喀左縣長皋鐵礦尾礦庫壩體整改后穩(wěn)定性評價

遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013

我國是世界上尾礦庫數(shù)量最多、災害事故發(fā)生率最高的國家之一，年排出尾礦約6億t，大部分堆存于尾礦庫，一旦壩庫區(qū)體失穩(wěn)潰壩，將給人們的生命財產造成巨大損失，并引發(fā)嚴重的環(huán)境問題。

國內外關于尾礦庫壩體穩(wěn)定性的研究主要包括傳統(tǒng)的物理基本性質、施工工藝技術、現(xiàn)狀及滲流工況、監(jiān)測預警技術以及水體污染防治等。然而在現(xiàn)狀不穩(wěn)定條件下，結合整改措施驗證整改后多種工況下的壩體穩(wěn)定性卻是提升壩體安全評價最為實際的工程化應用方法。目前，評價尾礦庫壩體穩(wěn)定性的定量分析方法主要是數(shù)值模擬法和極限平衡分析法。

文章針對壩體的穩(wěn)定性評價綜合了數(shù)值模擬法和極限平衡分析兩種方法，既考慮了數(shù)值模擬中壩體破壞后的應力應變變化規(guī)律，又定量地采用了瑞典圓弧法和簡化畢肖普法給出了壩體的安全穩(wěn)定系數(shù)，并且結合工程現(xiàn)狀，進行了整改設計前后的穩(wěn)定性評價對比計算，在現(xiàn)狀、滲流、地震三種工況下實現(xiàn)了數(shù)值分析法和極限平衡分析法的耦合，獲得了尾礦庫壩體最小安全評價系數(shù)，從定性、定量的角度指導了尾礦庫的安全生產。

1 工程概況

喀左縣中三家鎮(zhèn)長皋鐵礦尾礦庫位于遼寧省喀左縣中三家鎮(zhèn)豆腐房村，該尾礦庫三面環(huán)山，一面筑壩，谷口呈“U”字形，屬山谷型尾礦庫。該尾礦庫初期壩筑壩材料采用風化料堆筑，初期壩長120m，壩高5m，壩頂寬3.5m，內外坡比均為1∶2；其現(xiàn)狀壩高約35m，最大壩長約160m，壩頂寬約4m，壩體外坡比為1∶1.6～1∶2.0，筑壩方式采用上游式筑壩方法，壩坡坡度不均勻，坡面裸露且不規(guī)整，易受雨水沖刷形成沖溝，不利于壩體穩(wěn)定。在尾礦堆積壩不同標高處設有寬約12m、5m、4m的馬道，并在坡面上設置豎向排水溝，壩坡外側無排水防沖刷設施，壩腳處有滲水。正常生產時尾礦沉積灘的干灘長度約60m，干灘坡度約為1.0%，庫容約為40×104m3。該溝下面不壓礦，下游潰壩波及范圍內有村民居住。

2 穩(wěn)定性分析基本原理

文章采用有限元法對該尾礦壩進行滲流和應力應變有限元數(shù)值模擬，并使用規(guī)范推薦的瑞典圓弧法和簡化畢肖普法對壩體的穩(wěn)定性進行評價，有效地耦合了數(shù)值分析法和極限平衡分析法，綜合具備了數(shù)值分析法和極限平衡分析法的優(yōu)勢特點，在得出尾礦壩壩體內部應力應變關系的同時，得到了壩體最小穩(wěn)定性系數(shù)，實現(xiàn)了穩(wěn)定性安全評價。

2.1 瑞典圓弧法

該法假設條塊之間的作用力對圓弧形滑動面上的法向應力分布沒有影響，其抗滑力與下滑力之比即為安全系數(shù)Fs：

式中：i為第i條塊；r為圓弧半徑；αi為條塊地面中點切線與水平線夾角；Ui為條塊地面中點處孔隙水壓力；Wi為條塊重量；Qi為作用在條塊重心處的水平向地震慣性力；Q'i為作用在條塊重心處的垂向地震慣性力（向下為正）；Mc為Qi對圓心的力矩之和；Li為條塊底部長度；ci和φi為條塊地面中點處的內聚力和內摩擦角。若不計地震作用，則Qi=0、Q'i=0、Mc=0。

