降雨條件下尾礦庫穩(wěn)定性影響研究

　　摘要：尾礦庫為礦山企業(yè)的配套設(shè)施，其安全運(yùn)行與企業(yè)的生產(chǎn)、建設(shè)息息相關(guān)，而且尾礦庫的安全運(yùn)行將影響下游村莊的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文以某市省某尾礦庫為研究對(duì)象，將模擬軟件、實(shí)地考察與室內(nèi)土工試驗(yàn)所獲得的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，在遭遇設(shè)計(jì)最大降雨的條件下對(duì)尾礦庫壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該尾礦庫的壩體穩(wěn)定性在壩高增加的情況下符合規(guī)范要求，可保持穩(wěn)定;在降雨條件下，其壩體的穩(wěn)定性隨之降低。

　　關(guān)鍵詞：尾礦庫;降雨;Geo-Studio;穩(wěn)定性

　　尾礦庫為人造、高勢(shì)能危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生壩體垮塌、滲透破壞、潰壩等事故，事故所誘發(fā)的泥石流、洪水等次生災(zāi)害對(duì)于下游建構(gòu)筑物、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全將造成巨大的危害，同時(shí)下游的生態(tài)環(huán)境將遭受難以修復(fù)的污染。由于尾礦的特殊性，其綜合利用率仍然較低，只有少部分被回收用于建筑材料和礦山采空區(qū)充填，剩余的尾礦都被排入尾礦庫中堆存。當(dāng)尾礦庫遭受地震、排(截)洪設(shè)施設(shè)備失效、超設(shè)計(jì)降雨等極端惡劣的自然災(zāi)害與人為因素時(shí)，其發(fā)生災(zāi)害性事故的風(fēng)險(xiǎn)將急劇增大。

　　工程論文投稿刊物：《工程建設(shè)與設(shè)計(jì)》期刊創(chuàng)刊于1953年10月，是工程設(shè)計(jì)行業(yè)創(chuàng)刊時(shí)間最早的科技期刊。以工程建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施全過程優(yōu)化為宗旨，以介紹先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)為主要內(nèi)容，是工程設(shè)計(jì)行業(yè)一份重要的綜合性科技期刊。

　　國(guó)內(nèi)外礦山中，降雨導(dǎo)致尾礦庫壩體失效而造成嚴(yán)重危害事故的案例屢見不鮮。李煥強(qiáng)等構(gòu)建了可調(diào)節(jié)邊坡坡腳的物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，在降雨條件模擬了不同邊坡坡腳情況下邊坡的穩(wěn)定性和入滲變化規(guī)律，并使用水分傳感器、光纖傳感器和壓力盒等多種測(cè)量設(shè)備對(duì)對(duì)坡體的不同位置的含水率、不同深度的應(yīng)變變化和推力進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。

　　戴繪以實(shí)際工程中的山谷型尾礦庫為背景，通過有限單元網(wǎng)格建立了數(shù)值模型，在非穩(wěn)定非飽和滲流理論基礎(chǔ)上，對(duì)降雨與庫水漲落等因素共同共同作用下的浸潤(rùn)線變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。采用飽和-非飽和滲流理論與水砂混合物非平衡連續(xù)方程和動(dòng)量方程相結(jié)合的理論方法，建立連續(xù)降雨工況下尾礦庫失穩(wěn)潰壩的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際工程中應(yīng)用該模型對(duì)連續(xù)降雨的失穩(wěn)潰壩過程進(jìn)行模擬分析。

　　1降雨條件下穩(wěn)定性分析理論基礎(chǔ)

　　降雨對(duì)于基質(zhì)吸力、抗剪強(qiáng)度等筑壩材料的物理力學(xué)性質(zhì)、孔隙水壓力等應(yīng)力狀態(tài)具有很大影響，可導(dǎo)致壩體變形，嚴(yán)重的甚至可造成潰壩。探究最大設(shè)計(jì)降雨、不同壩高工況下尾礦庫的壩體穩(wěn)定性變化規(guī)律，有助于更好地了解尾礦庫壩體的失穩(wěn)機(jī)理及失穩(wěn)過程，對(duì)防治尾礦庫壩體失穩(wěn)破壞有著重要意義[2]。

　　1.1降雨人滲理論

　　固體與孔隙共同組成多孔介質(zhì)，將氣態(tài)或液態(tài)在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)稱為滲流。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在滲流場(chǎng)中，多孔介質(zhì)中氣態(tài)或液態(tài)的流人與流出的質(zhì)量是相等的，而其中的各點(diǎn)在滲流場(chǎng)中的流速和滲透力大小都不同。假設(shè)滲流場(chǎng)被液體充滿，以點(diǎn)o(xnYnzi)為中心取無限小正方體，各邊分別與各坐標(biāo)軸平行，邊長(zhǎng)分別為x、Y、Z。

　　1.1.1連續(xù)方程

　　假設(shè)vx，vy，v分別為點(diǎn)o(xnYnzi)沿著各個(gè)坐標(biāo)軸向的滲流速度，則Pvx}Pvy}Pv}分別為單位時(shí)間與面積內(nèi)流動(dòng)的流體質(zhì)量，那么A面中((xl-x/2}Yi}zi)在單位時(shí)間與面積內(nèi)通過的質(zhì)量為vx2，通過Taylor基數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解。

　　1.1.2飽和一非飽和滲流微分方程

　　潛水面(浸潤(rùn)面)處于滲流區(qū)域的邊界，在實(shí)際工程應(yīng)用中往往并不是水平，且隨著時(shí)間的推移會(huì)產(chǎn)生變化。法國(guó)水力學(xué)家裘布依在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上開戰(zhàn)了大量試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，浸潤(rùn)面坡度對(duì)于大多數(shù)的地下水流都是很小的，因此可以假設(shè)在垂直的浸潤(rùn)面(即平面二)上任意一點(diǎn)p的水力坡降。

