圆弧条分法在尾矿库安全评价中的应用.pdf

第 2 卷第 3期 2 0 0 6年 6月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u rna l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 2 No． 3 J u n．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 3 1 9 3 X 2 0 0 6 一0 3 0 0 8 4一 o 4 圆弧条分 法在尾矿库安全评价 中的应用 罗建林 ， 牛跃林 ， 孙浩刚 江西理工大学环境与建筑工程学院， 赣州3 4 1 0 0 0 摘要 坝体稳定性计算是尾矿库安全评价中的一项重要内容。运用圆弧条分法对尾矿库坝体稳 定性进行了分析 ， 建立了计算几何模型， 计算出坝体安全性系数。应用圆弧条分法对尾矿库堆积 坝进行安全评价能有效的反映坝体稳定性现状。 关键词 尾矿库； 安全评价； 堆积坝； 圆弧条分法 中图分类号 T D 8 文献标识码 A S a f e t y a s s e s s me n t a p p l i c at i o n o f c i r c u l a r a r c S we d i s h me t h o d i n t a i l i n g p o n d L U O J i a n l i n ， N I U Yu e l i n ， S UN Ha o g a n g J i a I l U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， G a n z h o u 341 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t e c o m p u t a t i o n o f t h e d a m b o d y s t a b i l i t y i s a n i mp o r t a n t c o n t e n t i n a t a i l i n g p o n d s a f e t y a s s e s s me n t ． U s i n g t h e c i r c u l a r a ／ c S w e d i s h me t h o d i n t a i l i n g p o n d d a m b o d y s t a b i l i ty a n a l y s i s ， t h e p a p e r e s t a b l i s h e s t h e c o mp u t a t i o n g e o me t r y mo d e l ， c a l c u l a t e s t h e d a m b o d y s a f e ty c o e ff i c i e n t ． q h e a p p l i c a t i o n c i r c u l a r a r c S w e d i s h me t h o d i n t h e s a f e ty a s s e s s me n t c a n d e mo n s t r a t e s e ff e c ti v e b y t h e s t a b i l i ty o f t h e p r e s e n t d a m b o d y ． Ke y wo r d s t a i l i n g pon d ； s a f e ty a s s e s s me n t ； e mb a n k me n t ； c i r c u l a r a r c S w e d i s h me t h o d 1 概述 尾矿库是矿山企业最大的环境保护工程项 目， 尾矿库既是一座人为形成 的高位泥石流危险源， 又 是环境污染源， 是非煤矿山的重大危险源之一 ， 生产 运行期间尾矿库的稳定性研究对于矿山安全生产具 有重大的现实意义。因此 ， 对尾矿库稳定性进行安 全评价尤为重要。 尾矿库安全性评价中， 由于尾矿性质极为复杂 ， 分析条件很少常规 ， 尾矿坝技术起步较晚， 危害程度 收稿 日期 2 0 0 60 4 2 6 作者简介罗建林 ， 男， 硕士研究生。 分析与定量估算还未形成 固定的模式 ， 大致采用定 性分析方法 安全检查表等 和定量分析方法 包括 模糊综合评价法、 灰色综合评价法等 及其他安全评 价法。定性分析方法的特点是简单 、 容易掌握、 操作 方便、 评价过程及结果直观 。缺点是评 价结果不能 量化， 含有相 当高的经验成份 ， 对 系统危险性 的描述 缺乏深度 ， 不同类型评价对 象的评价结果没有可 比 性。