某尾矿坝的稳定性计算与分析实例

更新时间:2023-06-01 19:37:06 阅读：评论：0

某尾矿坝的稳定性计算与分析实例

一、引言

尾矿库是一种特殊的工业建筑物，也是矿山三大控制性工程之一。它的运营好坏，不仅影响到矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产及周边环境息息相关。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2600多座，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。2000年10月18日，广西南丹县大厂镇鸿图选矿厂尾矿库发生重大垮坝事故，共造成28人死亡，56人受伤，70间房屋不同程度毁坏，直接经济损失340万元；2008年，山西襄汾特大尾矿库溃坝事故造成了279人遇难。可见，尾矿库的安全稳定极其重要。

随着科学技术水平的不断提高，矿山企业对回收率越来越重视，矿石磨得粒度也越来越细。目前，细粒尾矿没有严格的定义。细粒尾矿是指平均粒径dcp≤0.03mm，且小于0.109mm的含量一般大于50%，大于0.074mm的含量小于10%，大于0.037mm的含量小于30%的尾矿。

尾矿坝作为堆载尾矿砂的重要构筑物，细粒尾矿筑坝的安全稳定性研究受到矿山企业的普遍送注。尾矿库安全运行的送键是尾矿坝体必须安全稳固，因此，为了防止尾矿坝事故的发生，对尾矿坝的稳定性分析研究是完全有必要的，意义重大。

二、影响细粒尾矿坝体稳定性因素

尾矿坝是尾矿构筑物的主体，影响尾矿堆积坝稳定的因素很多，如坝体内浸润线高低、沉积滩长度、尾矿堆积坝坝坡度、排洪系统等。

（一）坝体内浸润线高低对坝体稳定性的影响

坝坡浸润线是尾矿坝的生命线，它是直接影响坝体安全的一个非常重要的因素之一。地下水对坝体不仅产生动水压力，降低坝体的稳定性，尤其是在地震时，引起孔隙水压力的快速上升，有效应力减少，产生管涌、流沙和坝面沼泽化等危险，对尾矿坝安全带来严重的危害。根据现场堆积实践结果对比分析，细粒尾矿堆积坝的浸润线比一般尾矿堆积坝的浸润线高。浸润线位置的高低对于尾矿坝的稳定性影响勘大。浸润线如果降不下来，对尾矿坝的稳定是非常不利的。因此，一定要严格控制坝体渗流，防止浸润线偏高。

（二）沉积滩长度对坝体稳定性的影响

在排矿量大、浓度低的非放条件下，干滩面长度很大程度取决于库内水位控制。若干滩面控制过长，滩面的上升速度必然缓慢，由此而影响库容蓄水和澄清水距离不足导致回水质量变劣。若控制水位保持滩面坡度，使水面离坝顶水平距离缩短，库内水位上升，导致坝体安全稳定性降低。因此，控制、监测干滩面长度极其重要。

（三）堆坝坡度对坝体稳定性的影响

通过对细粒尾矿堆积坝物理模型室内试验的研究，测试出在不同坡度下细粒尾矿坝的承载能力，结果表明，当堆积坝坡度每增大10°，其坝体承载能力至少减至原来的1/5～1/6，说明提高尾矿堆积坝坡度不利于坝体稳定，更易发生破坏。因此，在实际尾矿库工程中，还应随时观测控制坝坡角度。

（四）尾矿砂密实度对坝体稳定性的影响

一般的尾矿堆积坝，通过自然分级，依靠自身的重力作用固结密实。细粒尾矿的平均粒径比较小，在分散放矿时，颗粒不容易沉积，当悬浮液浓度为5%～10%，潜流速度大时，可

能发生异重流，使得坝体空隙度大，压实性较差。尾矿材料的室内试验表明，坝体密度对抗剪强度有明显影响，密实度越高，抗剪强度越大。因此，在堆坝期间应严格控制放矿速度，避免出现由于矿砂疏松造成坝体失稳的情况。

（五）排洪系统对坝体稳定性的影响

排洪系统的好坏，会直接影响尾矿坝的稳定性。如银山铅锌矿尾矿坝决口事故、郑州铝厂灰渣库溃决事故、智利埃尔尾矿坝溃坝事故、美国布法罗河矿尾矿坝溃坝事故等，直接原因就是排洪系统故障或设计有误引起洪水漫顶。据不完全统计，我国有色金属矿山因排洪系统失事引起的灾难几乎占尾矿坝事故的50%。

（六）其他影响尾矿坝稳定性的因素

尾矿坝是尾矿构筑物的主体。影响尾矿坝体稳定性的因素很多，另外还有尾矿沉积层的抗剪强度、堆积坝的高度、库内水位的高低、工程措施、效果等，特别是对于非国有的中小矿山，施工及运行管理不当等因素都是影响尾矿坝体稳定性的原因。

三、工程实例

某尾矿库的初期坝坝型为碾压式石渣坝，坝顶标高为海拔104m，坝高17m，库容58万t时。堆满后用沉积尾矿堆筑子坝，边堆边存，最终堆集标高为126m，总库容325万m3，总坝高40m，平均坡度为1∶6。对堆积坝现状标高进行稳定性计算，鉴于坝体对于尾矿库的重要性，主要对105m和126m标高的稳定性进行分别论证。该库容量为325万m3，坝总高40m，属四等尾矿库。根据《选矿厂尾矿设施设计规范》第3.3.1条规定，三级及三级以

