尾矿坝稳定性分析.pdf

第 27 卷第 3 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2008 年 6 月 Vol.27 No.3 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2008 收稿日期2006-12-20 基金项目国家自然科学基金重点资助项目（50434020）；国家自然科学基金面上资助项目（50374042）；辽宁省教育厅基金资助项目（2005198） 作者简介陈殿强（1964-），男，辽宁 海城人，博士研究生，教授级高级工程师，主要从事岩石力学方面研究。本文编校赵 娜 文章编号1008-0562200803-0359-03 尾矿坝稳定性分析 陈殿强，王来贵，李 根 （辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000） 摘 要为了尾矿库的安全生产，需对尾矿坝进行中期的系统稳定性评价，采用数值方法针对具体工程实例进 行渗流稳定性、静力稳定性和动力稳定性计算，结果表明浸润线没有从坝坡出溢，水力坡降不大，渗流稳 定。安全系数满足规范要求，坝体是静力稳定的。从坝体动力反应及液化结果得出该坝是动力稳定的。同时提 供了一条稳定性评价的完整路线，用数值模拟方式对尾矿坝的计算有一定参考价值和指导意义。 关键词尾矿坝；稳定性；数值模拟 中图分类号TV 641.4 文献标识码A Analysis of tailing dam’s stability CHEN Dianqiang，，WANG Laigui，，LI Gen College of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China AbstractFor the production safety of the tailings dam, a mid-term tailings dam system stability assessment is needed. With numerical s, aiming at the specific examples of projects the seepage stability, the statics stability and the dynamics stability are calculated, Results show there is no infiltration of the overflow from the slope, little hydraulic gradient and seepage stability. Safety factors meet regulatory requirements and the dam is in static stability. Dynamic responses from the dam and liquefaction results of the dam show that the dam is stable. The study provides a comprehensive assessment of the stability line. The calculation with the numerical simulation of the tailings has a certain reference value and significance. Key wordstailings dam；stability；numerical simulation 0 引 言 矿产资源的大规模开采,必然会产生大量的废 渣、废水、废气,对这些生产废弃物的堆置、处理 是矿山企业安全生产的一个重要方面。 我国是一 个矿业大国,每年排弃尾矿近3 亿t，除小部分作为 矿山充填或综合利用外，绝大部分要堆存于尾矿 库，现有尾矿库1 500余座[1]，尾矿库的重大事故 时有发生，对下游居民的生命财产造成严重威 胁，也将给企业带来不可估量的损失，在社会上 造成极坏的影响。因此，按照“安全第一，预防为 主”做好尾矿坝的安全管理工作，做好坝体稳定性 的评估工作尤为重要[1-3]。 1 工程实例 实例中的尾矿库为某水厂铁矿一主要生产设 施，即是尾矿储存场地也是生产用水的水源地， 其地理位置位于河北省境内。