2.2 簡化畢肖普法

簡化畢肖普法仍是條分法，只是在改進的基礎上考慮條塊間存在水平作用力，但忽略剪應力。通過迭代反推，得到壩體邊坡的安全系數(shù)k：

式中：i為第i條塊；αi為條塊地面中點切線與水平線夾角；Ui為條塊地面中點處孔隙水壓力；Wi為條塊重量；Qi為作用在條塊重心處的水平向地震慣性力；li為條塊底部長度；ci、fi為條塊地面中點處的內聚力和內摩擦系數(shù)。若不計地震作用，則Qi=0。

3 尾礦庫壩體整改

在尾礦壩特殊運行條件下（最高洪水位+壩體自重+地震的荷載組合），分別采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法對該尾礦壩的穩(wěn)定性進行計算，結果處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此考慮進行整改設計。

尾礦庫壩面整治工程包括尾礦壩貼坡加固、外坡面修整、完善壩面排水溝、壩體護坡等。

依據(jù)《尾礦設施設計規(guī)范》（GB 50863—2013）要求，改造治理設計在尾礦壩外坡進行石料貼坡加固，控制孔隙率不大于0.28，具體情況依據(jù)現(xiàn)場試驗來確定，加固頂標高統(tǒng)一。貼坡加固前對壩外坡面尾礦砂等松散覆蓋物進行清理，同時對貼坡基底進行清理，并將清理后的壩基表面土層壓實。

按照尾礦壩現(xiàn)有剖面現(xiàn)狀，設置3條馬道，控制各段壩體外坡比為1∶2，壩頂和馬道以1%的坡度坡向下游。外坡面采用漿砌石網格掛網植草護坡，并設置上壩人行踏步。為保護壩坡，在外坡面設置坡面排水溝及坡腳排水溝。

4 尾礦壩穩(wěn)定性分析

4.1 數(shù)值模型的建立

該尾礦壩體經過整改后，在巖土工程勘察的基礎上，對壩體剖面進行等比例地層呈現(xiàn)，形成以初期壩和堆積壩及庫區(qū)為一體的地質模型，文章計算均按二維建立模型，按平面應變問題進行分析，單元統(tǒng)一采用三角形單元，并通過網格檢驗達到網格最優(yōu)化。最終，壩體計算模型被劃分為849個三角形單元，1551個節(jié)點（見圖1）。

圖1 壩體有限元計算模型

4.2 參數(shù)的選擇及邊界條件的確定

依據(jù)巖土工程勘察提供的各土層參數(shù)，并結合原尾礦庫尾砂性能參數(shù)，此次尾礦庫現(xiàn)狀及滲流工況下的穩(wěn)定性分析選取參數(shù)見表1。

表1 壩體整改后穩(wěn)定性評價所選計算參數(shù)表

邊界條件：模型左右兩側加水平向約束；模型底部加固定約束。

4.3 尾礦壩穩(wěn)定性分析結果

文章通過對尾礦壩壩體的數(shù)值進行分析，得出了該壩體在正常運行、洪水工況、特殊工況下壩體內部的應力變化狀態(tài)，并在數(shù)值分析的基礎上，采用條分法計算出了三種工況下壩體的穩(wěn)定性系數(shù)（見圖2～圖4），此處只列出了采用瑞典圓弧法的計算滑弧圖。各種工況下的計算安全系數(shù)見表2。

圖2 正常工況穩(wěn)定性（瑞典圓弧法）計算滑弧圖（k=1.197）

圖3 洪水工況穩(wěn)定性（瑞典圓弧法）計算滑弧圖（k=1.051）

圖4 特殊工況穩(wěn)定性（瑞典圓弧法）計算滑弧圖（k=1.014）

表2 穩(wěn)定分析計算結果

計算結果顯示，按設計要求進行整改的尾礦庫，在各個時期各種工況下壩體均能滿足規(guī)范規(guī)定的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的要求。

5 結束語

尾礦壩在現(xiàn)狀下有不穩(wěn)定的狀況，哪怕只是在特殊工況下不穩(wěn)定，其他工況下穩(wěn)定，都需要按照規(guī)范采取一定的措施進行安全整改。通過分析以上尾礦壩的滲流穩(wěn)定及壩體抗滑穩(wěn)定性計算結果，其安全系數(shù)均大于《尾礦庫安全技術規(guī)程》（AQ 2006—2005）規(guī)定值，為尾礦壩的安全運行奠定了堅實的基礎。只有施工企業(yè)嚴格按照設計及規(guī)范要求加強尾礦壩的施工、運行管理，才能夠保證尾礦壩的安全運行，同時尾礦壩的安全穩(wěn)定也能為企業(yè)生產、度汛、堆存尾礦及回水等奠定堅實的基礎。