體抗滑穩定計算安全系數均滿足規范要求。