基于Autobank的尾矿库坝体稳定性分析.pdf

尾矿库的稳定运行是矿山安全生产的重要保障。针对尾矿库的渗流稳定问题，采用水工计算软件 Autobank，通过分析地形与工程勘察资料，建立反映库内尾砂特征的二维数值模型，同时赋予计算所需的渗流边界条件、特征参数值等，对尾矿库进行各种工况的数值模拟及计算分析。渗流计算采用有限元法结合的方式，确定浸润线；稳定计算采用瑞典条分法和简化毕肖普法，得到尾矿库相应工况下的安全系数，由此来确定尾矿库的安全性。关键词：尾矿坝；稳定计算；有限元法；安全系数中图分类号：X913文献标识码:A1引言尾矿库是用以贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，是矿山安全生产的重要设施。尾矿库一旦发生溃坝事故，不仅会污染环境和耕地，更甚者会威胁到人们的生命财产安全1。近年来，国家相关部门对于矿山安全生产以及环境生态保护等方面提出了更高的要求，因此，及时掌握尾矿库的稳定性显得尤为重要2。尾矿坝是一种特殊的水工构筑物，经水利充填形成，对于湿排形式的尾矿库，放矿水影响坝体内充填材料的沉积速率、不同位置的密实度，由此造成渗流场的变化，因此尾矿坝的渗透稳定分析具有科学意义和必要性3。随着计算机技术的发展以及人工智能技术的应用，可以将尾矿库稳定计算与计算机结合起来，通过模型计算，为尾矿库的安全性提供依据。2Autobank 软件概述AutoBank 软件是针对我国水利行业的要求而设计，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算，行业特点明显。2.1渗流计算原理AutoBank 渗流计算采用的是有限元法，基本方程如下：K H+MHt=Q式中K透水系数矩阵；H 总水头向量；M 单元储水量矩阵；Q流量向量；t时间。2.2稳定计算原理AutoBank 提供的计算方法包括：瑞典圆弧法、简化毕肖普法和摩根斯顿普赖斯法等。坝体稳定性计算瑞典条分法、简化毕肖普法的计算公式如下：（1）瑞典条分法：K=()W V cos -ub sec tan +cb sec()W V sin +Mc/R（2）简化毕肖普法：K=()W V sec -ub sec tan +cb sec 1/()1+tan tan/K()W V sin +Mc/R式中W土条重量；Q水平地震惯性力（不考虑地震力时无此项）；V垂直地震惯性力（不考虑地震力时无此项）；u作用于土条底面的孔隙压力；条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b土条宽度；c土条底面土体黏聚力；*收稿日期：2023-02-27作者简介：孙笑微(1983)，女，硕士学位，高级工程师，主要从事水工结构设计工作。58有色矿冶第 39 卷土条底面土体内摩擦角；Mc水平地震惯性力对圆心的力矩（不考虑地震力时无此项）；R圆弧半径。3工程概况某北方尾矿库为湿排平地型尾矿库，四面筑坝。当最终堆积坝高为 451 m 时，尾矿库最大坝高 15.0m，按照坝高为五等库，总库容为 104.1 万 m3，按照库容为四等库，确定尾矿库设计等别为四等。3.1初期坝设计初期坝坝型为土石坝，最大坝高 6.0 m，坝顶宽 4.0 m，上游坝坡比 1 2.0，下游坝坡比 1 2.5。3.2后期坝堆筑（1）北侧坝体北侧坝体后期堆积坝采用尾砂堆筑，直至堆至451.0 m 标高。堆筑时，必须控制堆积坝外坡坡度不陡于 1 4.0。（2）西侧和东侧坝体西侧和东侧坝体后期采用废石堆筑，为一次性筑坝分期堆筑。分期筑坝按照 1 2.0 的内、外坡坡比，分三次堆至 451.0 m 标高。（3）南侧坝体南 侧 坝 体 坝 内 坡 441.0 m 标 高 以 下 为 尾 砂，441.0 445.0 m 标高采用碎石堆筑子坝。后期坝体内坡坡比 441.0 m 高程以上为 1 2.0，441.0 m 高程以下为 1 1.6，坝外坡坡比 1 2.0。3.3排洪及排渗设施尾矿库内采用排水井-排水管式排水系统排洪。库内修建排水井 1 座，为六柱钢筋混凝土框架式结构，井架内径 D1=2.6 m，井架底标高为 436.0 m，井架顶标高为 449.0 m，井架高 13.0 m。排水井井座与排水管相连，排水管内径 1.5 m，壁厚 350 mm，总长约 80.0 m。在初期坝顶标高，尾砂堆积坝体内，修建排渗带一条，平行于坝轴线布置。在坝底设 1 条渗滤水收集盲沟，盲沟内收集的渗透水通过坝肩排水沟进入坝外回水池。4坝体稳定性计算4.1特征断面选择及工况该尾矿库设计等别为四等，尾矿坝的重要性级别为 4 级，计算剖面选取东、南、西和北侧坝体的最大坝高处且水位最高处的断面作为特征断面。计算工况为正常运行、洪水运行和特殊运行三种工况。4.2计算参数渗流及稳定计算指标取自岩土工程勘察报告，见表 1。表 1渗流稳定计算参数表土层初期坝防渗层尾细砂尾粉砂强风化岩容重(kN/m3)18.518.018.219.021.0浮容重(kN/m3)9.08.58.29.011.0渗透系数水平(m/s)8.9E-051E-091E-053E-068.3E-06渗透系数竖直(m/s)8.9E-051E-091E-053E-068.3E-06C(kPa)14.00.08.010.00.0FI()30.032.025.018.038.0水下 C(kPa)6.00.05.58.00.0水下 Fi()24.030.021.012.035.0据 建筑抗震设计规范（GB500112010）（2016年版），地震基本烈度为 6 度；地震加速度为 0.05 g；设计地震分组第一组；反应谱特征周期 0.35 s。4.3计算荷载正常工况运行时荷载组合为：坝体自重、正常高水位的渗透压力和孔隙水压力；洪水运行工况运行时荷载组合为：坝体自重、最高洪水位和坝体及坝基中的孔隙水压力；特殊运行工况运行时荷载组合为：坝体自重、正常洪水位、地震及孔隙水压力。