基于Geo-Studio的黄山市某尾矿坝稳定性分析及加固设计.pdf

2023年7月上 世界有色金属 187基于Geo-Studio的黄山市某尾矿坝稳定性分析及加固设计孔圣盛1，2，何盈2，芮劲草1（1.华东冶金地质勘查局屯溪地质调查所，安徽 黄山 2 4 5 0 0 0；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 0 0）摘 要：降雨是影响尾矿坝稳定性的重要因素，但大多数研究针对于降雨时的坝体稳定性变化情况，对停雨后的变化研究不足，本文基于G e o-S t u d i o 中的s e e p/w与s l o p e/w模块，以黄山市某尾矿坝为例分析1 2 d 内尾矿坝在降雨与停雨情况安全系数的变化情况，提示可能正常运行工况下安全系数满足规范要求的尾矿坝在洪水运行工况下有可能发生失稳破坏风险，且停雨后尾矿坝仍有可能会发生失稳破坏。通过采用坡脚压坡堆石进行治理是一种简单快捷的方法，治理后在洪水运行工况能满足要求。关键词：尾矿坝；渗流；浸润线；安全系数；稳定性中图分类号：T D 9 2 6.4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 3-0 1 8 7-3Seepage stability analysis and reinforcement designof taillings dam in Huangshan city based on Geo-studioKONGSheng-sheng1,2,HEYin2,RUIJin-cao1(1.T h e T u n x i G e o l o g i c a l S u r v e y o f E a s t C h i n a Me t a l l u r g i c a l G e o l o g i c a l P r o s p e c t i n g B u r e a u,Hu a n g s h a n 2 4 5 0 0 0,C h i n a;2.C h i n a Un i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s,Wu h a n 4 3 0 0 0 0,C h i n a)Abstract:B a s e d o n t h e s e e p/w a n d s l o p e/w o f G e o-S t u d i o,t h i s p a p e r t a k e s a t a i l i n g s d a m i n Hu a n g s h a n C i t y a s a n e x a mp l e t o a n a l y z e t h e c h a n g e o f t h e s a f e t y f a c t o r o f t a i l i n g s d a m i n r a i n f a l l a n d r a i n s t o p w i t h i n 1 2 d a y s,s u g g e s t i n g t h a t t a i l i n g s d a ms w i t h s a f e t y f a c t o r s t h a t me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e c o d e u n d e r n o r ma l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ma y h a v e t h e r i s k o f i n s t a b i l i t y u n d e r f l o o d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ,a n d t a i l i n g s d a ms ma y s t i l l b e u n s t a b l y a f t e r r a i n s t o p s.B y u s i n g r o c k t o r e i n f o r c e t h e s l o p e i s a s i mp l e a n d f a s t me t h o d t h a t c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s i n f l o o d o p e r a t i o n c o n d i t i o n s a f t e r t r e a t me n t.Keywords:T a i l l i n g s d a m;P e r c o l a t i o n;I n f i l t r a t i o n l i n e;S a f e t y f a c t o r;S t a b i l i t y收稿日期：2 0 2 3-0 4作者简介：孔圣盛，男，生于1 9 9 4 年，汉族，安徽黄山人，中国地质大学（工程学院）硕士研究生，研究方向：地质灾害防治与矿山生态修复。