三元洞尾礦庫加高擴容后壩體的穩定性研究★

周薛淼

(核工業二四〇研究所,遼寧 沈陽 110136)

尾礦庫是指通過筑壩來攔截谷口或圍地而形成的構筑物,在礦山的建設和開發過程中,扮演著不可或缺的至關重要的角色,起著十分重要的作用[1]。尾礦壩的安全穩定性受多種因素的影響,比如尾礦庫址的選擇、尾礦堆積壩高度變化、尾礦庫內水的滲流作用以及巖土材料強度發生弱化現象,都會增加尾礦庫發生潰壩的風險。如果受到某種因素的影響較大而引發潰壩,就有可能導致發生人造泥石流的災難性事故。近些年來,突發尾礦庫潰壩事件都會在國內外引起廣泛的關注和報道,例如在2000年,位于羅馬尼亞的烏魯爾金礦遭遇了持續降雨的侵襲,致使尾礦庫廢水發生漫壩事故,其中有超過1萬m3的含有氰化物等重金屬的污水向四周流淌,結果導致污水所流之處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礦業,為了保持礦下的通風和緊急救援的暢通,經常進行礦下抽水并直接排入選礦廠,隨后不斷流入距離選礦廠十幾米外的尾礦庫內,導致尾礦庫水位不斷上升,引發了大面積液化和壩體失穩,最終引發了一場潰壩坍塌的災難[3]。

隨著國家改革開放的發展,對礦產資源需求量不斷增加,使得各種礦產資源得到了快速開發,也致使尾礦的排放量不斷地攀升,因此尾礦庫容量的需求也隨之日益增長。為了保障礦山實現長期安全穩定的生產活動,常規策略包含兩個方向:其一是新建尾礦儲存設施;其二則是對現存尾礦庫進行增高擴容處理。然而,在著手建設新的尾礦存儲設施時,無法回避的問題是對寶貴的土地資源進行新一輪的征用與整合,這一過程將無可避免地牽涉到大規模的資金投入和人力資源調配。相比之下,選擇對現有尾礦庫進行加高和擴大容積改造,則被證實為一種成本效益更為優化且切實可行的解決方案。對尾礦庫進行加高擴容所帶來的安全風險卻不容忽視,所以研究尾礦壩的穩定性一直是礦山生產安全領域中備受關注的核心問題[4-7]。日常生產管理過程中,尾礦壩的安全穩定狀態監測及維護工作涉及到高昂的成本支出,這一現實情況對礦山企業的經濟效益構成了顯著的壓力和挑戰。另外,如果某地區礦山企業遭遇尾礦庫發生潰壩事故,該尾礦庫下游附近的老百姓生命和物質財產安全將極有可能受到巨大威脅[8]。國內外巖土工程專家運用多種方法,如理論分析法、自動化監測法、不確定分析法、數值模擬分析法及其物理實驗法等,從多個角度出發,深入剖析了尾礦壩穩定的影響因素和影響范圍,同時綜合考慮了尾砂的物理力學性質、尾礦庫內水滲流、浸潤線隨尾礦壩內水深而變化的特性、尾礦堆積壩土層分布、地震以及洪水等因素的影響[9-12]。根據現有的研究成果分析可以得出,發生尾礦壩潰壩事件的主要原因在于其結構特征、滲流、地震液化等多種因素達到一定程度所引起的[13-14]。各尾礦庫在類別劃分、初期壩地層構造特征、尾礦堆積體的分層性質、水源補給狀況以及施工管理措施等方面存在顯著差異。因此,在對特定尾礦庫進行研究時,適宜選取適應性的分析手段,以目標為導向對尾礦壩穩定性問題實施精細化探究。本研究運用數值模擬解析技術,借助Geo-studio軟件工具,針對湖南三元洞尾礦庫壩體在加高擴容前后的滲流狀況、穩定性表現以及在完成加高后遭受地震動力作用下的響應情況進行了深入的仿真分析。因此,該分析結果可以為尾礦庫后續的設計、施工以及管理等提供技術參考。

