三元洞尾矿库加高扩容后坝体的稳定性研究★

周薛淼

(核工业二四〇研究所,辽宁 沈阳 110136)

尾矿库是指通过筑坝来拦截谷口或围地而形成的构筑物,在矿山的建设和开发过程中,扮演着不可或缺的至关重要的角色,起着十分重要的作用[1]。尾矿坝的安全稳定性受多种因素的影响,比如尾矿库址的选择、尾矿堆积坝高度变化、尾矿库内水的渗流作用以及岩土材料强度发生弱化现象,都会增加尾矿库发生溃坝的风险。如果受到某种因素的影响较大而引发溃坝,就有可能导致发生人造泥石流的灾难性事故。近些年来,突发尾矿库溃坝事件都会在国内外引起广泛的关注和报道,例如在2000年,位于罗马尼亚的乌鲁尔金矿遭遇了持续降雨的侵袭,致使尾矿库废水发生漫坝事故,其中有超过1万m3的含有氰化物等重金属的污水向四周流淌,结果导致污水所流之处所有的生物都未能幸存[2]。在2008年,位于山西省的山西襄汾新塔矿业,为了保持矿下的通风和紧急救援的畅通,经常进行矿下抽水并直接排入选矿厂,随后不断流入距离选矿厂十几米外的尾矿库内,导致尾矿库水位不断上升,引发了大面积液化和坝体失稳,最终引发了一场溃坝坍塌的灾难[3]。

随着国家改革开放的发展,对矿产资源需求量不断增加,使得各种矿产资源得到了快速开发,也致使尾矿的排放量不断地攀升,因此尾矿库容量的需求也随之日益增长。为了保障矿山实现长期安全稳定的生产活动,常规策略包含两个方向:其一是新建尾矿储存设施;其二则是对现存尾矿库进行增高扩容处理。然而,在着手建设新的尾矿存储设施时,无法回避的问题是对宝贵的土地资源进行新一轮的征用与整合,这一过程将无可避免地牵涉到大规模的资金投入和人力资源调配。相比之下,选择对现有尾矿库进行加高和扩大容积改造,则被证实为一种成本效益更为优化且切实可行的解决方案。对尾矿库进行加高扩容所带来的安全风险却不容忽视,所以研究尾矿坝的稳定性一直是矿山生产安全领域中备受关注的核心问题[4-7]。日常生产管理过程中,尾矿坝的安全稳定状态监测及维护工作涉及到高昂的成本支出,这一现实情况对矿山企业的经济效益构成了显著的压力和挑战。另外,如果某地区矿山企业遭遇尾矿库发生溃坝事故,该尾矿库下游附近的老百姓生命和物质财产安全将极有可能受到巨大威胁[8]。国内外岩土工程专家运用多种方法,如理论分析法、自动化监测法、不确定分析法、数值模拟分析法及其物理实验法等,从多个角度出发,深入剖析了尾矿坝稳定的影响因素和影响范围,同时综合考虑了尾砂的物理力学性质、尾矿库内水渗流、浸润线随尾矿坝内水深而变化的特性、尾矿堆积坝土层分布、地震以及洪水等因素的影响[9-12]。根据现有的研究成果分析可以得出,发生尾矿坝溃坝事件的主要原因在于其结构特征、渗流、地震液化等多种因素达到一定程度所引起的[13-14]。各尾矿库在类别划分、初期坝地层构造特征、尾矿堆积体的分层性质、水源补给状况以及施工管理措施等方面存在显著差异。因此,在对特定尾矿库进行研究时,适宜选取适应性的分析手段,以目标为导向对尾矿坝稳定性问题实施精细化探究。本研究运用数值模拟解析技术,借助Geo-studio软件工具,针对湖南三元洞尾矿库坝体在加高扩容前后的渗流状况、稳定性表现以及在完成加高后遭受地震动力作用下的响应情况进行了深入的仿真分析。因此,该分析结果可以为尾矿库后续的设计、施工以及管理等提供技术参考。

