降雨条件下尾矿库稳定性影响研究

　　摘要：尾矿库为矿山企业的配套设施，其安全运行与企业的生产、建设息息相关，而且尾矿库的安全运行将影响下游村庄的生命财产安全。本文以某市省某尾矿库为研究对象，将模拟软件、实地考察与室内土工试验所获得的相关物理力学参数为基础，在遭遇设计最大降雨的条件下对尾矿库坝体稳定性进行分析。结果发现，该尾矿库的坝体稳定性在坝高增加的情况下符合规范要求，可保持稳定;在降雨条件下，其坝体的稳定性随之降低。

　　关键词：尾矿库;降雨;Geo-Studio;稳定性

　　尾矿库为人造、高势能危险源，一旦发生坝体垮塌、渗透破坏、溃坝等事故，事故所诱发的泥石流、洪水等次生灾害对于下游建构筑物、人民群众的生命财产安全将造成巨大的危害，同时下游的生态环境将遭受难以修复的污染。由于尾矿的特殊性，其综合利用率仍然较低，只有少部分被回收用于建筑材料和矿山采空区充填，剩余的尾矿都被排入尾矿库中堆存。当尾矿库遭受地震、排(截)洪设施设备失效、超设计降雨等极端恶劣的自然灾害与人为因素时，其发生灾害性事故的风险将急剧增大。

　　国内外矿山中，降雨导致尾矿库坝体失效而造成严重危害事故的案例屡见不鲜。李焕强等构建了可调节边坡坡脚的物理试验模型，在降雨条件模拟了不同边坡坡脚情况下边坡的稳定性和入渗变化规律，并使用水分传感器、光纤传感器和压力盒等多种测量设备对对坡体的不同位置的含水率、不同深度的应变变化和推力进行监测[1]。戴绘以实际工程中的山谷型尾矿库为背景，通过有限单元网格建立了数值模型，在非稳定非饱和渗流理论基础上，对降雨与库水涨落等因素共同共同作用下的浸润线变化规律进行了系统的分析研究。采用饱和-非饱和渗流理论与水砂混合物非平衡连续方程和动量方程相结合的理论方法，建立连续降雨工况下尾矿库失稳溃坝的数学模型，在实际工程中应用该模型对连续降雨的失稳溃坝过程进行模拟分析。

　　1降雨条件下稳定性分析理论基础

　　降雨对于基质吸力、抗剪强度等筑坝材料的物理力学性质、孔隙水压力等应力状态具有很大影响，可导致坝体变形，严重的甚至可造成溃坝。探究最大设计降雨、不同坝高工况下尾矿库的坝体稳定性变化规律，有助于更好地了解尾矿库坝体的失稳机理及失稳过程，对防治尾矿库坝体失稳破坏有着重要意义[2]。

　　1.1降雨人渗理论

　　固体与孔隙共同组成多孔介质，将气态或液态在多孔介质中的运动称为渗流。根据质量守恒定律，在渗流场中，多孔介质中气态或液态的流人与流出的质量是相等的，而其中的各点在渗流场中的流速和渗透力大小都不同。假设渗流场被液体充满，以点o(xnYnzi)为中心取无限小正方体，各边分别与各坐标轴平行，边长分别为x、Y、Z。

　　1.1.1连续方程

　　假设vx，vy，v分别为点o(xnYnzi)沿着各个坐标轴向的渗流速度，则Pvx}Pvy}Pv}分别为单位时间与面积内流动的流体质量，那么A面中((xl-x/2}Yi}zi)在单位时间与面积内通过的质量为vx2，通过Taylor基数进行计算求解。

　　1.1.2饱和一非饱和渗流微分方程

　　潜水面(浸润面)处于渗流区域的边界，在实际工程应用中往往并不是水平，且随着时间的推移会产生变化。法国水力学家裘布依在达西定律的基础上开战了大量试验，试验表明，浸润面坡度对于大多数的地下水流都是很小的，因此可以假设在垂直的浸润面(即平面二)上任意一点p的水力坡降。

　　1.2稳定性分析数学模型

　　目前，尾矿库与边坡的稳定性分析计算中广泛采用诸如Geo-Studio，Slide等有限元数值模拟软件进行相关分析。各个单元所受到的作用力都等效于任意统一的节点上，进而组成相应的线性表达式，最后通过对其进行求解得到相应的结果。数值模拟软件的大量应用为人们分析解决实际工程中的问题提供了高效、准确的方法。