下的尾矿坝可不进行渗流稳定性计算，从而只需进行抗滑稳定性计算。

（一）漫润线的计算

确定化引滩长L及相应的化引库水位，并放矿

水覆盖绝大部分滩面，此时，化引滩长计算公式为：

Li＝3.3 LC0.48

式中Li为化引滩长；Lc为计算条件下的实际滩长。

化引库水位计算公式为：

式中Hi为化引库水位；H为计算条件下实际库水位；mo为沉积滩坡度系数（即沉积滩坡度为1∶mo）。浸润线位置参照尾矿设施设计参考资料确定。

hi＝Hi－Z

将尾矿坝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：

式中出逸点高度按下式计算：

式中m为下游坡坡度系数。根据尾矿坝运行情况计算所得的浸润线逸出高程见表1。这里计算工况取正常运行水位和洪水位两种。

根据野外勘察观测，当坝顶标高105m时，按此方法计算的浸润线基本上与实际浸润线吻合。

（二）计算参数的选取

该尾矿坝初期坝坝型为碾压式石渣坝，堆满后用沉积尾矿堆筑子坝，边堆边存，因而稳定性计算材料包括石渣、尾矿砂两种材料。依据野外勘察和《选矿厂尾矿设施设计规范》附录一该尾矿砂为尾细砂，其参数选取参考表2。

表1 浸润线计算参数统计

坝顶高程 Hd/m	库水位 H/m	计算滩长 Lc/m	化引滩长 L/m	化引水位 Hi/m	L1/m	△L/m	L/m	a/m	溢出高程 /m
105	101.00	100	30.10	103.80	81.00	8.72	89.72	3.68	89.68

表2 稳定性计算参数表

土层特性	天然容重 r/（kN/m3）	饱和容量 rsat/（kN/m3）	凝聚力	内摩擦角 φ/°
尾细沙	18.5	20.5	0	28.1
原始坝体材料	21.0	21.8	0	36

（三）荷载组合及安全系数

在尾矿坝的稳定性分析中，一般先按尾矿库的设计坝高和库容大小确定尾矿库的安全等级，再根据尾矿库的安全等级查表确定尾矿坝抗滑稳定性的安全系数。

地震烈度区域划分为6级烈度及6级烈度以下地区的5级尾矿坝，当坝外坡比小于1∶4时，除原尾矿属尾粘土和尾粉质粘土以及软弱坝基外，可不作稳定计算。该尾矿库工程抗震设防类别属乙类水工建筑，基本烈度作为设计烈度。本地的基本烈度为6度，因此设计烈度为6度，所以稳定计算不考虑地震荷载。

表3 稳定性计算的荷载工况

载荷组合		载荷类别
载荷组合		1	2	3	4	5
正常运行	总应力法	有	有	－	－	－
正常运行	有效应力法	有	有	有	－	－
洪水运行	总应力法	－	有	－	有	－
洪水运行	有效应力法	－	有	有	有	－
特殊运行	总应力法	－	有	－	－	有
特殊运行	有效应力法	－	有	有	－	有

该尾矿坝属四等尾矿坝，根据需要对坝顶高程106m（目前坝高度）和126m两种模型分别进行稳定性计算。

安全系数是指在设计、施工或使用过程中的工程项目必须达到安全性保证的定量标准，根据工程重要性程度而设定。尾矿库的抗滑稳定性安全系数，中华人民共和国安全生产行业标准《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005 )有明确的规定。

根据《选矿厂尾矿设施设计规范》，坝体稳定计算有以下两种荷载组合，见表4。

表4 尾矿坝抗滑稳定的安全系数规范值

运用情况	坝的级别
运用情况	1	2	3	4	5
正常运行	1.30	1.25	1.20	1.15	1.15
洪水运行	1.20	1.15	1.10	1.05	1.05
特殊运行	1.10	1.05	1.05	1.00	1.00

1、正常运行＝正常水位＋坝体自重，采用瑞典法计算，当尾矿库为四等尾矿库时安全系数K≥1.15；2）洪水运行＝最高洪水位＋坝体自重，采用瑞典法计算，当尾矿库为四等尾矿库时安全系数K≥1.05。

（四）现状坝体稳定性计算及结果

根据选矿厂尾矿设施设计规范，采用瑞典法对该尾矿坝各种运行情况进行稳定性评价。同时采用Bish叩法与之进行对比，稳定性计算参数采用表2中数值，计算结果见表5。

表5 运行稳定性评价

运行情况		圆心			瑞典法	Bishop法
运行情况		X/m	Y/m	半径/m	瑞典法	Bishop法
105m	正常运行	15.23	50.05	50.24	1.406	1.433
105m	洪水运行	15.01	50.13	50.13	1.375	1.396
126m	正常运行	15.32	120.02	120.04	1.179	1.207
126m	洪水运行	15.27	120.22	120.24	1.077	1.141