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尾矿坝稳定性综合分析

发表时间：2020/9/23 来源：《基层建设》2020年第17期作者：朱英斌

[导读] 摘要：随着矿业生产的快速增长，尾矿坝作为选矿厂生产设施的重要组成部分，其数量不断增加。

        广东十六冶建设有限公司
        摘要：随着矿业生产的快速增长，尾矿坝作为选矿厂生产设施的重要组成部分，其数量不断增加。尾矿坝一旦发生事故，必将对下游地区人民的生命和财产造成巨大危害，对环境造成严重污染。本文阐述了尾矿坝的一般破坏形态，提出了尾矿坝稳定性分析方法，对影响尾矿坝影响因素进行了深入分析。
        关键词：尾矿坝；稳定性；分析
        引言
        尾矿坝稳定性是尾矿库系统安全管理决策中的核心问题。它的运营好坏，不仅直接影响到矿山企业本身的经济效益，而且与周边居民生命财产安全及环境息息相关。因此有必要对矿尾坝稳定性做综合性分析。
        一、尾矿坝坝坡破坏的一般形态
        尾矿坝坝坡抗滑稳定性达不到要求时，坝坡就会发生滑动破坏，有时还会带动坝基土体一起滑动，如南非Merriespruit溃坝事故、云南火谷都尾矿库溃坝事故等等，其坝坡滑动破坏如图1所示。