1 工程概況

地處于低山丘陵之間的湖南三元洞尾礦庫,被三面環山所包圍,形成了一個呈“V”字形的溝谷,為山谷型尾礦庫(見圖1)。未發現任何不良地質影響,亦未發生任何規模較大的地質災害,如崩塌、滑坡、泥石流等。在該礦區內,并沒有較為顯著的地表水流存在,該區域的水源主要來自于周邊山間的融雪水、巖石裂縫中的地下水以及大氣降水所構成。在尾礦庫的初期設計中,壩高設計達到了88 m,庫容約為901萬m3,被歸類為三等尾礦庫。該尾礦庫初期壩為透水堆石壩,外斜坡比為1∶2.1,壩底標高為285.0 m,壩頂標高為308.5 m,壩高為23.5 m,該初期壩采用的是干砌石護坡,并有許多植被覆蓋(見圖2)。三元洞尾礦庫的現狀堆積壩采用的是上游法筑壩方式,其壩頂標高是370.0 m,壩高大約是61.5 m,外坡平均坡率是1∶4.5,現狀庫內的水位標高是359.68 m,此外,尾礦庫還有一個干灘,其長度接近280.0 m,而且平均干灘坡度為1%左右。該尾礦庫設施規劃采用了排水井與排水管道相結合的排水體系,為了有效緩解水流沖擊效應,在排水管末端下游設計了消力池。此外,堆筑而成的子壩外坡面構建了層次分明的12級馬道結構,其寬度在2 m～60 m范圍內變化不一;壩體表面覆以草皮泥,并種植有矮生植被以增強穩固性和生態性。

目前,尾礦堆積壩壩頂標高已經達到了370.0 m,接近于原始設計的最終標高373.0 m。為了確保選礦廠尾礦能夠正常排出,并且能夠保證礦山運營符合安全標準的要求,需要擴大尾礦庫的實際承擔容量,在經過了實地勘察且遵循相關規程的基礎上,開展了尾礦庫的加高和擴容設計工作。經過對現狀尾礦壩進行加高設計后,壩頂標高已增高達到424.0 m,增高了54 m,新增加庫容大約是1 021萬m3。至此,尾礦庫的整體壩高已攀升至139.0 m,并且其總存儲容量達到了1 923萬m3。依據現行GB 50863—2013尾礦設施設計規范的最新規定,在尾礦庫不斷增高和擴容后,其安全等級已被重新劃分為二等庫級別。

2 尾礦壩滲流場模擬計算

尾礦壩的穩固性受到一系列復雜因素的共同作用,這其中涵蓋了庫內滲流水體與外部荷載相互作用的力學機制,以及庫內水位頻繁變動等關鍵要素。在尾礦壩內部,水體遵循自上而下的滲透規律遷移,這一過程誘發了部分尾砂顆粒的移動,并逐步引發了滲透導致的結構變形現象;長期累積下,這些變化有可能形成諸如洞穴或滲流通道之類的內部空隙構造。隨著尾礦壩的工程建設進程推進,其高度不斷累增的同時,庫區內積水覆蓋范圍亦相應擴展,這一系列過程將聯動引發壩體內浸潤線位置的遷移以及堆積尾礦材料力學性能的演變。當尾礦壩在滲流壓力、自重應力以及地震等多元復雜作用力的作用下,一旦安全系數降至臨界閾值之下,該壩體則存在發生潰決的風險。所以,對于分析尾礦壩的穩定性而言,了解其滲流場是至關重要的一步。為此,可以運用監測或計算壩體內浸潤線等多項指標來實現。

