考虑渗流作用下尾矿坝稳定性分析

李志平，付乐意

(国家林业局昆明勘察设计院，650031，昆明)

0 引言

在较长一段时间内，人们一直认为尾矿坝只需堆放尾矿渣土、结构简单、施工时间长，没有蓄水大坝那样复杂，但由于尾矿坝失事后所造成的人员、财产、环境等严重后果，学者、专家才开始重视尾矿坝研究工作，直到1976年国际大坝委员会(LCOLD)才逐渐认识到尾矿坝的重要性，并对尾矿坝稳定性展开专项的研究[1-4]。目前尾矿坝稳定性研究主要有3个方面：尾矿坝渗流稳定性[5-6]、坝体静力稳定性[7]、坝体动力稳定[8]3个方面。

渗流稳定性理论研究方面，在达西定律基础上经过了非饱和渗流Richards方程、有限差分法数值模拟、引入有限元分析法与非稳定流有限元计算方法的发展，逐渐形成了适用于尾矿坝渗流稳定性分析的理论基础[7-8]。渗流研究手段方面，主要有理论求解、半工业试验和数值模拟分析3种方法。相比前两者分析方法，数值模拟分析方法以其数值分析理论基础较为完备、计算精度较高和研究成本低等特点目前被国内外广泛应用。常用到的数值分析方法有：有限差分法、有限元法和边界元法等[2,9]，有限差分法是用一系列的差分公式求解微分方程的一种计算方法，最具表达性。本文主要从数值分析的方法进行研究尾矿坝渗流稳定性及静力稳定性问题，对动力稳定性研究不做过多介绍。

1 研究区工程地质条件

1.1 尾矿坝工程概况

核桃箐尾矿库位于核桃箐沟谷内，沟谷总体上西高东低，尾矿库采用上游法筑坝，从上游到下游整体部署分为：拦洪坝、排洪隧洞、初期坝、排水井管、集液池、拦污坝及回水设施等(见图1)。尾矿坝坝顶标高为1 982 m，总坝高148 m，总库容量约为2 883.75 万m3，尾矿库为二等库，分为初期坝和尾矿堆坝。初期坝为碾压式堆石坝，筑坝石料为矿山采场废石，初期坝顶标高为1 905 m，坝高为71 m，初期坝内有效库容229.35万m3，坝轴线长218 m，坝顶宽度为5 m，坝前坡比为1:2.25，坝后坡比为11:2.75；尾矿堆坝坝顶标高1 982 m，高度为77 m，约占总坝高的1/2，采用尾矿渣堆筑，尾矿堆坝1 905～1 935 m，内外坡比为1:2，每级子坝高度为2 m，坝顶宽2 m；尾矿堆坝1 935～1 982 m，由于考虑沟谷走向按照扇形调整堆坝轴线，尾矿渣堆筑坝平均坡比为1:6.2。

图1 尾矿概略图

1.2 场区地层岩性

项目区地层主要为第四系冲洪积(Q4al+pl)卵石层、第四系坡洪积(Q4dl+Pl)含卵石粉质黏土层、三叠系中统(T2b)强风化灰岩，按地层成因、岩性组成及物理力学性质等自上而下分为3层(见图2)。

图2 工程地质剖面简图

1.2.1 卵石层 灰白色、黄褐色，稍密～中等密实，卵石粒径大于20 mm约占28%～70%，卵石层中有25%～35%的黏土及粉砂充填，偶见漂石、块石，大部分卵石呈亚圆形状，卵石成分主要以灰岩、砂岩为主，少见玄武岩等。层厚3.0～17.30 m，平均厚4.58 m。

1.2.2 含卵石粉质黏土层 棕褐色，稍湿，呈可塑状，局部为硬塑，干强度中等，韧性为中等，摇振反应不明显；含有约15%～30%卵砾石，呈亚圆形状。层厚1.20～70.40 m，平均厚22.56 m。

1.2.3 强风化灰岩 灰白色、灰褐色、褐黄色，部分地段为灰岩夹页岩，层状构造，裂隙发育，岩体破碎，风化程度强～中等，岩芯呈短柱状～柱状，隐晶质结构，薄至中厚层状构造，可见溶孔、溶槽等溶蚀现象，岩溶较发育。

