冶金矿山尾矿库坝体稳定性影响因素分析

2019-11-22 02:07李文海
冶金与材料 2019年5期
关键词:条块摩擦角尾矿库

李文海

(中冶沈勘工程技术有限公司,辽宁 沈阳 110169)

1 尾矿库分类及事故原因统计分析

1.1 尾矿库分类

目前,根据尾矿库地形不同将其分为3 类:(1)山谷型尾矿库。山谷型尾矿库充分借助山区(丘陵)地形,在下游处筑坝,形成拦截式库区。山谷型尾矿库具有筑坝工期短、成本低、容量大、管理方便等优点,是较为理想的库型,也是目前我国应用最多的库型[1]。(2)傍山型尾矿库。傍山型尾矿库在丘陵及湖湾地区存在较多,其利用山坡洼地,依山两面或三面筑坝,形成围截式尾矿库。该型尾矿库具有筑坝长度大、坝体高度小、库容小、防洪控制差等缺点,在我国南方地区较为常见。(3)平地型尾矿库。由于受地形限制,平地型尾矿库集中在平原地区,只能建在平底或凹坑处,人为在四面筑坝,工程量大、管理困难,且随着尾矿越来越多,库区面积、调洪能力等均减弱。平地型尾矿库占地面积大,但坝体高度低,一般不会发生事故[2]。

1.2 尾矿库事故原因统计分析

通过统计和分析全球范围内近百起尾矿库事故,制作了柱状图(见图1)。

图1 尾矿库事故原因柱状图

由图1 可知:(1) 坝体失稳占尾矿库总事故比例的34%,是最常见的事故原因;(2)边坡失稳占尾矿库总事故比例的18%,一般情况下边坡失稳会最终造成库坝裂缝,渗漏加剧,所以也是坝体失稳的重要原因[3]。

2 尾矿坝稳定性影响因素分析

2.1 瑞典圆弧条分法原理

为分析尾矿坝力学稳定性,在此采用“瑞典圆弧分条法”分析。为简化计算,假设滑动条体均为刚体,通过分析条块受力平衡来求解坝体抗滑稳定性安全系数。在此取其中任一条块,从X、Y 两个方向分析其力矩平衡方程,其抗滑稳定性安全系数F 的计算表达式见式(1)[4]。

式中:φ—第i 条块内摩擦角,°;β—第i 条块坡角,°;ci—第i 条块粘聚力,kN;li—第i 条块粘聚力力矩,m;Wi—第i 条块重量,kN;

通过分析计算公式可知:坝体抗滑安全稳定性系数F 主要和坝体筑坝材料、角度等因素有关,因此从这些参数分析可指导筑坝施工,提高坝体抗滑稳定性。

2.2 尾矿坝稳定性影响因素分析

2.2.1 尾矿渣物理力学特征对坝体稳定性影响分析

尾矿渣不同于水体,其一般以浆液或固体形式堆积在库区,其对坝体的冲击挤压力是影响坝体安全稳定性的重要因素,而尾矿渣堆积层的抗剪强度τ 则直接决定了其冲击挤压力大小,其计算公式见(2)。

式中:σ—作用在尾矿滑动面上的正应力,kN;φ—尾矿堆积层内摩擦角;°。c—尾矿堆积层粘结力,kN。

由式(2)可知:内摩擦角φ 与抗剪强度τ 呈正比关系,进而可知也和安全稳定性系数F 呈正比关系。由此对摩擦角φ 与F 值的敏感性关系进行线性回归,得出式(3)。一般情况下,内摩擦角角φ 每增加1°,安全稳定性系数F 增加5%~10%。

此外,尾矿堆积层粘结力c 也与F 紧密相关,c 值越大,F 值也越大。对c 和F 值的敏感性关系进行线性回归分析,得到公式(4)。一般情况下:粘结力c 每增加5 kPa,F 平均增加0.05,影响程度较小。

式中:F0—稳定尾矿堆积层安全系数;β—尾矿堆积层坡角,°。

2.2.2 渗流浸润线对坝体稳定性影响分析

尾矿坝体浸润线位置是一个动态变化过程,浸润线是产生管涌、流沙的重要原因,对坝体安全稳定性系数F 有直接影响,表1 是经过统计大量数据得出的结果。由数据可知:(1)浸润线降低值越大,尾矿坝安全稳定性系数F 的值越大;(2)随着水位的增加,尾矿坝安全稳定性系数在逐渐下降。综合分析,浸润线高度每相差1 m 水位,尾矿坝安全稳定性系数F 就相差0.02~0.05,变化率在1.2%~2.5%。

表1 浸润线位置对尾矿坝稳定性影响分析

3 结 语

通过分析可知:尾矿渣堆积层的内摩擦角φ 和尾矿坝体浸润线是影响坝体安全稳定性的主要参数,因此在筑坝施工、矿渣排放、日常巡查中要特别注意检测这些参数的变化,科学管理,将危险因素全部排除。

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