魏作安^1,2,杨永浩^1,2 ,赵怀军³ ,陈宇龙⁴
1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆400030;
2. 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室, 重庆400030;
3. 凉山矿业股份有限公司, 四川 凉山 615146;
4. 东京大学 土木工程系, 日本 东京 113-8656
收稿日期: 2014-07-21
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11372363).
作者简介: 魏作安(1965-),男,江西南昌人,重庆大学教授,博士生导师.

摘要: 由于小打鹅尾矿库区地形条件限制,使得该尾矿库存在“两高一快”的特殊性.为了确保尾矿库工程安全可靠,在尾矿库初步设计完成后,采用物理模型实验、数值模拟和理论分析方法,分析和研究了尾矿堆积坝的稳定性,获得了尾矿堆积坝的结构组成、设置坝体排渗设施与不设排渗设施条件下尾矿坝渗流场的变化规律,以及不同工况下尾矿坝的稳定性等成果.这些研究成果为该尾矿库的设计和安全生产管理提供了科学依据.至今该尾矿库已安全运行五年多,一切正常.
关键词: 尾矿坝 稳定性分析 物理模型实验数值模拟 浸润线
Stability of Tailings Dam of Xiaodae Tailings Pond
WEI Zuo-an^1,2, YANG Yong-hao^1,2 ,ZHAO Huai-jun³ ,CHEN Yu-long⁴
1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400030, China;
2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam, Chongqing University, Chongqing 400030, China;
3.Liangshan Mining Co., Ltd., Liangshan 615146, China;
4.Department of Civil Engineering, University of Tokyo, Tokyo 113-8656, Japan.
Corresponding author: WEI Zuo-an, E-mail: weiza@cqu.edu.cn
Abstract: Due to the limitation of the topography of Xiaodae tailings pond, the height of the starter dam is 72.5 m and increases very fast (the average rate was 18.5 m/a).To ensure its safety, the stability analysis was carried out through physical model tests, numerical simulation and theoretical analysis after primary design of the tailings pond.The structural composition of tailings dam, the variation rules of seepage field with or without drainage system in the dam, and the stability of tailings dam under different working conditions were obtained.Results could be helpful to the design and safety management of the tailings pond.So far, the dam has been stably utilized for over five years.
Key words: tailings damstability analysis physical model test numerical simulation phreatic surface 凉山矿业为满足6 kt/d选厂排放尾矿的需要，2006年计划在小打鹅沟新建一座尾矿库.由于库区地形条件限制，使得该尾矿库存在“两高一快”的特殊性，主要表现为：设计初期坝高为72.5 m，这个在国内不多见；堆积坝上升速度快，最快达到22 m/a，平均速度为18.5 m/a，这个速度在国内外上游法筑坝的尾矿库中少见^[1]；设计子坝高.为了解决堆积坝的上升速度快的问题，作者建议加高子坝高度至10 m.这个高度远高于上游法堆坝子坝高2~4 m的常规值.
尾矿库是一种特殊的工业构筑物^[2]，也是非煤矿山最大的危险源之一^{[3, 4]}.国内外矿山因尾矿库溃坝等造成的重大灾害事故屡见不鲜^{[5, 6, 7, 8, 9]}，为此，我国针对尾矿库工程的设计、施工及生产安全管理出台了相应的规程规范和规定等文件^{[10, 11]}.
由于新建小打鹅尾矿库存在“两高一快”的特殊性，目前尚无可参照的工程先例.为了确保尾矿库工程安全可靠，在尾矿库初步设计完成后，2007年初，作者受业主委托，采用物理模型试验、数值模拟和理论分析方法，针对该尾矿坝的稳定性进行了分析与研究.研究成果为改善尾矿坝的后期设计及生产运行提供了有益的帮助.通过该尾矿库几年来运行情况比对，实践表明，当年尾矿坝稳定性分析结果是可靠的.
1 小打鹅尾矿库工程概况小打鹅尾矿库设计总坝高187.5 m，有效库容898.8万 m³，能满足选厂使用7.1 a^[12].该尾矿库属于山谷型尾矿库(图 1).采用上游法筑坝，实行坝前分散放矿.尾矿堆积坝高为115.0 m，尾矿库最终堆积标高为+1355.0 m，设计堆积坝外坡比为1:4.0.
图1(Figure 1)