1 工程概况

地处于低山丘陵之间的湖南三元洞尾矿库,被三面环山所包围,形成了一个呈“V”字形的沟谷,为山谷型尾矿库(见图1)。未发现任何不良地质影响,亦未发生任何规模较大的地质灾害,如崩塌、滑坡、泥石流等。在该矿区内,并没有较为显著的地表水流存在,该区域的水源主要来自于周边山间的融雪水、岩石裂缝中的地下水以及大气降水所构成。在尾矿库的初期设计中,坝高设计达到了88 m,库容约为901万m3,被归类为三等尾矿库。该尾矿库初期坝为透水堆石坝,外斜坡比为1∶2.1,坝底标高为285.0 m,坝顶标高为308.5 m,坝高为23.5 m,该初期坝采用的是干砌石护坡,并有许多植被覆盖(见图2)。三元洞尾矿库的现状堆积坝采用的是上游法筑坝方式,其坝顶标高是370.0 m,坝高大约是61.5 m,外坡平均坡率是1∶4.5,现状库内的水位标高是359.68 m,此外,尾矿库还有一个干滩,其长度接近280.0 m,而且平均干滩坡度为1%左右。该尾矿库设施规划采用了排水井与排水管道相结合的排水体系,为了有效缓解水流冲击效应,在排水管末端下游设计了消力池。此外,堆筑而成的子坝外坡面构建了层次分明的12级马道结构,其宽度在2 m～60 m范围内变化不一;坝体表面覆以草皮泥,并种植有矮生植被以增强稳固性和生态性。

目前,尾矿堆积坝坝顶标高已经达到了370.0 m,接近于原始设计的最终标高373.0 m。为了确保选矿厂尾矿能够正常排出,并且能够保证矿山运营符合安全标准的要求,需要扩大尾矿库的实际承担容量,在经过了实地勘察且遵循相关规程的基础上,开展了尾矿库的加高和扩容设计工作。经过对现状尾矿坝进行加高设计后,坝顶标高已增高达到424.0 m,增高了54 m,新增加库容大约是1 021万m3。至此,尾矿库的整体坝高已攀升至139.0 m,并且其总存储容量达到了1 923万m3。依据现行GB 50863—2013尾矿设施设计规范的最新规定,在尾矿库不断增高和扩容后,其安全等级已被重新划分为二等库级别。

2 尾矿坝渗流场模拟计算

尾矿坝的稳固性受到一系列复杂因素的共同作用,这其中涵盖了库内渗流水体与外部荷载相互作用的力学机制,以及库内水位频繁变动等关键要素。在尾矿坝内部,水体遵循自上而下的渗透规律迁移,这一过程诱发了部分尾砂颗粒的移动,并逐步引发了渗透导致的结构变形现象;长期累积下,这些变化有可能形成诸如洞穴或渗流通道之类的内部空隙构造。随着尾矿坝的工程建设进程推进,其高度不断累增的同时,库区内积水覆盖范围亦相应扩展,这一系列过程将联动引发坝体内浸润线位置的迁移以及堆积尾矿材料力学性能的演变。当尾矿坝在渗流压力、自重应力以及地震等多元复杂作用力的作用下,一旦安全系数降至临界阈值之下,该坝体则存在发生溃决的风险。所以,对于分析尾矿坝的稳定性而言,了解其渗流场是至关重要的一步。为此,可以运用监测或计算坝体内浸润线等多项指标来实现。

