李秀春，李富平，王旭东

（1.河北联合大学矿业工程学院， 河北 唐山市 063009；2.河北省唐山市迁西县委办公室，河北 迁西县 064300；3.中国黄金集团迁西鑫峪矿业有限责任公司， 河北 迁西县 064300）

0 引 言

尾矿库是矿产资源开发过程中3大必不可少的基础性工程之一，但是，尾矿库又是一个具有高势能的人造泥石流重大危险源，重大事故时有发生。当前我国大概拥有尾矿库1万多座，尾矿堆存量将近90亿t。而且，我国许多尾矿库的地理位置十分重要，有的位于大江、大湖、重要水源地上游，有的位于重要公交设施上游，有的在密集的居民区上游，库坝一旦发生垮塌，势必造成严重的人员伤亡和财产损失［1－5］。因此，尾矿库坝体的安全稳定性十分重要。

本文从渗流安全与坝体稳定性两个方面分析了鑫洲铁尾矿库的安全性能，为企业的安全生产提供参考。

1 项目概况

尾矿库位于迁西县东荒峪镇鑫洲铁选厂南0.6 km的自然沟内，沟呈东西走向，沟长0.4km，坝址以上流域面积0.068km2，除了库区西面外，其余三面环山，属于典型的山谷型尾矿库。尾矿库初期坝高14.5m、坝顶宽4m、内坡比1∶1.6、外坡比1∶1.75，坝底高程173.5m，坝顶高程188.0m，采用山坡废石土碾压而成。采用上游法堆积筑坝，子坝外坡平均比1∶1.75，内坡比1∶1.75。设计堆积坝坝顶标高为211.0m，最终堆积坡比1∶2.5，设计总坝高37.5m，总库容为67.9×104m3，参照《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）要求，该尾矿库属于四级尾矿库，设计服务年限6.5a。

目前，尾矿库坝顶堆积标高已达到100m，根据相关规程规定，当尾矿坝堆积高度达到最终设计坝高的1／2～2／3时，应当对坝体进行一次全面勘察，以校核坝体现状的稳定性。本文针对其中的初期坝进行了渗流和稳定性分析。

2 基本原理

2.1 渗流计算原理

渗流计算依据达西（Darcy）定律［6－7］：

式中：Q——断面流量；

k——材料的渗透系数；

i——水利坡度。

对于二维稳定渗流，控制方程为：

式中：kx、ky——X、Y方向的渗透系数，当材料是各向同性时，kx＝ky；当材料为各向异性时，kx≠ky，本文模拟采用各向异性材料参数；

H——总水头。

计算方法采用有限元，采用三角形构造有限元方程。根据变分原理和Galerkin方法，构造方程的单元有限元方程，表达式如下：

式中：［B］——梯度矩阵；

q——通过单元断面的流量；

A——尾矿坝横断面面积；

L——尾矿坝长度。

边界条件的处理，按照3种边界条件处理，各种工况条件如下。

2.2 尾矿坝稳定性计算原理

在尾矿坝的静力分析和地震力稳定性计算分析中，瑞典圆弧法和简化Bishop法使用最为广泛。其中瑞典圆弧法根据计算指标不同，又分为有效应力法和总应力法。因为有效应力法涉及到孔隙水压力，所以通常较多地采用总应力法进行尾矿坝的稳定性分析［8－10］。

瑞典圆弧法将滑块划分成不同条块，不考虑各条块间的作用力来求解安全系数。取任意条块，通过解水平、垂直方向力矩平衡方程，得出瑞典圆弧法计算稳定性系数的表达式：

αi——条块重心点到滑弧圆心的力臂，m；

R——滑弧半径，m；

Cs——地震系数，一般取0.03～0.27；

Wi——条块的土重量，kN；

θi——条块画面的倾角，°。

简化Bishop法，假设每个条块侧面上的合力是水平方向的，条块之间无摩擦，根据垂直方向的分力为0，通过迭代，求解力平衡方程得出安全系数。

3 渗流安全分析

3.1 渗流模型建立

根据坝体构造分析，渗流模型由细尾砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土、废石土、砂砾土以及基岩等组成。根据《尾矿库岩土工程勘察报告》的相关数据及经验参数，材料渗透系数见表1。

