渗流影响下尾矿坝稳定性研究

李克达 陈冬华

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000)



渗流影响下尾矿坝稳定性研究

李克达 陈冬华

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000)

以磨石沟尾矿库现状坝体为研究对象，采用勘察、试验以及数值模拟手段，研究了尾矿坝正常运行和洪水运行两种不同水位工况下的坝体渗流稳定性及抗滑稳定性，结果表明：现状库内水位正常运行和最高洪水位运行两种工况下的坝体抗滑稳定性安全系数均大于规程所规定的最小安全系数,满足规范要求。

尾矿坝，渗流，稳定性，洪水运行工况

0 引言

矿山生产中尾矿坝是重要设施，它的运行状况直接关系到矿山企业效益，甚至对人民生产、生活安全产生直接影响[1]。尾矿坝溃坝、垮塌等事故时有发生，尾矿库泥沙流经长度长、范围广。渗流是影响尾矿坝安全运行的重要因素，要对尾矿坝进行安全控制，必须要分析渗流状态下坝体的安全稳定性系数[2-4]。本文结合磨石沟尾矿库坝为研究对象，采用有限元方法模拟研究常水位和洪水水位时浸润线位置，确定坝体安全系数，为坝体的安全评价提供理论依据。

1 工程概况

磨石沟尾矿库位于宽城满族自治县城西约16 km处的东黄花川乡西五沟村磨石沟内。2009年10月对该库进行了初步设计，设计年处理矿石275.0×104t，尾矿库设计初期坝底标高为535.0 m,坝顶标高565.0 m,设计最终堆积标高630.0 m，尾矿库总坝高95.0 m，设计总库容为703.225×104m3，尾矿库设计等级为三等库。尾矿砂为中—细小颗粒，尾矿砂由生产厂区经泵、管道输送至尾矿库，流入库后端，澄清后，清水经回水系统流至车间，循环使用。该矿山选矿工艺为磁选，不加任何有害添加剂，尾矿砂不含有害元素，对周边环境基本无影响。

2 坝体岩土工程地质特性

勘察结果表明，磨石沟尾矿库库区范围内，地层岩性根据性质及成因可分为三个部分，即天然地层、初期坝、尾矿堆积层。天然地层表面为强风化基岩，局部有角砾层覆盖，初期坝为透水堆石坝体。由于尾矿沉积分选性不强，故砂性尾矿中普遍存在粘性尾矿夹层，且在同平面上不连续，呈透镜体状，但从整体上看仍存在一定规律。垂直层序上存在上粗下细的规律，水平层序上由堆积子坝向库区由粗变细。根据野外钻探、原位测试和室内土工试验结果，经综合分析，并经概化后将库区各岩土层划分为6个主层，即尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉质粘土、角砾、石英岩。坝体稳定水位埋深为6.0 m～14.6 m，尾矿库初期坝为透水堆石坝，坝基为中等风化石英岩，为弱透水层。

3 坝体稳定性理论分析

3.1 计算方法

考虑正常水位运行和洪水位运行两种情况，选用野外勘察中实测尾矿库主剖面，实测地质参数，选取不同的荷载工况，利用水工结构有限元分析系统软件进行不同情况下的渗流分析计算，利用土石坝边坡稳定分析系统软件(由河海大学工程力学系和黄委勘测设计研究院研发)，采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法进行稳定性分析计算。

3.2 计算剖面及参数确定

本次分析选取了尾矿库勘察的主剖面进行计算，基于主剖面建立了渗流分析和坝体抗滑稳定分析的计算模型，通过标准贯入试验、室内土工试验与地区经验相结合，确定物理力学指标如表1所示。