2.1 计算方法及方案

Geo-studio是一款专为解决岩土工程与地质环境问题而设计的综合软件包,其内嵌的SEEP/W组件具备强大功能,能够精准模拟各种复杂孔隙介质中的渗流现象。尤其值得一提的是,该软件允许用户无缝衔接SEEP/W模块所产生的渗流计算结果至SLOPE/W模块中,从而在不同工况情境下仿真分析尾矿坝的稳定性表现[15]。这次分析将以实际测得的浸润线为依据,并选择尾矿坝中心轴线方向上的典型构造剖面作为研究对象,对尾矿坝渗流和稳定性进行深入地分析。一方面,先根据获取的渗透性试验基础参数,运用Geo-studio软件中的SEEP/W模块,对渗流场和浸润线进行模拟分析。另一方面,将模拟分析获得的浸润线与实测浸润线相比较,然后据此对垂直渗透系数进行修正,使得模拟的浸润线接近实测浸润线,最后根据修正后的垂直渗透系数模拟分析经过工程施工加高处理后尾矿坝的渗流场和稳定性。

2.2 渗透系数修正

如图1所示,展示了所选的尾矿坝中轴线走向较为不利的1-1剖面作为研究对象,根据勘察规范的要求对尾矿坝各层尾砂进行钻孔取试样,并通过对所取尾砂进行基本的物理力学试验,进而获取尾矿坝各层尾砂土的主要物理力学参数,相关数据见表1。如图3展示了三元洞尾矿坝的地质构造图,利用图3可以首先针对当前顶标高为370.0 m处的浸润线以及相关渗流区域进行模拟仿真试验。在目前尾矿库正常运行状态下,其内部水位已上升至359.68 m的高度水平。

表1 尾矿库所采用不同材料在修正前后的物理力学特性参数

现状尾矿坝渗透系数修正前后计算浸润线与实测浸润线位置见图4,根据图4(a)所呈现的结果,模拟计算得到的浸润线与实测浸润线间存在一定的不符之处;通过观察此图可发现,这种差异主要归因于④1号层内的尾中砂位于尾粉砂夹层之中,这一特殊构造致使该区域渗透系数显著增大。在距离尾矿初期坝顶水平方向约200 m之外的尾粉砂分布区,可以识别出一处具有较大水力坡降的位置。在渗透速率较高的尾中砂层内,其浸润线则呈现出近似水平的状态,因为采取样本的过程中存在随机性,所以导致测得的渗透系数无法全面反映实际尾矿堆积坝各层尾砂土的特性。所以,为了使模拟结果更加接近实测浸润线,必须以实际浸润线为依据来修正尾矿堆积坝各层尾砂材料的渗透系数,并重新模拟以更好地逼近实际浸润曲线。当渗透系数经过校正后进行模拟计算所得的浸润线已基本与实际观测到的浸润线相吻合。因此,我们可以合理地运用这些调整后的尾矿砂材料渗透系数参数,对尾矿坝后续加高过程中的渗流行为和稳定性展开仿真模拟分析。

2.3 加高扩容后渗流场模拟

借助于修正后的垂直渗透系数值,能够模拟分析尾矿坝在经过加高施工至坝顶标高424.0 m后,在正常运行状态和洪水运行状况下浸润线的位置分布。设计人员对增高后的尾矿库进行了一系列调洪计算之后,确定了正常运行状态下水位高度为415.00 m,并且在洪水运行工况下的预计水位高度为420.12 m。据此数据进一步推算,在这两种工况下,对应的干滩长度分别是250 m与139 m。

图5(a)与图5(b)分别描绘了尾矿坝经加高处理,使其坝顶标高提升至424.0 m后,在常态运行状态和洪水运行工况下,通过模拟仿真技术获得的浸润线分布及渗流场特征的可视化结果云图。根据计算结果的分析,当现状尾矿坝经过加高处理,坝顶标高升至424.0 m后,堆积坝体内部的浸润线始终保持在至少8 m以上的深度,这一数值完全满足《尾矿设施设计规范》对浸润线最小埋深设定的技术要求。特别是在模拟洪水运行状态下,尾矿坝内的浸润线位置呈现出上升趋势,并且在特定区域,浸润线接近于坝面。洪水运行状态发生的概率较低,只有在洪水期才会偶尔出现,而此时尾矿库内的水会在短时间内被排放掉,因此不会导致持续稳定渗流的形成。