尾矿库是矿山生产不可缺少的设施，同时也是矿山企业最大的环保工程项目，因初期坝选址、堆积坡率和高度、极端降雨、尾矿水渗流拖曳力作用的影响，一旦尾矿坝溃坝，将对下游村庄、环境等造成极大的破坏。如2015年11月5日，巴西米纳斯吉拉斯州Germano矿厂的Fundo尾矿库大坝发生了溃坝，坝后4500万立方米的有毒污泥如潮水般涌出，流入附近的多西河，并最终到达距离大坝600多公里远的大西洋。事故给当地流域与社区带来了破坏性的影响，共19人死亡，约700人无家可归，数十万人的水源被污染，野生动物大批死亡1。2008年9月8日7时58分，山西省襄汾县新塔矿业有限公司新塔矿区980平硐尾矿库发生特别重大溃坝事故。事故泄容量26 8万立方米，过泥面积30 2公顷，波及下游500米左右的矿区办公楼、集贸市场和部分民宅，造成277人死亡、4人失踪、33人受伤，直接经济损失达9619.2万元2。因此，对于尾矿坝的稳定性分析研究不得不引起重视。随着矿产资源的开采，排出的尾矿增加，尾矿的库容需求也逐步增大，因此不可避免地需要加高尾矿坝高度。但随着近年来极端天气增多，全国大部分地区都出现罕见暴雨情况，尾矿坝失事的风险加大。因此，研究尾矿坝的稳定性对保证矿山企业安全运行、保障周边居民生命财产安全具有重要意义。国内外许多学者都对尾矿坝的稳定性开展了大量的研究，但大多研究针对尾矿坝的稳态渗透稳定性研究，针对极端降雨时的瞬态渗流和极端降雨后的停雨阶段分析较少3。在实际情况下，极端降雨一般伴随停雨情况，因此有必要对此情况进行分析。据此，本研究在现场勘察、室内试验的基础上，基于Geo-studio软件的seep/w以及slope模块模拟分析了黄山市某尾矿坝在各种极端降雨情况下以及停雨后的坝体稳定性变化规律，进而为尾矿坝的安全管理提供参考。1 工程概况黄山某尾矿库北、东、南三面环山，西南方为一喇叭口谷地，属山谷型尾矿库（图1）。地势+187m+245m，山坡较陡，坡度35左右，坡面上森林植被茂盛。现状无不良地质作用，无较大规模滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，矿区范围内地表水体，尾矿库内地表水补给来源主要为大气降水，地下水类型为孔隙水和基岩裂隙水。尾矿库初期坝为透水堆石坝，坝脚标高+206.20m，坝顶标高+212.90m，坝高6.70m，外坡比1 1.81 1.20。尾矿坝现状坝顶标高+229.68m，坝高约23.48m，堆积坝外坡平均坡比1 1.65，库内水位高程+226.00m，干滩长度85.43m，平均干滩坡度为2%。坝体分5级马道，宽1.0m4.2m，背水面采用碎石土覆盖，并种有茅草。排水系统为沿坝肩地段修筑的浆砌石排水沟，横截面为矩形，宽1.8m，深1.5m，纵向坡降为1%，允许泄洪流量为2.136m3/s，防洪标准按尾矿库中后期100年(频率1%)洪水重现期考虑，根据 尾矿库安全规程（GB39496-2020），该尾矿库属五等库。世界有色金属2023年7月上188图1尾矿库平面布置图2 尾矿坝渗流稳定性计算该尾矿库内浸润线是影响坝体稳定性的重要因素，在渗流拖曳力的作用下，坝体可能会产生渗透变形。本次采用100年一遇降雨（1%）降雨量值，分别模拟降雨1d、2d、3d并停雨3d的坝体稳定性变化情况。初始浸润线深度数据由尾矿库内水位孔实测而得。2.1 渗流计算方法及模型渗流计算采用Geo-Studio中SEEP/W模块与SLOPE模块，SEEP/W模块可以模拟孔隙介质材料的渗流情况，SLOPE模块可以模拟计算不同渗流情况下的稳定性3。计算采用尾矿坝中轴剖面进行渗流稳定性分析，采用瑞典圆弧法计算安全系数。各材料物理力学参数如表1所示。根据剖面图建立的数值模拟模型如图2所示。图2数值模拟模型尾矿坝中的土体一般以非饱和土体形式存在，非饱和土的强度与其含水率密切相关，含水率增高，其内摩擦角及粘聚力下降，重度增加，Bishop于1959年提出了非饱和土有效应力表达式，以Bishop有效应力建立的强度表达式4进行强度计算：（1）式中：c 有效粘聚力，有效内摩擦角，x有效应力参数，与基质吸力对应的等效内摩擦角，净法向应力，基质吸力。水土特征曲线基于Fredlund&Xing方程5计算：（2）式中：C(s)为使水土曲线经过含水量为0、10000MPa吸力的校正函数，为：（3）式中：s为饱和度，sr为残余饱和度。土体的渗流理论通常分为稳态渗流和瞬态渗流两个大类6。二维渗流的一般控制微分方程可以表达为：（4）式中：H总水头；kx-x方向的渗透系数；Q施加的边界流量；单位体积含水量；t时间。在稳态条件下，方程为：（5）总水头定义为：（6）式中：uw孔隙水压力；w水的容重；y高程。边界条件：（1）水头边界条件：（7）（2）流量边界条件：（8）计算模型底部设置为基岩不滑动层，底部、右侧为零水头边界，左侧为零流量边界，坡面降雨边界条件按图2设置，溢洪道根据实际情况设置为宽1.8m深1.5m矩形断面，并设置为流量边界。