2.1 計算方法及方案

Geo-studio是一款專為解決巖土工程與地質環境問題而設計的綜合軟件包,其內嵌的SEEP/W組件具備強大功能,能夠精準模擬各種復雜孔隙介質中的滲流現象。尤其值得一提的是,該軟件允許用戶無縫銜接SEEP/W模塊所產生的滲流計算結果至SLOPE/W模塊中,從而在不同工況情境下仿真分析尾礦壩的穩定性表現[15]。這次分析將以實際測得的浸潤線為依據,并選擇尾礦壩中心軸線方向上的典型構造剖面作為研究對象,對尾礦壩滲流和穩定性進行深入地分析。一方面,先根據獲取的滲透性試驗基礎參數,運用Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊,對滲流場和浸潤線進行模擬分析。另一方面,將模擬分析獲得的浸潤線與實測浸潤線相比較,然后據此對垂直滲透系數進行修正,使得模擬的浸潤線接近實測浸潤線,最后根據修正后的垂直滲透系數模擬分析經過工程施工加高處理后尾礦壩的滲流場和穩定性。

2.2 滲透系數修正

如圖1所示,展示了所選的尾礦壩中軸線走向較為不利的1-1剖面作為研究對象,根據勘察規范的要求對尾礦壩各層尾砂進行鉆孔取試樣,并通過對所取尾砂進行基本的物理力學試驗,進而獲取尾礦壩各層尾砂土的主要物理力學參數,相關數據見表1。如圖3展示了三元洞尾礦壩的地質構造圖,利用圖3可以首先針對當前頂標高為370.0 m處的浸潤線以及相關滲流區域進行模擬仿真試驗。在目前尾礦庫正常運行狀態下,其內部水位已上升至359.68 m的高度水平。

表1 尾礦庫所采用不同材料在修正前后的物理力學特性參數

現狀尾礦壩滲透系數修正前后計算浸潤線與實測浸潤線位置見圖4,根據圖4(a)所呈現的結果,模擬計算得到的浸潤線與實測浸潤線間存在一定的不符之處;通過觀察此圖可發現,這種差異主要歸因于④1號層內的尾中砂位于尾粉砂夾層之中,這一特殊構造致使該區域滲透系數顯著增大。在距離尾礦初期壩頂水平方向約200 m之外的尾粉砂分布區,可以識別出一處具有較大水力坡降的位置。在滲透速率較高的尾中砂層內,其浸潤線則呈現出近似水平的狀態,因為采取樣本的過程中存在隨機性,所以導致測得的滲透系數無法全面反映實際尾礦堆積壩各層尾砂土的特性。所以,為了使模擬結果更加接近實測浸潤線,必須以實際浸潤線為依據來修正尾礦堆積壩各層尾砂材料的滲透系數,并重新模擬以更好地逼近實際浸潤曲線。當滲透系數經過校正后進行模擬計算所得的浸潤線已基本與實際觀測到的浸潤線相吻合。因此,我們可以合理地運用這些調整后的尾礦砂材料滲透系數參數,對尾礦壩后續加高過程中的滲流行為和穩定性展開仿真模擬分析。

2.3 加高擴容后滲流場模擬

借助于修正后的垂直滲透系數值,能夠模擬分析尾礦壩在經過加高施工至壩頂標高424.0 m后,在正常運行狀態和洪水運行狀況下浸潤線的位置分布。設計人員對增高后的尾礦庫進行了一系列調洪計算之后,確定了正常運行狀態下水位高度為415.00 m,并且在洪水運行工況下的預計水位高度為420.12 m。據此數據進一步推算,在這兩種工況下,對應的干灘長度分別是250 m與139 m。

圖5(a)與圖5(b)分別描繪了尾礦壩經加高處理,使其壩頂標高提升至424.0 m后,在常態運行狀態和洪水運行工況下,通過模擬仿真技術獲得的浸潤線分布及滲流場特征的可視化結果云圖。根據計算結果的分析,當現狀尾礦壩經過加高處理,壩頂標高升至424.0 m后,堆積壩體內部的浸潤線始終保持在至少8 m以上的深度,這一數值完全滿足《尾礦設施設計規范》對浸潤線最小埋深設定的技術要求。特別是在模擬洪水運行狀態下,尾礦壩內的浸潤線位置呈現出上升趨勢,并且在特定區域,浸潤線接近于壩面。洪水運行狀態發生的概率較低,只有在洪水期才會偶爾出現,而此時尾礦庫內的水會在短時間內被排放掉,因此不會導致持續穩定滲流的形成。