3 尾矿坝稳定性分析

3.1 计算工况

在矿山尾矿坝稳定性分析中,瑞典圆弧滑动法和Bishop法是被广泛采用的两种极限平衡法,它们也是《尾矿设施设计规范》所要求分析尾矿坝稳定性的主要方法[16-18]。基于渗流场模拟的解析结果,运用SLOPE/W模块进一步开展研究,首先采取瑞典圆弧滑移理论和Bishop方法,对当前坝顶标高为370.0 m时,尾矿坝在正常运行条件、洪水运行状态以及特殊工况下的稳定性进行了详细的模拟与仿真评估。然后再根据现有参数对尾矿坝加高处理后稳定性进行预测,当坝顶标高增加达到424.0 m时,在三种不同工况条件下,分析尾矿坝的抗滑稳定性。设定的边界条件为:在模型底部,所有位移都会被固定,而模型两侧的水平位移将被限制,以确保边界条件的稳定性。

3.2 计算结果分析

经计算证实,在三种不同运行工况下,采用瑞典圆弧法和Bishop法对当前尾矿坝进行安全系数评估时,得出的安全指标均超过了相关规范设定的最低允许安全系数阈值,见表2。根据图6,图7所展示的分析结果云图可知,以尾矿坝在正常运行工况条件下为例,通过运用瑞典圆弧滑动法和Bishop法对现状尾矿坝的稳定性进行模拟仿真分析,计算获得的安全系数分别为1.477与1.525。按照设计规范所规定的标准,坝顶标高为370.0 m,总坝高达到85 m时的现状尾矿库被划列为三级尾矿库,采用这两种极限平衡法对尾矿坝进行稳定性分析允许最小安全系数分别是1.20与1.30。当前尾矿坝计算的安全系数大于设计规范允许的最小值,因此整个尾矿坝的稳定性处于良好状态。浅层滑移破坏是坝体潜在滑移面的主要特征,其形状呈现出圆弧形。

表2 尾矿坝在不同标高不同工况条件下稳定性安全系数表

依据现有尾矿坝各层次尾砂土的物理力学特性参数,按照设计规范要求再构建一个尾矿坝模拟模型,进一步应用极限平衡理论中的两种不同计算方法,针对坝顶标高提升至424.0 m后的尾矿坝,在正常运行状态、洪水运行状态以及特殊工况状态下进行了稳定性评估。借助瑞典圆弧滑动分析法和Bishop准则,对这三种不同工况条件下尾矿坝的安全系数进行了详尽计算,并与设计标准规定的最低安全系数要求进行了对比,具体数值记录在表2中。以运用瑞典圆弧滑动原理为例,对于经过加高处理后尾矿坝在上述三种典型工况下的安全性进行仿真计算,得出了对应的坝坡潜在滑动面及稳定安全系数数值,并将这些结果可视化为计算结果云图,该云图如图8所示。

从图8中可以看出,尾矿坝经过加高以后在三种不同工况条件下模拟仿真计算得出的抗滑稳定安全系数均符合设计规范所规定的标准。但应值得注意的是,尾矿坝经过加高后模拟计算得到的安全系数与设计规范允许最小安全系数相比数值差距都不大,特别是在特殊工况条件下,采用瑞典圆弧法和Bishop法模拟计算得出的安全系数均略高于设计规范允许的最小值。从模拟仿真的结果显示来看,尾矿坝经过加高处理后,最危险的滑动面均位于初期坝附近,尾矿堆积坝标高为370.0 m以下范围内。与尾矿坝加高前模拟仿真计算得出滑移面相比,尾矿坝经过加高处理后,模拟计算得出尾矿坝的滑移面向较深区域延伸,主要为深层滑移破坏。由于初期坝周围附近以尾中砂和尾粉砂交互层为主,其中尾中砂的渗透性较好,而尾粉砂的渗透性相对较差,导致整体尾矿坝的渗透性下降,从而使初期坝周围的浸润线上升,这也是导致初期坝附近存在最危险滑移面的主要原因。针对尾矿坝的浸润线高度问题,本研究建议实施实时监测,并在发现异常或必要时采取适宜的加固策略和强化排水系统,从而达到有效降低坝体内浸润线水平的目的。

