李文海
(中冶沈勘工程技術(shù)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110169)
目前,根據(jù)尾礦庫(kù)地形不同將其分為3 類(lèi):(1)山谷型尾礦庫(kù)。山谷型尾礦庫(kù)充分借助山區(qū)(丘陵)地形,在下游處筑壩,形成攔截式庫(kù)區(qū)。山谷型尾礦庫(kù)具有筑壩工期短、成本低、容量大、管理方便等優(yōu)點(diǎn),是較為理想的庫(kù)型,也是目前我國(guó)應(yīng)用最多的庫(kù)型[1]。(2)傍山型尾礦庫(kù)。傍山型尾礦庫(kù)在丘陵及湖灣地區(qū)存在較多,其利用山坡洼地,依山兩面或三面筑壩,形成圍截式尾礦庫(kù)。該型尾礦庫(kù)具有筑壩長(zhǎng)度大、壩體高度小、庫(kù)容小、防洪控制差等缺點(diǎn),在我國(guó)南方地區(qū)較為常見(jiàn)。(3)平地型尾礦庫(kù)。由于受地形限制,平地型尾礦庫(kù)集中在平原地區(qū),只能建在平底或凹坑處,人為在四面筑壩,工程量大、管理困難,且隨著尾礦越來(lái)越多,庫(kù)區(qū)面積、調(diào)洪能力等均減弱。平地型尾礦庫(kù)占地面積大,但壩體高度低,一般不會(huì)發(fā)生事故[2]。
通過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析全球范圍內(nèi)近百起尾礦庫(kù)事故,制作了柱狀圖(見(jiàn)圖1)。
圖1 尾礦庫(kù)事故原因柱狀圖
由圖1 可知:(1) 壩體失穩(wěn)占尾礦庫(kù)總事故比例的34%,是最常見(jiàn)的事故原因;(2)邊坡失穩(wěn)占尾礦庫(kù)總事故比例的18%,一般情況下邊坡失穩(wěn)會(huì)最終造成庫(kù)壩裂縫,滲漏加劇,所以也是壩體失穩(wěn)的重要原因[3]。
為分析尾礦壩力學(xué)穩(wěn)定性,在此采用“瑞典圓弧分條法”分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)滑動(dòng)條體均為剛體,通過(guò)分析條塊受力平衡來(lái)求解壩體抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)。在此取其中任一條塊,從X、Y 兩個(gè)方向分析其力矩平衡方程,其抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)F 的計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)式(1)[4]。
式中:φ—第i 條塊內(nèi)摩擦角,°;β—第i 條塊坡角,°;ci—第i 條塊粘聚力,kN;li—第i 條塊粘聚力力矩,m;Wi—第i 條塊重量,kN;
通過(guò)分析計(jì)算公式可知:壩體抗滑安全穩(wěn)定性系數(shù)F 主要和壩體筑壩材料、角度等因素有關(guān),因此從這些參數(shù)分析可指導(dǎo)筑壩施工,提高壩體抗滑穩(wěn)定性。
2.2.1 尾礦渣物理力學(xué)特征對(duì)壩體穩(wěn)定性影響分析
尾礦渣不同于水體,其一般以漿液或固體形式堆積在庫(kù)區(qū),其對(duì)壩體的沖擊擠壓力是影響壩體安全穩(wěn)定性的重要因素,而尾礦渣堆積層的抗剪強(qiáng)度τ 則直接決定了其沖擊擠壓力大小,其計(jì)算公式見(jiàn)(2)。
式中:σ—作用在尾礦滑動(dòng)面上的正應(yīng)力,kN;φ—尾礦堆積層內(nèi)摩擦角;°。c—尾礦堆積層粘結(jié)力,kN。
由式(2)可知:內(nèi)摩擦角φ 與抗剪強(qiáng)度τ 呈正比關(guān)系,進(jìn)而可知也和安全穩(wěn)定性系數(shù)F 呈正比關(guān)系。由此對(duì)摩擦角φ 與F 值的敏感性關(guān)系進(jìn)行線性回歸,得出式(3)。一般情況下,內(nèi)摩擦角角φ 每增加1°,安全穩(wěn)定性系數(shù)F 增加5%~10%。
此外,尾礦堆積層粘結(jié)力c 也與F 緊密相關(guān),c 值越大,F(xiàn) 值也越大。對(duì)c 和F 值的敏感性關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析,得到公式(4)。一般情況下:粘結(jié)力c 每增加5 kPa,F(xiàn) 平均增加0.05,影響程度較小。
式中:F0—穩(wěn)定尾礦堆積層安全系數(shù);β—尾礦堆積層坡角,°。
2.2.2 滲流浸潤(rùn)線對(duì)壩體穩(wěn)定性影響分析
尾礦壩體浸潤(rùn)線位置是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,浸潤(rùn)線是產(chǎn)生管涌、流沙的重要原因,對(duì)壩體安全穩(wěn)定性系數(shù)F 有直接影響,表1 是經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)大量數(shù)據(jù)得出的結(jié)果。由數(shù)據(jù)可知:(1)浸潤(rùn)線降低值越大,尾礦壩安全穩(wěn)定性系數(shù)F 的值越大;(2)隨著水位的增加,尾礦壩安全穩(wěn)定性系數(shù)在逐漸下降。綜合分析,浸潤(rùn)線高度每相差1 m 水位,尾礦壩安全穩(wěn)定性系數(shù)F 就相差0.02~0.05,變化率在1.2%~2.5%。
表1 浸潤(rùn)線位置對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性影響分析
通過(guò)分析可知:尾礦渣堆積層的內(nèi)摩擦角φ 和尾礦壩體浸潤(rùn)線是影響壩體安全穩(wěn)定性的主要參數(shù),因此在筑壩施工、礦渣排放、日常巡查中要特別注意檢測(cè)這些參數(shù)的變化,科學(xué)管理,將危險(xiǎn)因素全部排除。