3 尾礦壩穩定性分析

3.1 計算工況

在礦山尾礦壩穩定性分析中,瑞典圓弧滑動法和Bishop法是被廣泛采用的兩種極限平衡法,它們也是《尾礦設施設計規范》所要求分析尾礦壩穩定性的主要方法[16-18]?；跐B流場模擬的解析結果,運用SLOPE/W模塊進一步開展研究,首先采取瑞典圓弧滑移理論和Bishop方法,對當前壩頂標高為370.0 m時,尾礦壩在正常運行條件、洪水運行狀態以及特殊工況下的穩定性進行了詳細的模擬與仿真評估。然后再根據現有參數對尾礦壩加高處理后穩定性進行預測,當壩頂標高增加達到424.0 m時,在三種不同工況條件下,分析尾礦壩的抗滑穩定性。設定的邊界條件為:在模型底部,所有位移都會被固定,而模型兩側的水平位移將被限制,以確保邊界條件的穩定性。

3.2 計算結果分析

經計算證實,在三種不同運行工況下,采用瑞典圓弧法和Bishop法對當前尾礦壩進行安全系數評估時,得出的安全指標均超過了相關規范設定的最低允許安全系數閾值,見表2。根據圖6,圖7所展示的分析結果云圖可知,以尾礦壩在正常運行工況條件下為例,通過運用瑞典圓弧滑動法和Bishop法對現狀尾礦壩的穩定性進行模擬仿真分析,計算獲得的安全系數分別為1.477與1.525。按照設計規范所規定的標準,壩頂標高為370.0 m,總壩高達到85 m時的現狀尾礦庫被劃列為三級尾礦庫,采用這兩種極限平衡法對尾礦壩進行穩定性分析允許最小安全系數分別是1.20與1.30。當前尾礦壩計算的安全系數大于設計規范允許的最小值,因此整個尾礦壩的穩定性處于良好狀態。淺層滑移破壞是壩體潛在滑移面的主要特征,其形狀呈現出圓弧形。

表2 尾礦壩在不同標高不同工況條件下穩定性安全系數表

依據現有尾礦壩各層次尾砂土的物理力學特性參數,按照設計規范要求再構建一個尾礦壩模擬模型,進一步應用極限平衡理論中的兩種不同計算方法,針對壩頂標高提升至424.0 m后的尾礦壩,在正常運行狀態、洪水運行狀態以及特殊工況狀態下進行了穩定性評估。借助瑞典圓弧滑動分析法和Bishop準則,對這三種不同工況條件下尾礦壩的安全系數進行了詳盡計算,并與設計標準規定的最低安全系數要求進行了對比,具體數值記錄在表2中。以運用瑞典圓弧滑動原理為例,對于經過加高處理后尾礦壩在上述三種典型工況下的安全性進行仿真計算,得出了對應的壩坡潛在滑動面及穩定安全系數數值,并將這些結果可視化為計算結果云圖,該云圖如圖8所示。

從圖8中可以看出,尾礦壩經過加高以后在三種不同工況條件下模擬仿真計算得出的抗滑穩定安全系數均符合設計規范所規定的標準。但應值得注意的是,尾礦壩經過加高后模擬計算得到的安全系數與設計規范允許最小安全系數相比數值差距都不大,特別是在特殊工況條件下,采用瑞典圓弧法和Bishop法模擬計算得出的安全系數均略高于設計規范允許的最小值。從模擬仿真的結果顯示來看,尾礦壩經過加高處理后,最危險的滑動面均位于初期壩附近,尾礦堆積壩標高為370.0 m以下范圍內。與尾礦壩加高前模擬仿真計算得出滑移面相比,尾礦壩經過加高處理后,模擬計算得出尾礦壩的滑移面向較深區域延伸,主要為深層滑移破壞。由于初期壩周圍附近以尾中砂和尾粉砂交互層為主,其中尾中砂的滲透性較好,而尾粉砂的滲透性相對較差,導致整體尾礦壩的滲透性下降,從而使初期壩周圍的浸潤線上升,這也是導致初期壩附近存在最危險滑移面的主要原因。針對尾礦壩的浸潤線高度問題,本研究建議實施實時監測,并在發現異?；虮匾獣r采取適宜的加固策略和強化排水系統,從而達到有效降低壩體內浸潤線水平的目的。

