某铜矿尾矿砂力学特性研究和稳定性分析.pdf

第 24卷第 5期 岩 土 力 学 Vol.24 No.5 2003年 10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2003 收稿日期2001-11-17 作者简介张超，男，1978 年生，硕士生，现从事岩土力学研究工作。 文章编号1000－7598－2003 05085805 某铜矿尾矿砂力学特性研究和稳定性分析 张 超，杨春和，孔令伟 （ 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学重点实验室，湖北 武汉 430071 ） 摘 要在揭示某铜矿尾矿坝坝体材料空间分布状态及其力学特性的基础上，利用自动搜索的电算程序 STED，分析计算了 尾矿坝的整体与局部稳定性，得出一些结论，可为治理方案提供科学依据和技术指导。 关 键 词尾矿坝；尾矿砂；力学特性；稳定性分析 中图分类号TU 413 文献标识码A Study on mechanical characteristics of tailing dam of a copper mine and stability analysis of tailing dam ZHANG Chao，YANG Chun-he，KONG Ling-wei （ Key Laboratory of Rock and soil Mechanics, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China ） Abstract Through revealing spacial distribution and physico-mechanical properties of body materials of a tailing dam of a copper mine, and taking advantage of the automatically-search program STED, the integral and local stability of the tailing dam is analyzed; and the results offer a scientific basis and technical guidance for measures dealing with tailing dams. Key words tailing dam; tailing sands; mechanical properties; stability analysis 1 概 况 某铜矿小选厂尾矿库位于铜矿采场东南约 1 km处，该尾矿库建在沟谷内，属于山地地形的尾 矿库，20世纪70年代建成并投产使用。初期主坝 长约82 m，坝顶标高为108.7 m，坝高为15 m，平 均外坡比1∶2.33，堆积坝的坝标高为19.5 m，平 均外坡比1∶3.95，副坝长约为46 m。经过30多年 的堆积，目前堆积坝的最大标高为128.5 m，一般标 高为126 m， 最小标高为92 m， 堆积体厚度达36 m。 由于各种历史原因，设计资料已无从查找。从现场 勘测情况可知，汇水面积为0.16 km2，从坝高和库 容情况上知属Ⅳ级库。该库基岩的岩体完整，构造 简单，两侧坝肩处尚未发现大的断裂带或破碎带， 坝底没有大的断裂构造和软弱夹层，坝基稳固。基 岩岩体为非可溶性岩石，透水性差，不存在溶洞、 流沙与暗河。该坝库区受水面积小，地表水补给来 源有限。坝基地层主要为第四系坡积粘土，主、副 坝的初期坝为均质粘土坝，后期子坝利用尾矿砂采 用上游法堆筑，尾矿由尾矿管道排放、水力充填在 滩面上自行沉积而成。根据勘探结果，按颗分试验 和塑性指数将尾矿砂、土分为6类尾细砂、尾粉 砂、尾亚砂、尾轻亚粘土、尾重亚粘土、尾矿泥。 2 尾矿砂的物理力学特性 2.1 尾矿砂的颗粒分析 尾矿是经磨碎的选矿弃物，呈粉细砂土状，是 尾矿坝坝体的构筑材料，其颗粒组成决定坝体的渗 透性、抗渗能力、压缩和剪切强度性能，因而，也 决定坝体的稳定性。从试样的颗粒分析试验曲线可 知，该坝尾矿砂的不均匀系数 Cu大部分在1.1～5.0 之间变化， 曲率系数Cs大部分在0.5～2.3之间变化。 