尾矿坝边坡地质勘查及稳定性研究

陈 冬 华

(华北地质勘查局 五一四地质大队，河北 承德 067000)



尾矿坝边坡地质勘查及稳定性研究

陈 冬 华

(华北地质勘查局 五一四地质大队，河北 承德 067000)

以某尾矿库为研究对象，通过地质勘察，探讨了边坡水文地质条件及土体物理力学参数，并基于强度折减法对尾矿坝边坡进行数值模拟，结果表明：该尾矿坝边坡没有滑坡及泥石流等灾害发生的条件，库区工程地质条件相对较好，水文地质条件简单，在暴雨状态下边坡的稳定性有明显降低。

尾矿坝，地质勘察，边坡，稳定性

0 引言

我国大规模尾矿库8 000余座，正常使用的不足70%[1]。近年来尾矿库坝体滑坡事件多有发生，给国家、企业及人民的财产甚至是生命造成了巨大威胁。尾矿库坝体滑坡主要有坝体失稳和尾矿库内滑坡2种，很多学者从尾矿坝数学模型[2]、计算方法[3]、风险分析及评价方面[4，5]对尾矿坝稳定性研究做了大量的工作，取得了显著成果。文中以平泉尾矿库为研究对象，通过地质勘察确定边坡土层物理力学参数，并基于强度折减法对自然、暴雨以及地震三种状态下的尾矿坝边坡运用FLAC3D进行数值模拟，通过应力场、位移场分析对尾矿坝稳定性进行科学评价。

1 工程概况

1.1 尾矿坝概况

平泉县泰辉矿业有限公司尾矿库设计初期坝为透水堆石坝，初期最大坝高为31.0 m，现已被碎石压坡；现堆积坝坝标高560.8 m，子坝总坡比1∶2.94。尾矿库设计总库容为44.5万m3，设计总坝高71.0 m，尾矿库初期坝轴以上汇水面积约为0.20 km2，尾矿库设计为四等库。尾矿库为山谷型尾矿库。尾矿库处于一主沟长约0.35 km的沟谷内,库区底为强风化石灰岩，沟口筑坝。沟口东北方向约410 m是西哨鹿沟口，纵深方向东北—西南走向，沟口呈V字形，沟谷两岸基本对称，山体倾角40°～60°。库区地貌单元左侧为坡积相，右侧为剥蚀较陡裸露岩石，该区区域地貌为燕山山脉中段构造剥蚀低山区，地形较简单，地貌较复杂，植被局部较发育，沟谷及冲沟两侧局部覆盖第四系坡洪积层。库区基岩主要为石灰岩，尾矿堆积材料以细小颗粒尾矿砂为主(如图1所示)。

1.2 尾矿坝地质条件

库区地处燕山山脉中段，为低山区，库区基岩以元古界雾迷山组石灰岩(Jxw)为主，岩体表面的层理、节理及裂隙较为发育，这是长期风化导致的结果。库区地质构造简单，规模不大，库区及坝址山体稳定，地质构造简单，无不良地质作用，造成崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害可能性小。勘察结果表明，平泉县泰辉矿业有限公司尾矿库库区范围内，地层岩性根据性质及成因可分为天然地层、初期坝和尾矿堆积层三个部分。

地层表面为强风化石灰岩，局部覆盖含砾粉质粘土；尾矿沉积分选性不明显，普遍存在粘性尾矿夹层。夹层不在同一水平面上，主要呈现透镜体状，总体分布具有一定规律性。垂向存在上粗、下细的规律，水平层序分布则为堆积子坝向库区内呈现由粗到细的规律。

根据现场勘查、原位测试和室内实验结果分析，将库区岩土层划分为6个主层，即尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉质黏土、含砾粉质粘土、石灰岩，本次分析选取了尾矿库勘察的主剖面进行研究，通过标准贯入试验、室内土工试验与地区经验相结合，参考《尾矿库安全技术规程》中的物理力学指标，分析的标准值如表1所示。

表1 各个土层参数

2 尾矿坝稳定性数值模拟分析

2.1 强度折减法理论

通过对边坡土体粘聚力及内摩擦角进行折减，直至对应边坡临界状态时，折减前、后抗剪强度参数的比值即为安全系数[6-8]。强度折减法具体为：利用式(1)，式(2)来折减边坡土体的抗剪强度指标c和φ，通过数值模拟手段确定折减系数对应边坡临界状态，此时得到的折减系数即为安全系数Fs。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=arctanφ/Ftrial

(2)