4.4主要计算条件4.4.1坝体计算条件坝基最小标高：436.0 m；最终堆积顶标高：451.0 m。4.4.2库内水位正常工作水位化引滩长：45.67 m；最高水位化引滩长：36.56 m。4.5安全系数取值根据规范，四等库正常运行时瑞典圆弧法最小安全系数为 1.15，简化毕肖普法为 1.25；洪水运行时第 4 期孙笑微：基于 Autobank的尾矿库坝体稳定性分析瑞典圆弧法最小安全系数为 1.05，简化毕肖普法为1.15；特殊运行时瑞典圆弧法最小安全系数为 1.05，简化毕肖普法为 1.10。4.6计算结果坝体稳定计算简图见图 1图 4。图 1北侧坝体稳定计算简图图 2南侧坝体稳定计算简图5960有色矿冶第 39 卷图 3西侧坝体稳定计算简图图 4东侧坝体稳定计算简图稳定计算结果见表 2。通过计算，由表 2 的结果可知：现状最终标高（451.0 m）时，坝体正常运行工况、洪水运行工况和特殊运行工况，各工况抗滑稳定最小安全系数均能满足 尾矿库安全规程（GB39496-2020）的要求，坝体满足稳定要求。第 4 期孙笑微：基于 Autobank的尾矿库坝体稳定性分析表 2稳定计算结果表坝体北侧坝体南侧坝体西侧坝体东侧坝体运行阶段正常运行工况洪水运行工况特殊运行期正常运行工况洪水运行工况特殊运行期正常运行工况洪水运行工况特殊运行期正常运行工况洪水运行工况特殊运行期瑞典圆弧法计算安全系数1.4501.3871.3711.2131.1421.1421.4281.4231.3601.1921.1671.136允许安全系数1.151.051.051.151.051.051.151.051.051.151.051.05简化毕肖普法计算安全系数1.6361.5361.5761.3051.2221.2281.5371.5201.4641.2611.2411.202允许安全系数1.251.151.101.251.151.101.251.151.101.251.151.104.7结果分析（1）北侧坝体由于坝前有干滩面，所以正常工况时安全系数较大，稳定性好，洪水和特殊运行工况时由于干滩长度减小，安全系数有所降低。（2）南侧坝体为挡水坝，库内水位对其影响较大。坝前水位较高时，坝体内浸润线较高，如果坝前水位超过允许最高洪水位，则南侧坝体稳定性降低，此时需增设排渗设施，降低坝内浸润线，增强坝体稳定性。（3）堆至最终标高时，东侧坝体部分坝坡陡于 12.0，因此稳定系数刚好满足规范要求，安全储备不足，建议修整坝坡。5结论（1）通过 AutoBank 软件建立二维模型对坝体进行渗流、稳定计算，得到各种工况下的浸润线位置，并确定相应的安全系数，可为尾矿库设计、安全评价提供依据。（2）干滩长度、浸润线是影响坝体渗流破坏的主要因素，正常生产时要满足干滩长度要求，做好浸润线观测工作。参考文献：1 康志强，韩强尾矿库坝体渗流稳定性数值模拟研究 J 化工矿物与加工，2015，44（11）：44-46，642 王国清，顾正聪磷石膏渣场闭库措施浅析 J.环境科学导刊，2016，35（S1）：95-93 马池香.尾矿坝渗流场分析及其水土交互作用机理研究 D.沈阳：东北大学，2008.Stability Analysis of Tailings Dam Based on AutobankSUN Xiao-wei（Shenyang Nonferrous Metallurgy Engineering&Research Institute Co.，Ltd.，Shenyang 110003，China）Abstract:The stable operation of tailings pond is an important guarantee for mine safety production.In this paper,aiming at theseepage stability of tailings pond,a two-dimensional numerical model reflecting the characteristics of tailings in the reservoir is established by using the hydraulic calculation software Autobank,and the numerical simulation and calculation analysis of tailingspond under various working conditions are carried out by giving the seepage boundary conditions and characteristic parameter values required for calculation.The seepage calculation adopts the combination of finite element method to determine the saturationline;The stability calculation adopts Swedish slice method and simplified Bishop method to obtain the safety factor of tailings pondunder corresponding working conditions,so as to determine the safety of tailings pond.Key words:tailing dam;stability calculation;finite element;safety margin61