首先，根据颗分结果确定其名称，然后，根据取样 深度就可得到各地质剖面图。该尾矿库在进行勘探 取样时共布置了4条勘探线 主坝3条， 副坝1条。 主坝3条勘探线编号为1-1′，2-2′，3-3′，间距 为35 m。副坝1条勘探线编号为4-4′ 。 其中，1-1′ 地质剖面图如图1，其它的剖面图在此不再赘述。 第 5 期 张 超等某铜矿尾矿砂力学特性研究和稳定性分析 图1 1-1’ 地质剖面图单位m Fig. 1 Geological map of profile 1-1’ unitm 2.2 力学性质 尾矿坝的稳定性分析的可靠程度主要取决于 各种土质强度指标的精确程度，因而获得精确的 力学性质指标是非常关键的。为了取得可靠的稳 定性分析的计算力学参数，进行了直接固结快剪试 验和三轴剪切试验，其中，三轴试验的样品为原状 圆柱型，直径为39.1 mm，高度为80 mm。先经抽气， 而后施加反压力使其饱和后，进行剪切试验。人 工制备样是按测定的干密度在压力室的底座上 以分层压实法制成为39.1 mm，高度为80 mm的圆 柱型试样。首先，采用水头法，再施加反压使其饱 和，然后，进行三轴剪切试验。 试验类型为固结排水试验和固结不排水试验。 1 固结排水剪切试验CD 在应变控制式三 轴仪上进行排水剪切，剪切速率为0.073 mm / min， 当应力-应变关系曲线出现峰值时， 继续剪切至5 的轴向应变时停止， 或当轴向应变达到15 时停止 剪切。图2示出了本次固结排水剪切试验典型的应 力-应变关系曲线、轴向应变-体积应变关系曲线和 摩尔-库仑强度包线。从图2a可看出，该尾矿坝的 尾矿砂在排水剪条件下，处于小应变时，剪应力随 应变的发展增长较快，尾矿砂颗粒的排列在剪切过 程中不断地调整，当应变达到一定值后，剪应力不 再增加，可以说明，尾矿砂在固结排水条件下抵抗 变形的能力是有限的。从图2b可看出，该尾矿砂 显示出了一定的剪胀性，而且，剪胀性有随着围压 增大而增大的趋势。 2 固结不排水剪切试验CU 图3为本次试 验典型的应力-应变关系曲线、轴向应变-孔隙水压 力关系曲线和摩尔-库仑强度包线。由图可以看到， 孔隙水压力在试验初始阶段上升较快，达到极值后 趋于平缓并有所下降，应力差随着应变的发展不断 上升，当上升到一定程度时，变化趋于平缓。 图2 尾矿砂固结排水剪典型结果 Fig.2 Typical CD test results of tailing sands 0 50 100 150 200 250 150 125 100 75 ①筑坝土 ②尾矿泥 ③尾重亚粘土 ④尾亚砂土 ⑤尾粉砂 ⑥尾细砂 ⑦砾质粘土 ⑧强风化混合岩 ⑨尾轻亚粘土 ZK1 浸润线 筑坝土 ① ② ⑧ ⑧ ⑧ ⑧ ⑦ ⑦ ⑦ ⑥ ⑥ ⑥ ⑤ ⑤ ⑤ ⑤ ⑤ ⑤ ④ ④ ③ c 摩尔-库仑强度包线 859 岩 土 力 学 2003 年 图3 尾矿砂固结不排水剪CU典型结果 Fig.3 Typical CU test results of tailing sands 经过大量的试验，得到了尾矿坝坝体材料的物 理力学特性，其部分结果见表1。从表1可看出， 尾细砂、尾粉砂、尾亚砂、尾轻亚粘土、尾重亚粘 土、尾矿泥等几类坝料属松散到稍密状态，内摩擦 角中等，且有依次减小的趋势，而它们的粘聚力总 的来说都比较小。筑坝土和坝基土的透水性很小， 可看作不透水坝。 3 稳定性分析 该尾矿坝的稳定性分析对4个剖面进行了计 算， 主坝有3个计算剖面， 副坝只有1个计算剖面。 本次采用的计算剖面是根据工程地质剖面图加以 适当的简化， 在1-1′剖面和4-4′剖面各去掉了一 个小透镜体； 而2-2′和3-3′剖面则几乎没有简化， 基本上反映了坝体的真实情况。该铜矿矿区的地震 基本烈度为Ⅵ度，由于该尾矿库属于Ⅳ级库，且距 离居民生活区较远， 设计烈度可按Ⅵ度考虑。 据 水 工建筑物抗震设计规范 （SL203-97） [1]总则中规定， 设计烈度为Ⅵ度时，可以不进行抗震计算。该尾矿 坝稳定性分析采用的土性参数指标见表1。在本次 的计算条件中，考虑了正常条件下的实测浸润线位 置和在洪水运行条件下根据调洪演算得到的浸润 线位置的2种情形，计算分别采用了有效应力法和 总应力法。