4 尾矿坝地震动力响应

在尚未完全固结的尾矿堆积坝上进行加高子坝建设时,由于所用尾矿材料颗粒微小、粒径分布均匀且密度偏低,通常处于饱和状态,故而在遭受地震作用时,极有可能发生液化反应,这无疑对坝体安全构成了潜在威胁。因此,基于场区地震烈度的实际情况,进行必要的尾矿坝地震动力响应分析与评估,以明确尾矿库内部可能发生的液化区域深度与范围至关重要。在此基础上,结合静力稳定性分析,运用Geo-studio软件内置的QUAKE/W模块对尾矿坝的动力稳定性进行了详尽的模拟仿真计算,以实现对该坝体整体稳定性的全面考量和评价。

4.1 动力计算参数

三元洞尾矿坝按照抗震设防烈度7度进行设计,并确定了基本地震加速度值为0.15g,同时设定其卓越周期参数为0.2 s。此外,等效振动周次维持在12次。根据上述地震参数,使用Geo-studio软件中的QUAKE/W模块对尾矿坝进行模拟仿真分析,生成一条加速度随时间变化的地震时程曲线。生成的人工地震波形状如图9所示,地震波的振动持续时间长达20 s,时间步长为0.02 s,峰值时刻为4.16 s。

根据文献[19]中对尾矿堆积坝稳定性的研究成果揭示,尾矿坝内易于发生液化现象的区域主要由细颗粒的尾砂和尾粉砂组成。为此,可以采用等效线性化技术来表述尾矿坝土体的动力非线性属性特征。在进行尾矿坝动力学特性的模拟仿真分析时,所需的相关动力参数可依据《关于三元洞尾矿库增高扩容的动三轴试验研究报告》所给出的数据获得。具体而言,从试验测量数据中得到的最大剪切模量Gmax数值为16.35 MPa,而其他相关动力学参数详情列于表3中展示。

表3 动剪应变、动剪切模量比和阻尼比关系

4.2 计算结果分析

图10展示了当尾矿坝顶标高加高至424.0 m时,在特殊运行工况下地震荷载作用下做出的响应。在尾矿坝经过增高处理后,针对特殊运行工况下的模拟分析结果表明,其水平方向的最大加速度估计为0.512g,同时相较于设计基本地震加速度,这一数值显著放大了约3.41倍,最大峰值加速点大致出现在坝顶区域。至于垂直方向的运动表现,则表现为局部区域出现的最大加速度值达0.153g,但整体上加速度增大的效果并不突出。由于地震波固有的周期性特征,使得尾矿坝坡面在一定间隔距离上会呈现显著的加速度峰值波动现象。此外,由于采用的人工合成地震波种类不一,这导致了加速度峰值的位置分布存在一定的可变性。

如图11所示,分别展示了尾矿坝加高至坝顶标高为424.0 m后,在特殊运行工况期间动剪应力与水平位移云图。根据图11(a)可知,通过对尾矿坝采取工程施工措施进行加高处理以后,最大峰值的动剪应力出现在尾矿坝坡面中部位置的尾粉砂层内,其最大的动剪应力达到了1 200 kPa,但对尾矿坝的稳定性影响较小。根据图11(b)显示的位移云图所示,尾矿坝在完成加高处理后,其在水平方向上观测到的最大位移峰值位于坝顶区域,该位移数值达到了0.438 cm,但对整体坝体结构的影响程度相对有限。

