某金矿初期坝与堆积坝体稳定性计算与分析

赵云刚 许德鲜 文 君

0 引言

尾矿坝(库)是用来存放选矿或有用矿物提取后剩余的排弃物,即尾矿,是选矿生产设施重要组成部分。尾矿坝能否安全稳定运行,对选厂生产起着至关重要的作用,同时尾矿坝又是一个重大的危险源。因此,准确评价尾矿坝的稳定性是防止尾矿失稳溃坝、威胁人民生命财产安全的前提,并为最终的防治提供依据,也是确保尾矿安全运行的必要条件。

1 尾矿坝现状特点分析

1.1 初期坝现状条件

因初期坝当初未按1990年设计的坝坡施工,人为缩小了坝体断面。原设计迎水坡比 1∶1.75和 1∶2,而实际为1∶1和1∶1.75;原设计背水坡比为 1∶1.5 和 1∶1.2,而实际为 1∶1 和 1∶2。背水坡马道以上坡比由原设计的1∶1.1削减为1∶1,坝体纵向减小3.5 m。此外,坝体碾压不实、尾矿堆积坡比过大等不利因素也是导致坝体局部不稳的主要原因。

技改加固后初期坝现状：1)坝前增设反压,把坝下涵洞延长25 m,采用钢筋混凝土浇筑拱涵。2)削缓坝坡,使堆积坡比为1∶6,子坝平均坡比 1∶7.2。3)加固后的初期坝外坡坡比 1∶3,内坡比1∶1.75和1∶2.0,坝顶宽4.5 m。并在初期坝顶修筑一横向混凝土挡墙,墙高80 cm,高出出溢点30 cm。4)完善初期坝坝肩截水沟为混凝土浇筑构成,结构完好,沟内通畅。

至2007年年初,东沟尾矿坝堆积高程为1 409.30 m,已超过最后一次技改设计最终堆积高度19.30 m,坝总高达61.85 m,属Ⅲ等库。

1.2 堆积坝现状条件

1)坝体结构：经勘察实测坡比(连同马道宽度计算)1∶7.2＜1∶6(设计坡比),则是安全的。

2)堆积坝土的工程性质沉积规律：根据勘察成果,从工程地质剖面图上可直观显示出尾矿堆积层的分布呈现外粗内细、上粗下细的分选沉积规律。

3)土的均匀性：尾矿土在沉积过程中近水平层状,其中尾粉砂中夹有薄层尾细砂或多层微层状尾粉土或尾粉质黏土;其下的尾粉土和尾粉质黏土层则分布较均匀。

4)土的渗透性：尾矿土的渗透性是最为复杂和难以确定的参数,根据实测现场注水试验和室内渗透试验,结合场地尾矿土的工程条件及浸润线位置,计算过程中推荐采用初期坝为0.08 m/d,尾粉砂层渗透系数K=0.17 m/d。

5)坝体浸润线位于尾粉砂层中上部,在坝顶一般埋深0.50 m～7.20 m;在子坝外坡地段一般埋深2.30 m～11.10 m。但在初期坝顶部后缘处明显可见浸润线出溢点。在1 385 m高程外坡地段,浸润线埋藏浅。在1999年雨季期曾出现过浸润线出溢和坝坡坍塌的险情。

2 稳定性评价

2.1 稳定性分析评价分析方法

本文综合利用了极限平衡法、有限元分析法两种方法。极限平衡法原理简单,实用性强,能够直接得到坝体稳定性的定量结果,应用较广;有限元法是通过建立数学模型,选择适合材料的本构关系来求解坝体在各种荷载作用的应力应变,然后按照一定的准则,判断并给出坝体的稳定性,优点是能够较好地考虑各种复杂地质条件,并能够得到坝体实际的应力及位移情况,近年来得到大力发展。

2.2 极限平衡法稳定性计算与分析

本文在利用极限平衡法进行计算分析时,在数值选取中充分考虑到工程类比之经验结果。稳定性计算图解和计算式如下(见图1)：

当应用总应力法时,总应力法宜以水土组合体为研究对象,水和颗粒之间的相互作用力为内力,只需考虑条块边界上的力,主要受到垂直于边界面的水压力：

1)计算坝高确定。本勘察计算现状坝高61.85 m(高程1 409.30 m)和拟定后的扩容坝高71.85 m(高程1 419.30 m)。

2)计算工况和最小安全系数。计算工况和最小安全系数见表1。

3)计算方法与荷载组合。

计算方法与荷载组合见表2。

表1 计算工况和最小安全系数

表2 计算方法与荷载组合

4)计算参数取值。采用总应力法分析计算时,考虑地震影响的特殊工况及洪水和正常运行工况,计算参数见表3。

表3 总应力法矿渣及堆石初期坝计算取值

5)计算剖面的选取。选择典型的、有代表性的工程地质纵剖面(沿可能破坏的轴心方向)为计算剖面。稳定性计算采用基于极限平衡理论的传递系数法进行。

6)计算成果及评价。通过对矿渣及堆石初期坝进行稳定性的计算,并对结果进行统计、归纳、分析,其成果及评价见表4。

表4 矿渣及堆石初期坝计算成果表

2.3 尾矿坝渗流有限元计算与分析

1)计算剖面、计算工况和计算参数选取同上。

2)不同工况计算简图。

a.正常运行工况(坝高1 409.3高程)的渗流有限元计算评价：计算剖面简图见图2(计算过程从略)。

b.洪水运行工况(坝高1409.3高程)的渗流有限元计算评价：

计算剖面简图见图3(计算过程从略)。

3)计算结果及评价。渗流有限元计算结果及评价见表5。

表5 渗流有限元计算结果及评价

3 治理措施及建议

3.1 初期坝整治建议

1)增加初期坝高度,高出1 360.59 m浸润线溢出点一定高度,让溢出点低于初期坝顶;加宽初期坝顶宽度,并采取措施降低浸润线。

2)做好初期坝的动态管理和监测工作,避免初期坝的再次鼓胀造成事故。

3)根据上述监测结果,必要时应采取加固措施。

3.2 堆积坝整治建议

1)建议进一步做好土石覆盖和植树、种草护坡工程,尤其是1 401 m～1 409 m高程地段。

2)建议对上述渗流计算结果1 380.0 m和1 386.7 m处进行浸润线观测、监测,采取动态管理,以防止浸润线溢出造成事故。

3)建议在坝坡马道较宽地段削缓上游陡坡填缓马道后部,防止浸润线出溢,并做好坡面土石覆盖和种草植树等护坡工作。

4)增设坝坡体浸润线观测装置和坝体变形监测装置,跟踪监测以掌握坝体变形态势。

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