2.2 渗流稳定性计算结果与分析遇百年一遇降雨1d并停雨后，由图3可知安全系数由初始1.38骤降至1.02，停雨后逐渐上升，但出现1个安全系数下降段（第57d），由第5d的1.41下降到第7d的1.05，坝体属于欠稳定状态。其安全系数下降原因均是由于地下水向坡脚表1各材料物理力学参数类别天然重度（kN/m3）饱和重度sat（kN/m3）粘聚力C（kpa）内摩擦角（）渗透系数（cm/s）饱和含水率（%）水上水下水上水下素填土1919.58620181.510-650碎石土1818.5113635.62.410-34初期坝21.522151428.526.52.210-34尾砂19.119.59.582119.31.810-320压坡堆石2021114039.52.310-21强风化千枚岩24.524.5170017003230/1粉质粘土19.519.812.512.321201.210-6402023年7月上 世界有色金属 1891吴大明,刘志文,朱锐等.巴西尾矿库溃坝事故初步总结与分析J.中国安全生产,2019,14(04):58-59.2刘海明,曹净,杨春和.国内外尾矿坝事故致灾因素分析J.金属矿山,2013(02):126-129+134.3曾宪治.降雨对尾矿坝稳定性影响研究D.长春工程学院,2022.4曾立峰,邵龙潭,郭晓霞.土中有效应力概念的起源与发展J.岩土力学,2022,43(S1):127-144.5李晓强,梁靖宇,路德春等.非饱和土的非正交弹塑性本构模型J.中国科学:技术科学,2022,52(07):1048-1064.6于浩泽,高义军,郭奇峰等.强降雨工况尾矿库堆排坝体稳定性分析J.金属矿山,2022(10):209-217.7杨尚立.尾矿库坝坡的综合加固方法J.昆明冶金高等专科学校学报,2019,35(04):36-41.8郭彦华,陈方瑜,扈松林.尾矿库坝体稳定性关键影响因素敏感性分析J.采矿技术,2022,22(02):99-102.排出时，由于渗透系数的差异以及溢洪道的影响，库内浸润线下降较快而坝体浸润线下降较慢导致坝体浸润线偏高6，最危险滑面剪入口由+228m变为+218m，根据 尾矿库安全规程（GB39496-2020）该尾矿坝不符合规范要求，需要进行整改。针对该尾矿坝，拟在+198m平台采用坡脚压坡堆石的方式进行加固，坡率均为1 1.507，于+208m留置一宽5m马道，在+218m处与原马道相接。材料选用重度不大、内摩擦角较大的块石，经验算该尾矿坝采用压坡堆石加固后在降雨1d并停雨11d内的安全系数最低为1.20（见图4），满足规范要求。图4尾矿坝加固后在降雨1d条件下安全系数变化3 结语通过现场调查定性分析与Geo-Studio渗流模拟坝体遇极端雨情并停雨后的安全系数变化特征分析以及加固后的安全系数变化，得出结论如下：1.38距离m05101520253035404550556065707580859095100105110115120125130135140145150155160165170175180185190195200高程m183188193198203208213218223228233压力水头-15-10 m-10-5 m-5-0 m0-5 m5-10 m10-15 m15-20 m20-25 m25-30 m30-35 m35-40 m40-45 m1.02距离m05101520253035404550556065707580859095100105110115120125130135140145150155160165170175180185190195200高程m183188193198203208213218223228233压力水头-10-5 m-5-0 m0-5 m5-10 m10-15 m15-20 m20-25 m25-30 m30-35 m35-40 m40-45 m初始状态第1d1.41距离m05101520253035404550556065707580859095100105110115120125130135140145150155160165170175180185190195200高程m183188193198203208213218223228233压力水头-10-5 m-5-0 m0-5 m5-10 m10-15 m15-20 m20-25 m25-30 m30-35 m35-40 m40-45 m第5d第7d安全系数变化图3降雨1d后停雨安全系数变化（1）降雨是影响尾矿坝稳定性的重要因素8。降雨会导致浸润线上升，干滩长度减小。满足规范要求正常运行工况安全系数的尾矿坝遇百年一遇等极端降雨情况可能仍会迅速转变为不稳定状态，有溃坝风险。（2）遇极端降雨时，停雨后安全系数会上升，但由于渗透系数差异与积水因素，坝体仍有部分段发生失稳的可能性，应当加以防范。（3）在场地条件允许的情况下，在坡脚采用压坡堆石进行加固是较为经济与方便的加固方法。