而模糊综合评价法 、 灰色综合评价法又有明显 的缺陷 ， 如权重较难确定 ， 而且很难避免 主观性 ， 权 重的均一性导致评价的非公正性等。这些方法在实 际应用中大多存在不确定性 ， 尤其是尾矿库堆积坝 稳定性确定更显突出。 目前 ， 尾矿坝的稳定性分析方法主要是圆弧法 ， 根据 选矿厂尾矿设施设计规范 Z B J 1 9 0 第 3 ． 4 ． 1 条规定 尾矿初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定 性应根据坝体材料及坝基土的物理力学性质， 考虑 维普资讯 第 3期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 。8 5 ‘ 各种荷载组合 ， 经计算确定 ； 计算方 法宜采用 圆弧 法。现结合实际工作 ， 对 圆弧条分法在尾矿库坝体 稳定性安全评价中的应用做一简要介绍。 2 圆弧条 分 法及尾 矿 库坝 体 稳定 性 的 受力 分析 2． 1 圆弧条分法简介 圆弧法早 在 1 9 1 6年 由瑞 典 人 P e r t t s o n首先 提 出 ． 由 F e B e m u s 和 T a y l o r l s 等人不断改进 ， 逐渐完善 成为现在通称的所谓简单条分法或瑞典 圆弧法。它 是基于平面应变假定 ， 视滑面为一个圆筒面， 分析时 通常将滑体分成许多竖条 ， 以条为基础进行力的分 析， 各条之间的力大小相等， 其方向平行于滑面， 以整 个滑面的稳定力矩与滑动力矩之比作为安全系数 。 2． 2 受 力分 析 将图 1 中滑动坝体 A B C D分成若干垂直条 ， 选 择第 i 条分析其受力情况如图 2 。 作用于砂条上的力 包括 自重 ， 砂条两侧的侧压力 ， P f ， ， 条间切 向 力 ， ， 以及石条滑弧面上的径向反力 和切 向 反力 。 ／ 、、 ＼ ＼． ． ／ 1 i c 、、 ＼ 、 、 ， 。 一 ，‘- t L ． ． 、 、 、 、 ● ， 、 、 、 、 f 1 _ 图 1 圆弧条分 法计 算图式 2 ． 3 安全系数 值计算 稳定安全系数 值计算 取 1 m长砂堤 ， 将坍塌 体分成许多小砂条 ， 使坍塌体滑动力为尾矿砂 自重 和渗透压力 ； 抵抗其 滑动 的力为滑动面上的矿砂摩 擦力和凝 聚力 ， 取这些力对滑动圆心的抵抗力矩和 滑动力矩之 比， 即为稳定安全系数 。 图 2 第 i 石条的受力分析图 设阻止各砂条滑动 的抗滑力矩总和为 MR ， 各 砂条的滑动力矩总和为 。 定义稳定安全系数 尬 ／ ， 工程实践中为简 化计算 ， 常假定 i 砂条两侧 、 的合力与 ， 、 ， 的合力相等方向相反， 且它们的作用线重合。 这样就可 以只考虑 、 及 了。 利用刚体平衡法可得 砂条 自重引起 的切 向力所产生的滑动力矩 对 滑动圆心 为 ∑ R∑ W i s i n a iR 1 砂条底部抗剪强度产生的抗滑力矩为 ∑ tfl R∑ N i t g b i c ll R ， N i c o s a l 2 由瑞典圆弧法得所 以坝体稳定安全系数计算公 式如下 生 型 r 、 2 y I n 丑 b i s i n a i 式中 为安全系数 ， 无量纲 ； C 为尾矿凝 聚力 ， 单 位为 t ／ ／ m 3 ； Z 为滑块砂条下部 滑动面弧长 ， 单 位为 m； ， ， 为砂块湿重度 ， 单位为 t ／ ／ m 3 ； ， 2 为砂块浮重度 ， 单位为 t ／ ／ m 3 ； ， 3 砂块饱和重度 ， 单位为 t ／ ／ m 3 ； h 1 为浸 润线以上至坡面或坡顶高度， 单位为 m； h i 2 为浸润线 以下至砂条滑弧下边线的高度 ， 单位为 m； b 为滑块 砂条宽度 ， 单位为 m； a 为滑块中点处 圆弧法线与 中 垂线的夹角， 单位为度 ； 为土壤摩擦角， 单位为度。 3 工程应用 3 ． 1 工程简介 某选矿厂尾矿库初期坝 为不透水型拱型钢筋混 凝土坝 ， 初期坝坝高 5 ． 2 m， 坝顶宽 1 ． 1 5 m， 堆积坝采 维普资讯 8 6 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 2卷 用上游法堆筑 ， 高 2 2 ． 8 m， 堆积坝坡度为 1 2 ， 全库容 为 8 4 5 9 6 m 3 ， 汇水面积 0 ． 8 ， 该尾矿库为 五等库 ， 库 内沉砂至滤水井依次为 中粒 大于0 ． 2 4 6 n q． 1 n 、 细 砂 小于 0 ． 2 5 m m、 大于 0 ． 7 m m 、 粉砂 小于0 ． 0 7 m m ， 其 中尾坝基处中砂粒状为 3 8 ． 0 9 ％ ， 细砂 5 0 ． 9 l ％ ， 粉粒状 1 1 ％ ， 因而尾矿库子坝为沙土性 ， 化学组分 及粒级对筑坝较为有利 。坝体尾矿的平均物理力学 指标见表 1 。 