其中，cF为折减后的边坡土体粘聚力；φF为折减后的边坡土体内摩擦角；Ftrial为强度折减法确定的折减系数。

可利用FLAC3D软件内自带的安全系数命令——solve fos，直接对粘聚力c和内摩擦角φ进行折减，最终确定临界破坏状态的安全系数。

2.2 计算模型的建立

模拟选取了尾矿库勘察的主剖面进行计算，模型尺寸及材料参数均依据前期勘查结果进行选取。涉及到岩土体材料变形的非线性特征，边坡岩土体材料本构模型采用理想弹塑性模型，初始应力只计重力。建模所适用的边界条件为：侧面水平位移约束，约束边坡的左边界和右边界，即横向位移；底面约束竖直方向位移，采用固定支座边界条件。为了简化计算，该场区的边坡问题可以等效看成平面应变问题，建模时只取断面的一个“薄面”。对于计算结果的分析，是在天然工况、暴雨工况以及地震工况下进行的，重点分析天然状态下边坡的稳定性情况，如图2所示。

2.3 计算结果分析

该边坡的水平与垂直位移分布分别如图3，图4所示。从图3尾矿坝边坡水平方向位移场分布可以得到，在天然状态下最大水平位移值为9.06 cm，主要分布在边坡临空面中下部；沿z轴正向垂直位移的最大值为2.58 cm，在自重影响下产生了沿z轴负向的位移3.95 cm。在实际工程中，水平位移指的是沿着x正方向指向边坡坡面这一侧，垂直位移正向是指向坡顶。如图4位移变形图所示，明显看出边坡潜在滑动面的位置。

该剖面为典型的斜面边坡，边坡垂直应力分布呈现带状，最大压应力在边坡内部，为27.45 MPa，最大拉应力为20.19 MPa，最大不平衡力与边坡内部达到平衡。根据地质勘察报告显示，目前该边坡是稳定的，用FLAC3D强度折减法计算的该边坡在天然状态、暴雨状态以及地震状态下的安全系数分别为1.31，1.10和1.31(计算图略)。说明暴雨状态下边坡的稳定性有明显降低；地震作用下边坡的安全系数数值不变，且与天然状态下的变形、应力状态等相一致。数值模拟的变形矢量图及塑性贯通区的范围表明了尾矿坝边坡可能潜在的滑动面位置。塑性区描述了边坡岩体的破坏特征，其中深绿色区域为塑性区(潜在滑动面)，即此区域内岩体的强度达到了极限，进而发生破坏而形成滑体。滑动面外侧区域各网格点的速度大于其他区域，因此发生了一定程度的塑性破坏。

3 结论与建议

1)库区场区及附近无活动性断裂构造通过，未发现有新近构造活动痕迹，该尾矿坝边坡没有滑坡及泥石流等灾害发生的条件，库区工程地质条件相对较好，水文地质条件简单。2)勘察期为平水期，如短时间内不进行尾砂回采，建议增大坝间排洪沟，增大库区排洪能力，防止洪水对堆积坝的冲刷。3)用FLAC3D强度折减法计算的该边坡在天然状态、暴雨状态以及地震状态下的安全系数分别为1.31，1.10和1.31，说明暴雨状态下边坡的稳定性有明显降低。

[1] 李全明，陈 仙，王云海，等.基于模糊理论的尾矿库溃坝风险评价模型研究[J].中国安全生产科学技术，2008,4(6):57-61.

[2] 袁 兵,王飞跃,金永健,等.尾矿坝溃坝模型研究及应用[J].中国安全科学学报,2015(4):173-176.

[3] 郑 欣,李全明,许开立,等.考虑变量相关性的尾矿坝坡失稳溃坝概率计算方法[J].中国安全生产科学技术,2015,11(2):23-27.

[4] 王肖霞,杨风暴,吉琳娜,等.基于柔性相似度量和可能性歪度的尾矿坝风险评估方法[J].上海交通大学学报,2014,48(10):1440-1445.

[5] 卜 磊,周汉民,李长洪,等.极限平衡法与强度折减法分析尾矿坝稳定性比较[J].有色金属(矿山部分),2014,66(6):70-74.

[6] 赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.

[7] 赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):254-260.

[8] 连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报,2001,23(4):407-411.

Geological exploration and research of tailings dam slope stability

Chen Donghua

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China)

Taking the tailings as the research object, through the geological investigation to determine the slope hydrogeology and soil physical and mechanical parameters, and based on strength subtraction for numerical simulation of tailings dam slope. Results show that: there is no large-scale collapse, landslide, debris flow and other geological disaster conditions, reservoir engineering geological conditions are relatively good, simple hydrogeological conditions, state of the slope stability is significantly reduced.

tailings dam, geological survey, slope, stability

1009-6825(2016)11-0083-03

2016-02-02

陈冬华(1979- )，男，工程师

P624

A