1.3 初期坝填料、尾矿坝堆料

初期坝填料取自矿山采场废石，采石场石料主要为中风化灰岩。采用铺料厚度为80 cm，碾压遍数为8遍的施工工艺。

尾矿坝材料按照粒径大小及塑性指数不同分为尾粉土①、尾粉土②两部分。尾粉土①的粒径的中值粒径d50=0.028 8～0.039 5 mm，平均值为0.032 8 mm，不均匀系数Cu=17.08～21.7，平均值为19.8，尾矿颗粒分布不均；曲率系数Cc=1.12～1.81，平均值为1.37。尾粉土①的颗粒级配良好。

尾粉土②的粒径的中值粒径d50=0.021 9～0.022 2 mm，平均值为0.022 0 mm，不均匀系数Cu=14.5～17.2，平均值为15.7，尾矿颗粒分布不均；曲率系数Cc=0.97～1.16，平均值为1.03。尾粉土②的颗粒级配良好。

1.4 岩土体物理力学参数

岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数表

2 二维有限元法分析

采用RocScience slide软件对尾矿坝坝高程为1 905 m、1 935 m、1 982 m时的稳定性进行分析，建立二维模型(见图3)，考虑渗流状态、非渗流状态，计算得出尾矿坝稳定性，结果如表2。

图3 二维计算模型图

表2 尾矿坝稳定性计算结果

1)当尾矿坝堆至1 905 m时，此时尾矿坝高度为71 m，在非渗流作用下尾矿坝稳定性系数均满足规范的要求分别为1.840和1.701处于稳定状态，在渗流作用下尾矿坝的稳定性系数分别为1.680和1.656，分别降低了0.16和0.345，稳定性系数下降百分比为8.69%和20.28%；采用Bishop法计算得到的稳定性系数比Janbu法计算的稳定性系数高约1.45%～8.17%。

2)尾矿坝堆至1 935 m时，此时尾矿坝高为101 m非渗流作用下尾矿坝稳定性系数分别为1.787和1.621，在渗流作用下尾矿坝稳定性系数分别为1.525和1.368，分别降低了0.257和0.253，稳定性系数下降14.38%和15.60%；采用Bishop法计算得到的稳定性系数比Janbu法计算的稳定性系数高约10.24%～11.48%。

3)当尾矿坝堆至1 982 m时，此时尾矿坝坝高为148 m，在非渗流作用下尾矿坝稳定性系数分别为1.680和1.632，尾矿坝处于稳定状态，在渗流作用下尾矿坝稳定性系数分别为1.496和1.368，尾矿坝处于稳定状态，非渗流作用下稳定性系数相比渗流作用下的稳定性系数分别降低了0.184和0.264，稳定性系数下降10.95%和16.18%，因此渗流作用对尾矿坝的影响较大，同时随着尾矿坝堆坝高度的增加，滑动面逐渐变长，滑动面圆弧位置上移。

3 三维有限差分法分析

采用迈达斯软件Midas GTS/NX对尾矿坝建立三维地质模型，并采用FLAC3D有限差分软件进行计算，分别对尾矿坝在1 905 m、1 935 m、1 982 m时的应力应变情况进行分析，并考虑天然状态和渗流状态具体如下。

3.1 天然状态计算结果

对尾矿坝天然应力状态下计算结果分析也同样分为3个部分进行，具体如下。

1)尾矿坝堆坝高度为1 905 m时，此时尾矿初期坝完成，坝内堆满尾矿渣。在不考虑外力的作用下，对其进行初始应力、位移分析结果见图4、图5。

图4 最大位移量云图(天然)

图5 XY方向剪应力增量(天然)

当尾矿坝高程为1 905 m，坝高71 m时，天然应力状态下最大的位移量为8.79 cm，位于坝后尾矿堆积区；初期坝左侧坝肩处出现应力集中，发生了塑性变形。

2)尾矿坝堆坝高度为1 935 m时，此时尾矿坝整体高度为101 m，在天然应力状态下的应力应变计算结果见图6、图7。

图6 最大位移量云图(天然)