4 尾礦壩地震動力響應

在尚未完全固結的尾礦堆積壩上進行加高子壩建設時,由于所用尾礦材料顆粒微小、粒徑分布均勻且密度偏低,通常處于飽和狀態,故而在遭受地震作用時,極有可能發生液化反應,這無疑對壩體安全構成了潛在威脅。因此,基于場區地震烈度的實際情況,進行必要的尾礦壩地震動力響應分析與評估,以明確尾礦庫內部可能發生的液化區域深度與范圍至關重要。在此基礎上,結合靜力穩定性分析,運用Geo-studio軟件內置的QUAKE/W模塊對尾礦壩的動力穩定性進行了詳盡的模擬仿真計算,以實現對該壩體整體穩定性的全面考量和評價。

4.1 動力計算參數

三元洞尾礦壩按照抗震設防烈度7度進行設計,并確定了基本地震加速度值為0.15g,同時設定其卓越周期參數為0.2 s。此外,等效振動周次維持在12次。根據上述地震參數,使用Geo-studio軟件中的QUAKE/W模塊對尾礦壩進行模擬仿真分析,生成一條加速度隨時間變化的地震時程曲線。生成的人工地震波形狀如圖9所示,地震波的振動持續時間長達20 s,時間步長為0.02 s,峰值時刻為4.16 s。

根據文獻[19]中對尾礦堆積壩穩定性的研究成果揭示,尾礦壩內易于發生液化現象的區域主要由細顆粒的尾砂和尾粉砂組成。為此,可以采用等效線性化技術來表述尾礦壩土體的動力非線性屬性特征。在進行尾礦壩動力學特性的模擬仿真分析時,所需的相關動力參數可依據《關于三元洞尾礦庫增高擴容的動三軸試驗研究報告》所給出的數據獲得。具體而言,從試驗測量數據中得到的最大剪切模量Gmax數值為16.35 MPa,而其他相關動力學參數詳情列于表3中展示。

表3 動剪應變、動剪切模量比和阻尼比關系

4.2 計算結果分析

圖10展示了當尾礦壩頂標高加高至424.0 m時,在特殊運行工況下地震荷載作用下做出的響應。在尾礦壩經過增高處理后,針對特殊運行工況下的模擬分析結果表明,其水平方向的最大加速度估計為0.512g,同時相較于設計基本地震加速度,這一數值顯著放大了約3.41倍,最大峰值加速點大致出現在壩頂區域。至于垂直方向的運動表現,則表現為局部區域出現的最大加速度值達0.153g,但整體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,使得尾礦壩坡面在一定間隔距離上會呈現顯著的加速度峰值波動現象。此外,由于采用的人工合成地震波種類不一,這導致了加速度峰值的位置分布存在一定的可變性。

如圖11所示,分別展示了尾礦壩加高至壩頂標高為424.0 m后,在特殊運行工況期間動剪應力與水平位移云圖。根據圖11(a)可知,通過對尾礦壩采取工程施工措施進行加高處理以后,最大峰值的動剪應力出現在尾礦壩坡面中部位置的尾粉砂層內,其最大的動剪應力達到了1 200 kPa,但對尾礦壩的穩定性影響較小。根據圖11(b)顯示的位移云圖所示,尾礦壩在完成加高處理后,其在水平方向上觀測到的最大位移峰值位于壩頂區域,該位移數值達到了0.438 cm,但對整體壩體結構的影響程度相對有限。