表1 各岩土层的物理力学参数表

3.3 计算工况及荷载组合

1)渗流稳定性分析。

磨石沟尾矿库现状坝体的渗流稳定性分析按以下两种水位运行工况进行：正常运行和洪水运行。正常运行条件下根据实测水面标高608.30 m及各岩土层竖直和水平渗透系数，采用水工结构分析系统软件进行二维数值模拟，分析评价坝体在该工况下的渗流稳定性。洪水运行条件下最高洪水位，中、后期按500年一遇计算，经调洪演算确定最高洪水位标高610.23 m，采用水工结构分析系统软件进行二维数值模拟，分析评价坝体在该工况下的渗流稳定性。

2)抗滑稳定性分析。

根据现行有关规范的规定，对坝体的抗滑稳定性计算分析包括两种工况：

a.库内正常运行水位标高608.30 m运行工况；

b.库内最高洪水位标高610.23 m运行工况。

3.4 渗透稳定性计算

1)正常运行条件下坝体渗流分析。

根据该尾矿库正常运行期实际情况，将正常运行期地质参数输入水工结构有限元分析系统软件，经计算得到该尾矿库正常运行条件下尾矿坝坝体渗流浸润线。考虑渗流计算得出结果对稳定计算影响，运用土石坝稳定分析系统，采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定的最小安全系数,如图1所示。

2)洪水运行条件下坝体渗流分析。

本次按中后期运用洪水重现期为500年进行计算，频率0.2%。

该尾矿库位于水文分区Ⅳ区,通过查《承德地区水文实用手册》(1973)，绘制洪水过程线，采用列表法，运用任意时段水量平衡方程：1/2(Q1+Q2)-1/2(q1+q2)Δt=V2-V1，分时段进行调洪演算，确定调洪高度H=1.93 m。

在洪水运行工况下，最高洪水位为610.23 m。将地质参数输入水工结构有限元分析系统软件，经计算得到该尾矿库洪水运行条件下尾矿坝坝体渗流浸润线。由洪水运行工况下的二维有限元渗流数值模拟计算结果可以看出，洪水运行工况下干滩长度为153.74 m，浸润线未从堆积坝外坡出逸。

根据《尾矿库安全技术规程》中稳定性计算时荷载组合要求，考虑渗流计算得出结果对稳定计算影响，根据洪水运行条件最高水位，运用土石坝稳定分析系统，采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定的最小安全系数，如图2所示。

4 结语

根据本次对磨石沟尾矿库现状坝体的岩土工程勘察、试验以及在此基础上对该库在正常运行和洪水运行两种不同水位运行工况下的坝体渗流稳定性及抗滑稳定性计算分析，得出如下结论：

1)尾矿库正常运行工况下，干滩长度为209.91 m，坝体安全系数满足规范要求；

2)在设计洪水运行工况下，尾矿库的干滩长度为153.74 m，坝体安全系数满足规范要求;

3)根据对尾矿库在现状库内水位正常运行和最高洪水位运行两种工况下的坝体抗滑稳定性计算分析可知，采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算分析的安全系数均大于规程所规定的最小安全系数，满足规程要求。

[1] 路美丽,崔 莉.影响尾矿坝渗流场的因素分析[J].中国安全科学学报,2004,14(6):17-20.

[2] 王会芬,董羽蕙.尾矿坝渗流场的计算与分析[J].科学技术与工程,2010,10(24):5860-5867.

[3] 罗凤姿.尾矿坝固结渗流模型关键参数研究[J].矿业研究与开发,2010(3):92-94.

[4] 柳厚祥,李 宁,廖 雪.考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(17):2870-2875.

Stability study of seepage under the influence of tailings dam

Li Keda Chen Donghua

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China)

To stone ditch present situation of tailings dam as the research object, the survey, experiment and numerical simulation method, the normal operation of tailings dam and flood run two different water level under the operation condition of dam body seepage stability and stability against sliding. The results show that normal operation of water level of the status quo of the rolls and the highest flood level run two kinds of working conditions of dam body stability safety factor against sliding are the minimum safety factor is greater than the procedures as stipulated.

tailings dam, seepage, stability, flood operation condition

1009-6825(2017)10-0083-02

2017-01-22

李克达(1980- )，男，工程师

P624

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