有效应力法适用于长期稳定性分析；总 应力法通常用于施工中或竣工后的短期稳定性分 析。计算方法选用的是简化Bishop法，该方法考虑 了水平条间力的作用，如图4所示。 图4 简化毕肖普法示意图 Fig.4 A sketch of simplified Bishop 表1 尾矿坝坝体材料物理力学性能指标 Table 1 Physico-mechanical properties of materials of tailing dam 抗剪强度参数 土类名称 含水率 / 密度 g / gcm-3 饱和密度 satg / gcm-3 比重 Gs 孔隙比 e ccu / kPa ϕ/ c’/ kPa ϕ′ / 渗透系数 Kv / 10-5cms- 1 尾细砂 16.8 2.141 2.419 3.31 0.628 0 28 4.54 35 4.54 尾粉砂 21.3 2.117 2.277 3.12 0.660 0 26 2.06 33 2.06 尾亚砂 23.0 2.058 2.090 3.02 0.857 5 20 1.52 31 1.52 尾轻亚粘土 25.2 2.168 2.173 3.04 0.738 11 17 0.82 28 0.82 尾重亚粘土 26.7 2.079 2.081 3.13 0.968 11 16 0.39 26 0.39 尾矿泥 27.5 2.082 2.084 2.98 0.828 10 16 0.16 26 0.16 筑坝土 35.6 1.961 1.962 2.73 0.798 8 22 0.14 30 0.14 砂质粘土 34.8 1.889 1.889 2.72 0.935 20 20 0.07 28 0.07 注c，ϕ为总应力强度参数，c＇ ，ϕ′ 为有效应力强度参数。 c 摩尔-库仑强度包线（虚线表示有效应力） 860 第 5 期 张 超等某铜矿尾矿砂力学特性研究和稳定性分析 安全系数 Fs最后的计算公式如下 s 1 [tan] sin i iii ii ai i iii cbWub m F e WQ R ϕ α ′′ ∑ ∑∑ ＋－ ＝ （1） s tansin cos ii aii m F ϕα α＝＋ （2） 式中 Fs为该滑面的安全系数。 i α 为土条底部的坡 角；hi为土条高；b i为土条宽；Wi为土条自重；Qi 为水平作用力；ui为土条底部的孔隙水压力；R 为 滑弧的半径；ei为土条水平作用力对滑弧圆心的力 臂； i c′ ， i ϕ′ 分别为土条底部的土体的有效粘聚力和 有效内摩擦角；因为，在 ai m 中也含有 Fs，所以， 采用迭代法进行计算，分别搜索计算滑弧在坝坡下 部和坝坡上部以及坝体发生整体滑动时的最小安 全系数及其所对应的滑弧位置，共计算了36组， 其计算结果见表2。 表2 稳定性分析计算结果 Tab.2 Results of stability analysis 安全系数滑弧所在位置 Fs 计算 方法 浸润 线状态 计算剖面 坝坡下部 坝坡上部 整体滑动 1-1′ 1.43 1.89 1.70 2-2′ 1.45 1.61 1.84 3-3′ 1.55 2.01 1.92 实测 浸润线 4-4′ 4.84 1.16 4.69 1-1′ 1.05 1.89 1.54 2-2′ 1.06 1.61 1.63 3-3′ 1.14 2.01 1.71 有 效 应 力 法 洪水 运行 4-4′ 3.34 0.84 3.28 1-1′ 1.62 2.32 1.82 2-2′ 1.37 2.29 1.89 3-3′ 1.56 2.35 2.03 总 应 力 法 实测 浸润线 4-4′ 5.12 1.32 4.86 图5，6是本次稳定性分析计算结果中1-1′剖 面在正常条件下，用有效应力法和总应力法计算所 得的最小安全系数，及其所对应的最危险的滑弧位 置，其它情况就不在此一一列举了。 由渗透破坏而引起尾矿坝破坏的现象也比较常 见，所以，有必要对该坝进行渗透稳定性分析。进 行渗透稳定性分析时，采用通过调洪演算得到洪水 运行时的最大洪水水位，在此情况下，根据选矿 厂尾矿设施设计规范附3 “上游式尾矿坝渗流计 算简法”计算各剖面的浸润线和出逸高程，然后， 在小于最大洪水水位的情况下不断地改变水位，试 算在不同水位时的浸润线和出逸高程。