库区东侧与另外一 尾矿库相邻，其间以一副坝相隔，南面为某山分 水岭，北面为一村及山脊，西面出口下游为一村 庄，汇水面积约3.3 km2，属典型的山谷型尾矿 库。始建于20世纪90年代，不久正式投入使用。 初期坝由西部的主坝、北部的1号和东部的2号两 座副坝组成，均属重力堆石透水坝，坝基建于不 透水的基岩之上，后期坝采用上游法筑坝工艺堆 筑。尾矿库设计总库容为 2.3亿m3，最终堆积坝标 高为300 m，坝高187 m. 目前，该库坝顶堆积标高已达200 m，坝高约 87 m，根据有关规定，当尾矿坝堆积高度达1/2～ 2/3最终设计坝高时，应对坝体进行一次全面勘 察，以校核坝体现状的稳定性。本文针对其中一 副坝展开系统的稳定性计算。 计算均按三维建立模型，分析按平面应变问题 进行分析，坐标原点选在初期坝外坡角处，初期坝 坝高（到 X 轴的距离）20.5 m，坝顶宽度为 6 m， 内外坡度分别为 11.8 和 12.0，坝顶高度为 73 m， 库内最高水位高程为 63 m，模型最右端取到水边线 处，基岩向下取 50 m，模型总长 757 m，高 113 m。模型有 7 156个四面体单元，节点 2 391个。 地质结构及计算模型图如下。 图1 地质结构分层及网格 Fig.1 geological structure layered and the grid 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 27 卷 360 2 渗流稳定性计算及结果分析 尾矿砂渗流及静力计算参数取表 1。 表 1 尾矿坝各岩土层渗流及静力学参数取值 Tab.1 seepage and statics parameter values of each rock and soil layer of tailing dam 编 号 岩土层 名称 干密度 /kgm-3 粘聚力 /kPa 摩擦 角 弹性模量 /MPa 泊松 比 渗透系数 /cms-1 ①1 尾中砂 松散 1 680 1.0 33.0 12 0.352.510-2 ①2 尾中砂 稍密 1 720 1.0 34.0 18 0.351.2510-2 ①3 尾中砂 中密 1 800 2.0 35.0 40 0.309.510-3 ② 尾粉砂 1 720 1.0 31.0 3.70 0.356.510-3 ②1 尾粉 细砂 松散 1 740 1.0 31.0 10 0.353.510-3 ②2 尾粉细 砂 稍密 1 800 1.8 32.0 20 0.352.510-3 ②3 尾粉细 砂中 密 1 850 2.0 33.0 40 0.3 2.310-3 ②4 尾粉 细砂 密实 1 970 2.5 5.0 70 0.3 2.010-3 ③ 尾粉质 粘土 1 800 18 17.0 10 0.381.810-6 ④ 块石 1 950 0.5 38.0 120 0.250.4 ⑤ 中风化 基岩 看作刚性不 透水基岩 首先按现状水位进行坝体浸润线的计算，将 计算结果与勘察描绘浸润线进行比对，从图中可 以看到，计算的结果与实测结果除了在与初期坝 处相差较大外其余部分均有较好的吻合，说明参 数选择合理，可为后续分析采用。 图 2 计算与实测浸润线 Fig.2 calculating and measured saturation line 图 3 各点比降 Fig.3 each point ratio-grade 各处的比降也不大，最大值约为 0.22 左右， 可知，动水压力（渗透力）不大，不会对坝体产 生破坏性的影响。该坝是渗流稳定的。 3 静力稳定性计算及结果分析 土体的静力本构模型选用摩尔库仑模型 （MohrCoulomb），以反应土体的非弹性及剪 塑性。 坝坡安全系数及潜在滑裂面位移的确定采用 有限差分强度折减法 强度折减系数法的基本原理是将坡体强度 参数粘聚力c和内摩擦角ϕ值同对除以一个折减系 数 F，得到一组新的, cϕ值，然后作为新的材料属 性参数输入，再进行计算。当满足相应的失稳判 据时，对应的 F被称为坝坡的最小安全系数，此 时的坝坡达到极限状态，发生剪切破坏，同时可 得到临界滑动面[4-5]。 其数学表达式可写为 trial trial trial trial 1 1 arctantan cc F F ϕϕ 图4 断面潜在滑移面及安全系数 Fig.4 potential slip surface and safety factors of the cross section 经计算，潜在滑裂面的位移如图4，其抗滑稳 定安全系数为1.69，大于现行选矿厂尾矿设施设 计规范ZBJ1-90中关于“二级尾矿库在正常运行 工况下坝坡抗滑稳定最小安全系数不得小于1.25” 的规范要求。