表 1 坝体尾矿的平均物理 力学指标 注 ① 表中指标均系从坝体取样试验所得的平均值 ； ②c、 值为直剪 固结快剪 强度指标。 3 ． 2 计算步骤 1 按 比例绘出坝体的剖面图， 假定滑弧圆心及 相应 的滑弧位置 如图 1 。 2 坝坡外取一点 并使该点距坝顶2 H， 距坝 脚 4 ． 5 ／ 4 H为堆积坝坝高 。 3 从坝脚作 A n直线 ， 从坝顶作 劭 直线 ， 其交 点为 2 。 此两线 的方向按角 1 和 来确定 ， 两角之 值随坝坡坡度 而变 ． 根据正泰选矿厂堆积坝坝坡 ， 1 2 ， 由经验数据可得 』9 12 5 。 ， 』 9 2 3 5 。 。 连接 1 2，并延 长之， 得 1 线。 4 在坝坡 中点 D作一铅垂线 ， 并在该点作另 一 直线与坡面成 8 5 。 角 ； 以坝坡中点为 圆心， 分别以 R 10 ． 7 5 H 1 7 ． 1 m和 R 21 ． 7 5 H 3 9 ． 9 m为半 径作弧 ， 与上述二直线 相交 得到扇形 G H N F。 R 和 2值随坝坡的坡度而变 ， 其值可由表 2查得 。 5 在扇形范围 内， 1 直线上选一点 01 ， 以 0l 为圆心 ， 作圆弧通过坝脚 A， 经量取滑动半径 1 1 5m 表 2 R 1 、 R 2 与坝坡关 系值 6 将圆弧 A B C内的砂体 ， 分成若干砂条 ， 采用 的砂条宽度 b0 ． 1 R 1 1 ． 5 m， 进行计算。 分条时 以过圆一 t 5 “ 0 1 ” 点的铅直线 0 1 E为起点 ， 即 01 E为 零线 ， 0 1 E以左分为 一1 ， 一2 ， 一3 条 ， 01 E以右分为 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， 6条。 7 划 出尾矿库堆积坝断面 的浸润线 ， 分别量 出浸润线上下各砂条对应的高度 h 1 和 h 并进行 列表计算 ， 计算结果见表 3 。 应 当注意 ， 滑动体两侧 砂条的宽度不会恰好等于 b ， 因此应 当将 该砂 条的 实际高度 h 折算成假定宽度 6时的高度 h 。 8 量出滑弧中心角 06 7 ． 8 3 ， 计算滑弧长度 L 丌 0 R／1 8 0 6 7． 8 3丌 l 1 5 ／1 8 0 1 3 6． 1 4 ／ m 9 将 已知值代人下式 ， 得到第一次试算的安 全系数为 K C L 抗滑合力 ／ 滑动合力 [ ∑ c 7 1 h i l 2 h i 2 b i c o s a i t g ] ／ ， 1 h 1 ， 3 h i 2 b i s i n a 2 ． 1 01 ． 1 5 该尾矿库为五等库 ， 正常运 行时稳定性系数为 1 ． 1 5 所以该尾矿库堆积坝坝体稳定性能满足安全的 要求 。 维普资讯 第 3期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 8 7 1 o 在扇 形范围内， l 直线上再以其它圆心 O 2 ， O 3 ， O 4 ⋯⋯ 重新进行上述计算 ， 求 出相应 的安 全系数 ， 然后找 出最小安全系数 i ， 此即为坝坡的 稳定安全系数值 ， 比较是否满足工程要求 的 K， 不 满足时应采取安全措施。 4 结论 静力稳定分析一般可以按 选矿厂尾矿设施设 计规范 z B J 1 9 0 规范要求做。为了得到分析依 据， 需安排工程地质勘察 。勘察资料的整理 ， 特别是 尾矿的分层、 各层尾矿 的强度指标 和取得这些指标 的试验方法 、 试验数量等将对稳定分析结果带来较 大影 响。 尾矿筑坝 受堆高速度 、 台阶高度、 物理 化学性 能、 沉降速度影响 ， 坝体半年后基本密实， 坝体稳定 ， 运用圆弧条分法对尾矿库堆积坝进行安全评价 ， 计 算简便 、 直观 ， 能对坝体 的稳定性作 出定量评价 ， 具 有一定 的使用价值。 参考文献 [ 1 ] 徐宏达． 上游式尾矿坝的沉积规律[ J ] ． 有色矿山， 2 0 0 3 5 [ 2 ] 徐宏达 谢亦石． 尾矿库安全评价初探 [ J ] ． 工业安全与 环保 ， 2 0 0 5 ， 0 3 1 9 1 51 8 [ 3 ] 陈祖煜． 土质坝坝坡稳定分析[ M] ． 北京 中国水利水 电出版社 ， 1 9 9 8 [ 5 ] 杨进良． 土力学[ M] ． 北京中国水利水电出版社， 2 0 0 0 [ 6 ] 李民庆． 岩体力学的力学基础 [ M] ． 长沙 湖南科学技 术 出版社 ， 1 9 7 9 [ 7 ] 张世文， 王红艳 ． 影响尾矿坝安全稳定性因素分析及对 策[ J ] ． 矿业工程 ， 2 0 0 4 ， 0 O 2 2 6 1 ～ 6 3 [ 8 ] 张培安 ． 浅谈尾矿库的安全技术管理[ J ] ． 有色矿山， 2 0 0 3 ． 0 3 2 2 3 2 3 5 维普资讯