　　1.2穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型

　　目前，尾礦庫與邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算中廣泛采用諸如Geo-Studio，Slide等有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行相關(guān)分析。各個(gè)單元所受到的作用力都等效于任意統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而組成相應(yīng)的線性表達(dá)式，最后通過對(duì)其進(jìn)行求解得到相應(yīng)的結(jié)果。數(shù)值模擬軟件的大量應(yīng)用為人們分析解決實(shí)際工程中的問題提供了高效、準(zhǔn)確的方法。

　　1.3極限平衡分析理論

　　極限平衡分析方法將邊坡視作為剛體，其過于注重變形機(jī)制，而省略了破壞過程中土體的變化情況。根據(jù)莫爾一庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，最終通過穩(wěn)定系數(shù)對(duì)工程的穩(wěn)定程度進(jìn)行描述’“一‘zi。任意選定圓弧滑動(dòng)面AD為可能發(fā)生滑移的滑動(dòng)面，而后將圓弧滑動(dòng)面AD上方的土體劃分為寬度一致的垂直土條，并對(duì)土體重和反力進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)滑動(dòng)面AD上方土體的滑動(dòng)力矩與抗滑力矩進(jìn)行求解，最終得到滑面AD的安全系數(shù)。

　　2尾礦庫的穩(wěn)定性模擬分析

　　2.1Geo-Studio概況

　　Geo-Studio為廣泛應(yīng)用于巖土等行業(yè)的數(shù)值模擬軟件。本文采用Slope/w(邊坡穩(wěn)定性分析)和Seep地下水滲流分析)兩個(gè)模塊對(duì)最大設(shè)計(jì)降雨條件下壩高增大工況下尾礦庫壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

　　2.2工程概況

　　尾礦庫位于某市省文山壯族苗族自治州中西部灰?guī)r溶蝕洼地內(nèi)，交通便利。尾礦庫DEM。尾礦庫主壩位于庫區(qū)西南側(cè)，漿砌石結(jié)構(gòu)，壩頂寬為1.7m，壩頂標(biāo)高為1612m，壩軸線長(zhǎng)為80.2m，尾礦庫在左岸壩肩部分設(shè)置了溢洪道，漿砌石結(jié)構(gòu)。1#副壩位于庫區(qū)東北側(cè)，漿砌石結(jié)構(gòu)，壩頂寬為1.8m，壩頂標(biāo)高1612.0m，壩軸線長(zhǎng)為87.6m，壩前放礦后庫尾形成一定的水位，水位標(biāo)高為1604.0m。尾礦庫位于洗礦車間正東向、直線距離3.0km處，為天然巖溶洼地。原設(shè)計(jì)最終壩頂高程為1612.0m，堆積高程為1610.0m，有效庫容為408.78萬m3m，擴(kuò)容工程建成后庫容為865.50萬m3，為四等庫。

　　2.3降雨條件下穩(wěn)定性計(jì)算分析

　　2.3.1模擬計(jì)算參數(shù)選取

　　選擇壩頂高程分別為1610m和1620m時(shí)，在最大設(shè)計(jì)降雨工況下對(duì)尾礦庫的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。模擬分析中所需的各相關(guān)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)/測(cè)量和室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得。

　　2.3.2穩(wěn)定性分析結(jié)果

　　在計(jì)算中考慮最大降雨情況下(兩百年一遇，175.5mm/d)，筆者研究了尾礦庫分別在壩頂高程1610m(原設(shè)計(jì)最終壩高)和壩頂高程1620m(加高壩高)兩種工況下的安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律。原設(shè)計(jì)壩高最大降雨情況下，初始安全系數(shù)，安全系數(shù)隨時(shí)間加高壩高(增加10m)最大降雨情況下。

　　結(jié)論

　　本文采用數(shù)值模擬軟件對(duì)某市某尾礦庫在不同壩高和最大設(shè)計(jì)降雨情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，分析其穩(wěn)定性隨著壩高和降雨的變化規(guī)律，研究壩高增高和最大設(shè)計(jì)降雨兩種工況下的尾礦庫穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在壩高增加和最大設(shè)計(jì)降雨情況下，尾礦庫的穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。在原設(shè)計(jì)壩頂高程1610m和增加壩高壩頂高程(1620m)兩種情況下，尾礦庫壩體穩(wěn)定性的變化規(guī)律基本一致:前期均呈現(xiàn)驟降后趨于穩(wěn)定值，且安全系數(shù)數(shù)值均符合《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(ACS2006-2005)要求。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]淺談尾礦庫的穩(wěn)定性與含水層滲透系數(shù)的關(guān)系[J].程社新，高智輝，牛志紅.黑龍江科技信息.2014(33)

　　[3]水對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的作用機(jī)理研究[J].秦華禮，馬池香.金屬礦山.2008(10)

　　[4]尾礦庫設(shè)施穩(wěn)定性改進(jìn)對(duì)環(huán)境的影響和減緩此影響評(píng)估方案的進(jìn)展[J].D.M.麥克海納，S.賈納斯?jié)蔀跛够�，R.L.哈拉姆.礦業(yè)工程.2003(02)

　　[5]基于不同降雨條件下露天礦邊坡穩(wěn)定性的分析[J].王德忠.工程建設(shè)與設(shè)計(jì).2016(10)

　　作者：秦香偉

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