因此，该坝是静力稳定的。 4 动力稳定性计算及结果分析 计算模型同前，渗流及静力状态结果作为动 力分析的初始状态。按7级地震输入地震波，最大 值为0.15 g。 图 5 输入地震波加速度时程曲线 Fig.5 acceleration-time curve of earthquake ting 此地震波加速度时程曲线为冲击型，相应的 认为孔隙水在地震过程中不发生流动不向外排 出，而是封闭在土体骨架中，也即采用不排水有 效应力动力分析方法。动力计算方法采用完全非 线性法，采用 MC 模型并内嵌 Hardin 模型为滞后 阻尼。 02468 10 12 14 时间/s -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 15 加速度/ms-2 第 3 期 陈殿强，等尾矿坝稳定性分析 361 经计算得坝体的自振频率约为 0.4（卓越周期 约为 2.5）。饱和砂土振动孔隙水压力的增长采用 Byrne1991提出的经验公式 12 exp vd vd CC ε εγ γ ⎛⎞⎛⎞ ∆− ⎜⎟⎜⎟ ⎝⎠⎝⎠ 上式中通常参数都有 12 0.4C C⋅ 其中 C1可取 2.5 1 7600 r CD − 其中，Dr为砂土的相对密度。 表 2 动力分析参数取值 Tab.2 parameter values of dynamics analysis 岩土层 编号 岩土层名称 参考剪应变 γref（10-4） 相对密度 Dr/ ①1 尾中砂（松散状态） 3.45 30 ①2 尾中砂（稍密状态） 3.45 30 ①3 尾中砂（中密状态） 3.45 38 ② 尾粉砂 3.45 50 ②1 尾粉细砂（松散状态） 3.45 85 ②2 尾粉细砂（稍密状态） 3.45 32 ②3 尾粉细砂（中密状态） 3.45 40 ②4 尾粉细砂（密实状态） 3.45 70 ③ 尾粉质粘土 3.45 85 ④ 块石 7.58 ⑤ 中风化基岩 刚化处理 判断液化危险性的方法，目前比较实用的两 种类型[6]。对于本文用于尾矿坝动态液化的判别也 是基于这两种类型一是根据坝身在地震时发生 的动剪应力比值 0 / d τ σ同发生液化需要达到的 0 / d l τ σ值之间的比较来判断。 d τ为现场条件下的抗 液化剪应力； 0 σ为研究土层的有效覆盖压力。 图 6 坝顶 X 及 Z向加速度时间图 Fig.6 X and Z direction acceleration-time of the top dam 这种方法是在总应力基础上进行的。 另一种类型的方法是在有效应力基础上，直 接从液化的本质出发，分析地震过程中坝体孔隙 水压的增长情况，从而判断发生液化的可能性以 及液化发生的过程。 本文认为当超孔压力/平均有效固结应力0.8 就认为达到了初始液化，这样可以预留一定的安 全度。其判别式可以写为 0.8 /3 xyz p σσσ 由图6可知，滩顶水平向的地震反应加速度 约在6 s左右达到峰值，约为3.1 m/s2，放大系数 约为2。竖直向的地震反应加速度同样约在6s左 右达到峰值，约为2.9 m/s2，放大系数约为2。总 地来看坝体对此地震波的动力反应不大。 图 7 坝顶 Z向位移时间图 Fig.7 Z direction displacement-time of the top dam 由图7可知，在地震15 s结束后滩顶最大震陷 值约0.5 m，满足规范要求的“二级尾矿库的最小安 全超高不得小于1.0 m”的要求. 图 8 坝体的液化区域图 Fig.8 lequefaction zone of the dam body 从最终液化区域可以看到，距离沉积滩滩顶 仍较远，下游尾矿堆积坝体内的各单元未发生液 化，其趋势也不易出现沿下游坝坡，因此液化并 不会对坝体稳定造成实质性的影响。 综上，该坝是动力稳定的。 5 结 语 做好尾矿坝的安全管理工作，提高坝体稳定 性做好坝体稳定性的分析工作，确保尾矿坝安全 万无一失，对企业本身、社会、国家都有非常重 要的意义。针对具体工程实例基于有效应力原理 对尾矿坝在渗流、静力及动力稳定性方面展开评 价工作。对类似的尾矿坝稳定性评价提供一套完 整的路线。 参考文献 [1] 腾志国. 秦皇岛冶金设计研究总院.[J]. 河北冶金,2003116-17. 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