在网格划分方面，考虑三角形网络精度相对较高，计算均为三角形网络剖分，计算模型见图1。

从尾矿库初期坝的堆筑至堆积坝堆积至最终设计标高211.0m，计算工况选取如下：

（1）初期坝顶标高188.0m；

图1 尾矿库渗流计算模型

（2）终期坝体标高211.0m。

3.2 计算结果及分析

采用AutoBANK6.0进行二维有限元模拟，分别对两种计算工况下的坝体在正常（考虑放矿水的影响）、最高洪水两种情况下运行的浸润线进行计算模拟，计算结果见图2～图5。

由图2～图5可知，不论是在正常，还是在最高洪水工况下运行，计算的坝体浸润线比较低，且最小埋深都大于规程要求的深度，浸润线均没有从下游坡面溢出。

图2 正常工况下初期坝顶浸润线模拟

图3 洪水工况下初期坝顶浸润线模拟

图4 正常工况下终期坝顶浸润线模拟

图5 洪水工况下终期坝顶浸润线模拟

从尾矿坝情况看，一是初期坝是透水堆石坝，渗水性能特别好；二是正常情况下，库内尾矿水量不大，尾矿澄清水通过排水斜槽排至回水池供循环使用，库内存水不会太多，后期水位稳定在标高208.5 m左右。

综上所述，通过渗流分析，尾矿库的浸润线满足规程规定。

4 坝体稳定性分析

4.1 计算参数

根据《尾矿库岩土工程勘察报告》及附近同类型选矿厂尾矿库岩土层力学参数及经验参数，稳定计算分析采用的岩土力学参数见表2。

考虑最危险断面的情形，分别选取初期坝体（标高188.0m）、终期坝体（标高211.0m）和副坝（标高211.0m）的剖面为计算剖面。按照相关规范要求，对各种情形下的坝体分别在正常水位、最高洪水（最小安全滩长）及地震3种工况条件下进行计算。参考安全标准见表3。

表2 稳定分析选用材料参数

表3 安全标准

4.2 计算结果及分析

初期、终期堆积坝、副坝坝体稳定性分析结果见表4。

表4 稳定性计算结果

由表4可见，初期坝体、终期坝体及副坝在各种工况条件下均能满足《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）对安全系数的要求，计算得出的抗滑稳定系数大于允许最小安全系数，能保证尾矿坝的稳定运行。

5 结 论

（1）尾矿库作为重大危险源，坝体的稳定情况至关重要。尾矿坝浸润线情况是坝体稳定性的主要影响因素之一，只有准确分析预测尾矿坝浸润线位置才能够科学合理地评价坝体稳定性。采用河海大学工程力学所编制的AutoBANK6.0能够很好地进行尾矿坝浸润线位置分析，分析结果表明：即使在最高洪水工况下运行，坝体浸润线依旧比较低，且最小埋深都大于规程要求的深度，尾矿库的浸润线满足规程规定。

（2）影响尾矿坝浸润线的因素十分复杂，为了尽可能准确计算，分析之前应先准确检测尾矿的分层情况和渗透性。

（3）参照尾矿库安全技术规程，综合瑞典圆弧法和简化Bishop法进行计算，结果表明：尾矿坝在正常、最高洪水以及地震工况下，坝体安全系数均符合规程要求，坝体具有良好的稳定性。

［1］ 祝玉学，戚国庆.尾矿库工程分析与管理［M］.北京：冶金工业出版，1999.

［2］ 文 兴，陈 星.某尾矿坝坝体稳定性分析［J］.采矿技术，2011，11（1）：30－31，42.

［3］ 陈其付.琅琊山铜矿尾矿坝稳定性分析［J］.采矿技术，2010，10（2）：43－44，71.

［4］ KWAK M，JAME D F，KLEIN KA.Flow behavior of tailings paste for surface disposal［J］.International Journal of Mineral Processing，2005，77（3）：139－153.

［5］ MIAN M H，YANFUL E K.Tailings erosion and resuspension in two mine tailings ponds due to wind waves［J］.Advances in Environmental Research，2003，7（4）：745－765.

［6］ 丁述基.达西及达西定律［J］.水文地质工程地质，1993（3）：33－35.

［7］ 苑莲菊，李振栓.工程渗流力学及应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2001.

［8］ 李 亮，褚雪松.边坡临界滑动面与临界可靠度滑动面对比分析［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2012，40（9）：81－85.

［9］ 张洪全.考虑降水渗流对边坡稳定性影响分析［J］.工程与建设，2009，23（6）：855－857.

［10］罗凤姿.尾矿坝固结渗流模型关键参数研究［J］.矿业研究与开发，2010，30（3）：92－94.