图7 最大剪应力增量云图(天然)

可以看出，当尾矿坝高程为1 935 m，坝高101 m时，天然应力状态下最大的位移量为16.29 cm，尾矿堆坝坝底处出现应力集中现象，并发生了塑性变形。

3)尾矿坝堆坝高度为1 982 m时，此时尾矿坝整体高度为148 m，在天然应力状态下的应力应变计算结果见图8、图9。

图8 最大位移量云图(天然)

图9 XZ方向剪应力增量(天然)

可以看出，当尾矿坝高程为1 982 m，坝高148 m时，天然应力状态下最大的位移量为23.73 cm，主要位于尾矿坝顶；剪应变增量云图可以知道，尾矿坝堆至最终高度时，1 905 m和1 935 m台阶处出现了应力集中现象，并发生了塑性变形。

3.2 渗流状态计算结果

渗流作用下的数值计算分析同样分为3个步骤进行，具体如下。

1)当尾矿坝高1 905 m时，考虑渗流状态下尾矿坝整体的稳定性，并对其位移量和应力分布情况进行分析，如图10、图11。

图10 最大位移量云图(渗流)

图11 XY方向剪应力增量(渗流)

渗流状态下尾矿坝的最大位移量为21.45 cm，位于尾矿坝初期坝台阶上；在左侧坝肩应力较集中且发生了塑性变形。

2)尾矿坝高度为1 935 m时，此时的水位高度上升，对尾矿坝进行数值模拟计算，分析其位移和应力的分布情况，见图12、图13。

图12 最大位移量云图(渗流)

图13 XY方向剪应力增量(渗流)

可以看出尾矿坝高为1 935 m时，渗流状态下最大位移量为28.27 cm，位置仍然位于尾矿坝初期坝台阶处；随着水位的上升，尾矿坝右侧坝肩出现轻微的应力集中现象。

3)尾矿坝高度为1 982 m时，此时尾矿坝已经到达最终高度148 m，尾矿坝中水位相应的会有升高，对整个尾矿坝进行稳定性计算并分析位移应力的情况见图14、图15。

图14 最大位移量云图(渗流)

图15 XY方向剪应力增量(渗流)

可以看出尾矿坝高1 982 m时，考虑渗流情况下最大位移量为35.42 cm，XY方向剪应力增量，剪应力在尾矿坝左侧坝肩的集中区变大，并产生塑性变形。

3.3 二维有限元法、三维有限差分法的综合分析

通过二维有限元法分析，尾矿坝堆至1 935 m、1 905 m、1 982 m时，随着高度的增加，滑动面逐渐变长，滑动面圆弧位置上移，稳定性系数逐渐减小，但是稳定系数K满足规范要求，解决了尾矿坝的整体性安全问题。

二维有限元法分析无法说明的是尾矿坝内部应力应变的分布情况，通过三维有限差分法分析则解决了这个问题，回答了某一坝高条件下，最大位移量是多少，哪个方向剪应力增量，何处应力集中区变大，并产生塑性变形等问题。

4 结论

通过对核桃箐碾压尾矿坝稳定性进行研究，主要得出以下结论。

1)在不同坝高条件下，采用二维有限元法分析计算时，考虑渗流作用下稳定性系数比不考虑渗流作用下稳定性系数降低，渗流作用对尾矿坝稳定性影响大；采用Bishop法计算得到的稳定性系数比Janbu法计算的稳定性系数高。

2)在不同坝高条件下，采用三维有限差分法计算，天然状态下尾矿坝最大位移量比渗流状态下尾矿坝最大位移量小，渗流作用对尾矿坝稳定性影响大。

3)通过二维有限元法分析，得到尾矿坝的整体稳定系数，利用三维有限差分法分析计算，得出尾矿坝在不同坝高时的最大位移量、应力集中和塑性变形位置，2种方法相结合可以得到尾矿坝的整体稳定性以及整个坝体不同位置的应力应变状况。