图1 小打鹅尾矿库平面示意图 Fig. 1 Plan sketch of Xiaodae tailings pond

初期坝为碾压式透水石渣坝，设计坝高72.5 m，坝顶宽4.5 m，坝轴线长188.65 m，上游坡比为1:1.75，下游坡比1:2.75，坡面每15 m高设置宽1.5 m的马道.上游坡设置了由双层土工布、砾石、碎石构成的反滤层.
尾矿库排洪系统由库外排洪设施、库内排洪设施构成.库外排洪设施包括左岸坡顺山体而下进库区公路内侧排水沟及库区右岸两支沟挡水坝及排水钢管；库内排洪设施包括库内排水井、排水管和初期坝两侧溢洪道.
由于受库区地形的制约，即库内沟谷两侧坡陡狭窄，主沟纵坡较陡(平均坡降为17%)，以及为满足年排放126.8万m³尾矿的生产要求，使得该尾矿库存在“两高一快”的特殊性.该尾矿库设计库容如图 2所示.
图2(Figure 2)

图2 设计库容 Fig. 2 Designed storage

2 尾矿堆坝物理模型试验 由于该尾矿库为新建尾矿库，无法获得坝体结构组成等与坝体稳定性计算所需的基础资料.因此，利用比例尺为1:200的堆坝物理模型试验，来演绎该尾矿库的堆坝过程，从而获得坝体干滩面的长度与坡度、不同层面尾矿颗粒的组成与分布及地下水位的变化规律等.试验尾矿来自现场排放的尾矿，质量分数为20%~25%.
通过试验，获得了干滩面上尾矿颗粒沉积与分布规律(图 3)、堆积坝体的结构组成概化分区图(图 4)，以及与坝体稳定性计算所需的基础资料.从图 4可以看出，尾矿堆积坝土层组成主要为尾粉砂和尾粉土.
图3(Figure 3)

图3 模型试验时干滩面颗粒分布情况 Fig. 3 Average diameter distribution of particles on beach during model test

图4(Figure 4)

图4 堆积坝体结构概化剖面图 Fig. 4 Cross section of tailings dam

3 尾矿坝渗流场的数值模拟 尾矿坝的浸润线是尾矿库的生命线，浸润线位置的高低对尾矿坝的稳定性影响非常大^[1]，为此，采用2D-Flow软件对该尾矿坝地下渗流场进行模拟分析.
依据物理模型试验结果(图 4)，将尾矿坝划分为4种不同材料区：基底(基岩)、堆石坝(初期坝)、尾粉砂和尾粉土.各区材料的物理力学参数见表 1，数值模拟网格划分见图 5.
表1(Table 1)

表1 坝体的材料参数Table 1 Parameters of tailings dam 材料 名称 ρ 黏聚力 内摩擦角 渗透系数 g·cm -3 kPa (°) cm·s -1 尾粉砂 1.93 10.8 30.1 3.75×10 -4 尾粉土 1.98 11.29 25.5 2.13×10 -5 初期坝 2.20 0.0 34.0 2.70×10 -3 基底 2.30 10.0 38.0 0.0

表1 坝体的材料参数 Table 1 Parameters of tailings dam

图5(Figure 5)

图5 单元网格划分 Fig. 5 Meshing of model

按照规范要求，库水位按两种工况考虑：正常情况，干滩面的长度为100 m；洪水情况，干滩面的长度为70 m，即规范中的最小值.
为了探索坝体排渗设施的效果，在模拟计算中，按照设置排渗系统和不设排渗系统两种情况考虑.采用坝体预埋塑料花管(管径100 mm)水平排渗措施，排渗管垂直间距为10 m，即每级子坝堆筑前，先铺设水平排渗管，排渗管水平间距为15 m，排渗管长60 m，排渗管里的水靠自流排出，汇集到坝坡的截水沟内.
模拟结果如图 6、图 7所示.由计算结果可以得出：
图6(Figure 6)

图6 正常工况下坝体渗流计算结果 Fig. 6 Dam seepage calculation results under normal situation(a)—无排渗系统； (b)—有排渗系统.