如圖12所示,運用Geo-studio軟件中的QUAKE/W模塊對增高后的尾礦壩進行模擬,可以有效地識別出尾礦庫潛在的液化區域分布情況。根據仿真計算所得到的液化區顯示,在尾礦壩體內確實存在局部液化現象,但值得注意的是,這些液化區域限于庫區內部,并未形成大面積的液化問題。經過綜合評估,在地震動力作用的影響下,尾礦壩不會出現大規模的地震液化反應,亦不會遭受嚴重的地震動力破壞。然而,在尾礦庫運營階段,應持續關注那些具有較高液化風險的區域,并針對可能出現液化的尾砂土層采取行動,如及時挖掘替換為不易液化的尾砂填充物。此外,還可以考慮采用人工加密技術措施以提升尾砂土層的固結強度,并進一步強化尾礦庫的排水系統和其他防護設施,從而確保加高后尾礦壩的安全穩定性能得到顯著增強。

5 結論與建議

通過對尾礦庫堆積壩中各層尾砂材料進行實地勘察和室內實驗,能夠有效地獲取尾礦砂的基本物理力學屬性數據。運用Geo-studio軟件對尾礦庫進行模擬仿真研究,針對尾礦庫加高擴容后的滲流狀況、壩體安全性及動力響應等方面進行了深入探討,并由此得出一系列結論:

1)尾礦壩經工程加高后,其壩頂標高提升至424.0 m。在正常運行和洪水運行兩種工況下,堆積于壩體內部的浸潤線始終保持至少8 m以上的埋深,這一結果滿足了《尾礦設施設計規范》對浸潤線最小埋深設定的標準限值。然而,在洪水運行工況下,盡管尾礦壩內浸潤線的高度有所抬升,并且在特定區域接近坡面,但此類洪水運行情況出現的概率相對較低,僅在汛期偶有發生。在此期間,尾礦庫區內的積水會在短時間內迅速排出,從而有效避免了持續穩定的滲流狀況形成。

2)運用瑞典圓弧滑移法及簡化版Bishop準則,對尾礦壩在增高前后在正常運行、洪水運行和特殊運行三種不同工況下的穩定性進行了仿真模擬分析,并且針對尾礦壩增高后遭遇7級地震對壩體安全性的影響也進行了相應的模擬計算。模擬結果顯示,在上述所有工況條件下,壩體所展現出的安全系數均超過設計規范中規定的抗滑穩定最小安全閾值,從而證實了尾礦壩的穩定性狀態。結合靜力與動力學計算的結果可以斷定,即使在遭受7級地震沖擊的情況下,對尾礦壩的整體安全穩定性影響也相對較小。盡管尾礦庫內部存在部分區域發生液化現象的可能性,但其實際影響程度并不顯著。因此,在尾礦庫日常運營管理實踐中,必須強化監管措施,提升風險防范意識,確保及時發現并妥善處理可能產生液化的尾砂土層問題,以維持尾礦庫長期安全運營。

3)尾礦壩經過加高處理后,其抗滑穩定安全系數雖然達到設計規范規定的要求,但整體安全系數較低,特別是在特殊工況下,安全系數僅略高于設計規范允許的最小安全系數。尾礦壩經過加高處理后,最危險的滑動面仍位于初期壩附近,尾礦堆積壩標高為370.0 m以下范圍內,究其原因是初期壩周圍附近以尾中砂和尾粉砂交互層為主,其中尾中砂的滲透性較好,而尾粉砂的滲透性相對較差,導致整體尾礦壩的滲透性下降,從而使初期壩周圍的浸潤線上升。因此,在尾礦庫的日常運營管理過程中,需要對尾礦壩的浸潤線高度進行實時監測,特別是在洪水運行期間更要加強監測,以避免浸潤線出現過高抬升而造成尾礦壩整體失穩。同時,在必要時刻需采取相應的強化穩固措施和提升排水效能的舉措,以期達到降低浸潤線高度的目的。