                       图1 坝坡滑动破坏
        通过对坝的大量破坏实例所进行的分析研究不难发现，坝坡滑动面的形状对于均
        质土坝多呈圆弧形；对于非粘性砂石料坝多呈折线形；当坝内含有大面积的厚层细泥夹层，或滑弧通过峰硬岩层时，滑动面的形状就比较复杂，为圆弧和折线的组合面。对于既为砂性又含有多层细泥夹层的尾矿坝来说，滑动面多可用圆弧面近似代替。
        二、尾矿坝稳定性分析方法
        尾矿坝的稳定性分析是从总体上定量评价和预测坝体的工作状态，定量分析规划中的或正在运行中的尾矿库是否安全，安全程度如何，有多大的富余，未来尾矿坝还能堆积多高，是否需要加固处理等等，也是对原始设计资料进行验证，最后对坝体的稳定性做出评价，在工程质量控制中属于事前控制和事中控制。尾矿坝稳定性分析和计算通过对工程地质调查、岩体结构分析，对尾矿坝边坡岩体的结构面特征、可能的破坏形式、滑面的形状、破坏的规模以及滑动的方向等做出初步评价，并以它们作为边坡稳定性分析的基础，通过分析计算对边坡岩体的稳定程度做出判断。目前，尾矿坝的稳定分析方法主要有三种，它们是极限平衡法，像瑞典法，毕肖普法，余推力法，Sarma法等；数值模拟分析法，也叫应力一应变法，像有限元法，拉格朗同元法(Flac法)，边界元法等；概率分析法，有蒙特卡洛法，统计矩阵法等。极限平衡法根据坝体的静力学平衡原理分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及尾矿坝滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价坝体的稳定性，其原理简单，使用性强，是坝体稳定分析计算的主要方法，能够直接提供坝体稳定性的定量结果；数值分析法，是通过建立数学模型，选择材料的本构关系来模拟求解坝体的应力应变值，然后再按照一定的准则，判断并给出坝体的稳定性区域等指标；概率分析法则是在上述计算方法的基础，进一步给出坝体稳定性概率或坝体失稳破坏概率。一般而言，对尾矿坝等工程的稳定性分析，首先是确定计算剖面，然后进行极限平衡法的分析与计算，之后再作数值分析，以检验极限平衡法的结果，最后采用概率分析法，以确定坝体工程破坏风险程度。
        三、尾矿坝稳定性影响因素分析
        1.裂缝
        裂缝是一种尾矿坝较为常见的病患，按裂缝方向可分为横向裂缝(垂直坝轴线)、纵向裂缝(平行坝轴线)和龟裂缝等；按产生裂缝原因可分为沉陷裂缝，滑坡裂缝和干缩裂缝等；按部位分为表面裂缝和内部裂缝。细小的裂缝可能发展为集中渗漏的通道，而成为坝体滑坡事故的前兆。产生裂缝的主要原因为：坝体填土由湿变干时收缩，坝体、坝基不均匀沉陷或滑坡；坝体施工质量差，坝身结构及断面尺寸设计不当或其它因素。有的裂缝是由于单一因素所造成，有的裂缝则是多种因素共同造成的。
        2.渗漏
        尾矿坝坝体及坝基的渗漏有正常渗漏和异常渗漏之分。正常渗漏有利于尾矿坝坝体及坝前干滩的固结，从而有利于提高坝的稳定性。异常渗漏会异致渗流出口处坝体产生流土、冲刷及管涌名种形式的破坏。严重的可导致垮坝事故。其种类及成因主要有(正常渗漏表现为渗出清水，异常渗漏表现为渗出混水(管涌、接触冲刷))：
        1）坝体异常渗漏
        造成坝体渗漏的设计方面原因有：主坝坝体单薄，边坡太陡，渗水从滤水体以上
        逸出：复式断面坝体的粘土防渗体设计断面不足或与下游坝体缺乏良好的过渡层，使防渗体破坏而漏水；埋设于坝体内的压力管道强度不够或管道埋置于不同性质的地基，地基处理不当，管身断裂；有压水流通过裂缝沿管壁或坝体薄弱部位流出，管身未设截流环；坝后滤水体排水效果不良；对于下游可能出现的洪水倒灌防护不足，在泄洪时滤水体被淤塞失效，迫使坝体下游浸润线升高，渗水从坡面逸出等。施工方面的原因有：坝体分层填筑时，分层碾压，土层太厚，碾压不透致使每层填土上部密实，下部疏松，库内放矿后形成水平渗水带；土料含砂砾太多，渗透系数大；没有严格按要求控制及调整填筑土料的含水量，致使碾压达不到设计要求的密实度；在分段进行填筑时，由于土层厚薄不同，上升速度不一，相邻两段的接合部位可能出现少压或漏压成松土带；料场土料的取土与坝体填筑的部位分布不合理，致使浸润线与设计不符，渗水从坝坡逸出；坝后滤水体施工时，砂石料质量不好，级配不合理，或滤层材料铺设混乱，致过滤水体失效，坝体浸润线升高等。其他方面，如白蚁、獾、蛇、鼠等动物在坝身打洞营巢；地震引起坝体或防渗体发生贯穿性的横向裂缝等也是造成坝体集中渗漏的原因。
        2）坝基异常渗漏
        造成坝基渗漏的设计方面原因有：对坝址的地质勘探工作做得不够，设计时未能采取有效的防渗措施，如坝前水平铺盖的长度或厚度不足，垂直防渗墙深度不够；粘土铺盖与透水砂砾石地基之间，未设有效的滤层，铺盖在渗水压力作用下破坏；对天然铺盖了解不够，薄弱部位未做处理等。施工方面的原因有：水平铺盖或垂直防渗设施施工质量差；施工管理不善，在库内任意挖坑取土，天然铺盖被破坏；岩基的强风化层及破碎带未处理或反过滤设施未按设计要求施工；岩基上部的冲积层未按设计要求清理等。管理运用方面的原因有：坝前干滩裸露暴晒而开裂，尾矿放矿水等从裂缝渗透；对防渗设施养护维修不善，下游逐渐出现沼泽化，甚至形成管涌；在坝后任意取土，影响地基的渗透稳定等。
        3）接触渗漏
        造成接触渗漏的主要原因有：基础清理不好，未做接合槽或做得不彻底；坝体两端与山坡接合部分的坡面过陡，而且清基不彻底或未做防渗齿墙；涵管等构筑物与坝体接触处，因施工条件不好，回填夯实质量差，或未设截流环(墙)及其他止水措施，造成渗流等。
        4）绕坝渗漏
        造成绕坝渗漏的原因有：与坝体两端连接的岸坡属条形山或覆盖层单薄的山坡而且有透水层；山坡的岩石破碎，节理发育，或有断层通过；因施工取土或库内存水后由于风浪的淘刷，岸坡的天然铺盖被破坏；溶洞以及生物洞穴或植物根茎腐烂后形成的孔洞等。
        3.滑坡
        坝体的一部分离开原来位置塌落滑出叫滑坡，它常常导致尾矿库的溃决事故一般先由裂缝开始，慢慢逐步扩大和蔓延，致使部分坝体松动，受到外力的作用，发生坍塌。
        滑坡的种类及成因：
        1）滑坡的种类按滑坡的性质可分为剪切性滑坡，塑流性滑坡和液化性滑坡；按滑面的形状可分为圆弧滑坡，拆线滑坡和混合滑坡。
        2）造成滑坡的勘探设计方面的原因有：在勘探时没有查明基础有淤泥层或其他高压缩性软土层，设计时未能采取相应的措施；选择坝址时，没有避开位于坝脚附近的渊潭或水塘，筑坝后由于坝脚处沉陷过大而引起滑坡；坝端岩石破碎、节理发育，设计时未采取适当的防渗措施，产生绕坝渗流，使局部坝体饱和，引起滑坡；对地震因素注意不够以及排水设施设计不当等。
        3）施工方面的原因有：在碾压主坝施工中，由于铺土太厚，碾压不实，或含水量不合要求，干重度没有达到设计标准；抢筑临时拦洪断面和合拢断面，边坡过陡，填筑质量差；采用风化程度不同的残渣筑坝时，将粘性土填在主坝下部，而上部又填了透水性较大的土料，放矿后，背水坡上部湿润饱和；尾矿堆积坝与初期坝二者之间或各期堆积坝坝体之间没有结合好，在渗水饱和后，造成滑坡等。
        4）其他原因有：强烈地震引起主坝滑坡；持续的特大暴雨，使坝坡土体饱和，或风浪淘刷，使护坡遭破坏，致坝坡形成陡坡以及在坝体附近爆破或者在坝体上部堆有物料等人为因素。
        4.管涌
        管涌是尾矿坝坝基在较大渗透压力作用下而产生的险情。管涌险情的发展，以流土最为迅速。它的过程是随着水位上升，涌水挟带出的砂粒增多，涌水量也随着加大，涌水量增大挟带出砂粒也就更多，如将坝基下的砂层淘空，就会导致坝身骤然下挫，甚至酿成决堤的灾害。由于洪水漫顶，坝坡失稳，渗流破坏、地基不良，地震液化等原因，造成尾矿坝失事、溃决或严重破坏的实例，在国内外每年都有发生，失事造成的经济损失和人员伤亡都相当惨痛。因此，在生产运行中和工程建设中都应认真吸取这些教训。
        结语
        尾矿坝稳定性分析在尾矿库系统安全管理研究占有较大的比重。尾矿坝作为矿山生产的重要设施,对尾矿坝做好稳定性分析,采取相应措施,把尾矿坝的危险性降到最低,防患于未然,保证矿山安全生产和矿区人民生命安全。
        参考文献
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