如图12所示,运用Geo-studio软件中的QUAKE/W模块对增高后的尾矿坝进行模拟,可以有效地识别出尾矿库潜在的液化区域分布情况。根据仿真计算所得到的液化区显示,在尾矿坝体内确实存在局部液化现象,但值得注意的是,这些液化区域限于库区内部,并未形成大面积的液化问题。经过综合评估,在地震动力作用的影响下,尾矿坝不会出现大规模的地震液化反应,亦不会遭受严重的地震动力破坏。然而,在尾矿库运营阶段,应持续关注那些具有较高液化风险的区域,并针对可能出现液化的尾砂土层采取行动,如及时挖掘替换为不易液化的尾砂填充物。此外,还可以考虑采用人工加密技术措施以提升尾砂土层的固结强度,并进一步强化尾矿库的排水系统和其他防护设施,从而确保加高后尾矿坝的安全稳定性能得到显著增强。

5 结论与建议

通过对尾矿库堆积坝中各层尾砂材料进行实地勘察和室内实验,能够有效地获取尾矿砂的基本物理力学属性数据。运用Geo-studio软件对尾矿库进行模拟仿真研究,针对尾矿库加高扩容后的渗流状况、坝体安全性及动力响应等方面进行了深入探讨,并由此得出一系列结论:

1)尾矿坝经工程加高后,其坝顶标高提升至424.0 m。在正常运行和洪水运行两种工况下,堆积于坝体内部的浸润线始终保持至少8 m以上的埋深,这一结果满足了《尾矿设施设计规范》对浸润线最小埋深设定的标准限值。然而,在洪水运行工况下,尽管尾矿坝内浸润线的高度有所抬升,并且在特定区域接近坡面,但此类洪水运行情况出现的概率相对较低,仅在汛期偶有发生。在此期间,尾矿库区内的积水会在短时间内迅速排出,从而有效避免了持续稳定的渗流状况形成。

2)运用瑞典圆弧滑移法及简化版Bishop准则,对尾矿坝在增高前后在正常运行、洪水运行和特殊运行三种不同工况下的稳定性进行了仿真模拟分析,并且针对尾矿坝增高后遭遇7级地震对坝体安全性的影响也进行了相应的模拟计算。模拟结果显示,在上述所有工况条件下,坝体所展现出的安全系数均超过设计规范中规定的抗滑稳定最小安全阈值,从而证实了尾矿坝的稳定性状态。结合静力与动力学计算的结果可以断定,即使在遭受7级地震冲击的情况下,对尾矿坝的整体安全稳定性影响也相对较小。尽管尾矿库内部存在部分区域发生液化现象的可能性,但其实际影响程度并不显著。因此,在尾矿库日常运营管理实践中,必须强化监管措施,提升风险防范意识,确保及时发现并妥善处理可能产生液化的尾砂土层问题,以维持尾矿库长期安全运营。

3)尾矿坝经过加高处理后,其抗滑稳定安全系数虽然达到设计规范规定的要求,但整体安全系数较低,特别是在特殊工况下,安全系数仅略高于设计规范允许的最小安全系数。尾矿坝经过加高处理后,最危险的滑动面仍位于初期坝附近,尾矿堆积坝标高为370.0 m以下范围内,究其原因是初期坝周围附近以尾中砂和尾粉砂交互层为主,其中尾中砂的渗透性较好,而尾粉砂的渗透性相对较差,导致整体尾矿坝的渗透性下降,从而使初期坝周围的浸润线上升。因此,在尾矿库的日常运营管理过程中,需要对尾矿坝的浸润线高度进行实时监测,特别是在洪水运行期间更要加强监测,以避免浸润线出现过高抬升而造成尾矿坝整体失稳。同时,在必要时刻需采取相应的强化稳固措施和提升排水效能的举措,以期达到降低浸润线高度的目的。