其计算方法 是首先，确定化引滩长及化引库水位，假定放矿 水覆盖了绝大部分滩面，此时，化引滩长计算公式 为 Li＝3.3Lc0.48 （3） 式中 Li为化引滩长；Lc为计算条件下的实际滩长。 化引库水位的计算公式为 Hi＝H＋ 0c mLL i − （4） 式中 Hi为化引库水位；H 为计算条件下实际库水 位；m0为沉积滩坡度系数。浸润线位置参照尾矿 设施设计参考资料[3]中有关章节加以确定。将尾 矿坝简化视为坝基不透水的均质坝，当无排渗设施 且下游无水时，浸润线方程可表示为 y ＝hi2- 2/1 22 x maL ahi − − （5） 式中 a 为出逸点高度。 按下式计算 12/ ; ;][ 00 1 2/ 122 ＋＝ ＋＝ －－＝ mhmL LLL h m L m L a i i ∆ ∆ （6） 式中 m 为下游坡度系数；L，L1，ΔL 的意义如图 7所示。 而后验算在各种情况下的浸润线出逸点处水 力坡度是否满足渗流稳定性要求。根据尾矿设施 设计参考资料[3] 知，考虑粘聚力时的临界坡降为 Jc＝ 00 d 1 γγ γc n −− （9） 式中 Jc为土的临界渗流坡降；d为渗流出逸段的 土的干重度； 0水的重度； n 为孔隙率； c为粘聚力。 渗流坡降应小于允许渗流坡降 Jy，按下式计算 Jy Jy＝ s FJ / c （10） 式中 Fs为渗透安全系数。按尾矿设施设计参考 资料[3]中的表2-117查得，Ⅳ级库的渗透安全系 数为2，即有 Jy＝0.5 Jc，如果在浸润线的出逸点的 水力坡降 J＜Jy， 则认为满足渗透稳定性的要求， 反 之则不满足。由计算结果可以知道，在主坝的标高 在111.9 ～121.6 m坡度比较大的这一段，渗流稳定 性不满足规范的 Fs≥2要求，有必要进行整修加固 处理。 861 岩 土 力 学 2003 年 图5 1-1′剖面有效应力法稳定性计算分析结果 Fig.5 Calculative stability results of effective stress for profile 1-1′ 图6 1-1′剖面总应力法稳定性计算分析结果 Fig.6 Calculative stability results of effective stress for profile 1-1′ 图7 渗流计算示意图 单位 m Fig.7 A sketch of seepage calculation unit m 4 结语与建议 尾矿坝抗滑稳定性计算[4]结果表明，在实测浸 润线条件下，主、副坝的抗滑稳定安全系数均能满 足尾矿坝设计规范的要求。在洪水运行情形下，主 坝初期坝的抗滑稳定安全系数接近尾矿坝设计规 范要求，安全储备不大。而渗透稳定性分析结果表 明，在洪水运行情况下，当主坝浸润线由初期坝坡 面出逸时，渗透稳定安全系数未达到ＦＳ≥2的要 求；副坝无出逸点，不会发生渗透破坏。为了保证 该尾矿库安全，消除隐患，需对该库进行有针对性 的综合治理，建议采取如下措施 （1）完善尾矿库的排洪系统，在尾矿坝坡面设 置地面排水沟系统，且采取相应的措施改善主副坝 坡面的植被情况并加强植被保护； （2）在主坝初期坝设置土工布包卵石的纵向排 渗盲沟，以防止浸润线逸出坡面，修整尾矿堆积坝 坡面，禁止在副坝堆积坝上从事农作物耕种活动； （3）为了提高初期坝抗滑稳定性和防止初期坝 及坝基上渗流出口出现渗透破坏，建议改扩建初期 坝原有排水棱体，并加设一道兼起贴坡反滤和镇压 坡脚作用的干砌石挡墙。 参 考 文 献 [1] SL203-97, 水工建筑物抗震设计规范[S]. [2] ZBJ1-90, 选矿设计规范[S]. [3] 尾矿设施设计参考资料编写组. 尾矿设施设计参考资 料[M]. 北京 冶金工业出版社, 1987. [4] 王武林, 杨春和, 阎金安. 某铅锌矿尾矿坝工程勘察与 稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 1992, 114 332 －344. [5] 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京 中国水 利水电出版社, 1995. 862