　　1.3极限平衡分析理论

　　极限平衡分析方法将边坡视作为刚体，其过于注重变形机制，而省略了破坏过程中土体的变化情况。根据莫尔一库仑强度准则，最终通过稳定系数对工程的稳定程度进行描述’“一‘zi。任意选定圆弧滑动面AD为可能发生滑移的滑动面，而后将圆弧滑动面AD上方的土体划分为宽度一致的垂直土条，并对土体重和反力进行计算，然后对滑动面AD上方土体的滑动力矩与抗滑力矩进行求解，最终得到滑面AD的安全系数。

　　2尾矿库的稳定性模拟分析

　　2.1Geo-Studio概况

　　Geo-Studio为广泛应用于岩土等行业的数值模拟软件。本文采用Slope/w(边坡稳定性分析)和Seep地下水渗流分析)两个模块对最大设计降雨条件下坝高增大工况下尾矿库坝体的稳定性进行模拟分析。

　　2.2工程概况

　　尾矿库位于某市省文山壮族苗族自治州中西部灰岩溶蚀洼地内，交通便利。尾矿库DEM。尾矿库主坝位于库区西南侧，浆砌石结构，坝顶宽为1.7m，坝顶标高为1612m，坝轴线长为80.2m，尾矿库在左岸坝肩部分设置了溢洪道，浆砌石结构。1#副坝位于库区东北侧，浆砌石结构，坝顶宽为1.8m，坝顶标高1612.0m，坝轴线长为87.6m，坝前放矿后库尾形成一定的水位，水位标高为1604.0m。尾矿库位于洗矿车间正东向、直线距离3.0km处，为天然岩溶洼地。原设计最终坝顶高程为1612.0m，堆积高程为1610.0m，有效库容为408.78万m3m，扩容工程建成后库容为865.50万m3，为四等库。

　　2.3降雨条件下稳定性计算分析

　　2.3.1模拟计算参数选取

　　选择坝顶高程分别为1610m和1620m时，在最大设计降雨工况下对尾矿库的坝体稳定性进行模拟分析。模拟分析中所需的各相关参数根据现场实际试验/测量和室内土工试验获得。

　　2.3.2稳定性分析结果

　　在计算中考虑最大降雨情况下(两百年一遇，175.5mm/d)，笔者研究了尾矿库分别在坝顶高程1610m(原设计最终坝高)和坝顶高程1620m(加高坝高)两种工况下的安全系数随降雨时间的变化规律。原设计坝高最大降雨情况下，初始安全系数，安全系数随时间加高坝高(增加10m)最大降雨情况下。

　　矿业论文投稿刊物：矿业工程是由湖南省教育厅主管，湖南科技大学主办的矿业类杂志。主要刊发采矿科学与工程、矿山安全与灾害防冶、矿山地质与勘探、矿物加工与利用、矿山机械与电气、矿山自动化与信息化、矿山环境保护等矿业工程及其相关学科学术论文。

　　结论

　　本文采用数值模拟软件对某市某尾矿库在不同坝高和最大设计降雨情况下的稳定性进行模拟，分析其稳定性随着坝高和降雨的变化规律，研究坝高增高和最大设计降雨两种工况下的尾矿库稳定性。结果表明，在坝高增加和最大设计降雨情况下，尾矿库的稳定性符合设计规范要求。在原设计坝顶高程1610m和增加坝高坝顶高程(1620m)两种情况下，尾矿库坝体稳定性的变化规律基本一致:前期均呈现骤降后趋于稳定值，且安全系数数值均符合《尾矿库安全技术规程》(ACS2006-2005)要求。

　　参考文献

　　[1]降雨条件下尾矿库稳定性计算分析[J].艾敏，王光进，杨玉婷，许志发，赵怀刚.矿冶.2019(05)

　　[2]浅谈尾矿库的稳定性与含水层渗透系数的关系[J].程社新，高智辉，牛志红.黑龙江科技信息.2014(33)

　　[3]水对尾矿坝稳定性的作用机理研究[J].秦华礼，马池香.金属矿山.2008(10)

　　[4]尾矿库设施稳定性改进对环境的影响和减缓此影响评估方案的进展[J].D.M.麦克海纳，S.贾纳斯泽乌斯基，R.L.哈拉姆.矿业工程.2003(02)

　　[5]基于不同降雨条件下露天矿边坡稳定性的分析[J].王德忠.工程建设与设计.2016(10)

　　作者：秦香伟