图7(Figure 7)

图7 洪水工况下坝体渗流计算结果 Fig. 7 Dam seepage calculation results under flood situation (a)—无排渗系统； (b)—有排渗系统.

1) 不设坝体排渗系统，正常工况下，浸润线与坝坡面有一定距离(图 6a)，未发生相交现象.但洪水工况下，浸润线的位置明显比正常工况要高许多，且在堆积坝下游靠近初期坝处，几乎与坝坡面接近(图 7a)，地下水极有可能从该处溢出，产生管涌或坡面沼泽化，甚至造成溃坝事故.
2) 设置坝体排渗系统后，则情况发生了很大变化，无论是正常工况下(图 6b)还是洪水工况下(图 7b)，浸润线位置均比较深，且远离坝坡面，对坝体的稳定性非常有利.
4 尾矿坝稳定性计算在物理模型试验和坝体地下渗流场的计算结果基础上，按照设计规范要求^[10]，采用极限平衡法中的瑞典条分法和毕肖普法，对该尾矿坝的稳定性进行了计算，结果见表 2.由表 2可以看出：
表2(Table 2)

表2 尾矿坝稳定系数计算结果Table 2 Stability calculation results of tailings dam 条件 洪水工况 特殊工况 瑞典法 毕肖普法 瑞典法 毕肖普法 无排渗 1.070 1.113 0.895 0.914 有排渗 1.142 1.207 1.060 1.112

表2 尾矿坝稳定系数计算结果 Table 2 Stability calculation results of tailings dam

1) 如果不设置坝体排渗系统，则在洪水工况和特殊工况下，稳定系数均小于规范值；设置坝体排渗系统后，稳定系数均大于规范值.
2) 设置坝体排渗系统后，坝体稳定系数在洪水工况下提高了6.7%(瑞典法)，在特殊工况下提高了18.4%(瑞典法).
3) 在尾矿坝的设计中，应该设置坝体排渗系统，对提高尾矿坝的稳定性非常有利.另外，在日常的生产管理中，尽量降低水位及浸润面的位置.
5 小打鹅尾矿库的运行现状小打鹅尾矿库工程于2007年开工建设，2009年上半年竣工，并投入使用(图 8).至今(2014年)已运行了5年多.目前，堆积了8级子坝，正在堆积第9级子坝，尾矿堆积坝高为80 m，总坝高已达152.5 m.库内水位：正常工况下干滩长保持在200 m左右，洪水工况下干滩长保持在120 m左右，与原设计要求基本一致.
图8(Figure 8)

图8 小打鹅尾矿库坝坡全貌 Fig. 8 Existing status of Xiaodae tailings pond

为了监测坝体地下水位情况，沿坝坡纵向设计了3排地下水位监测孔，2012年的地下水位监测结果如图 9所示。
图9(Figure 9)

图9 尾矿坝地下水位现场监测结果 Fig. 9 Monitoring results of underground water level for tailings dam

目前，一级子坝(+1 250 m标高)、三级子坝(+1 270 m标高)上的监测孔已经形成，并进行了监测.监测结果显示，一级子坝上的3个监测孔(JRX1-1，JRX2-1，JRX3-1)均未见到地下水，说明地下水位低于预期值.三级子坝上的3个监测孔(JRX1-2，JRX2-2，JRX3-2)均见到地下水.地下水位的埋深为+1 249.90～+1 251.94 m，满足原设计地下水位的要求，也满足规范要求^[10].
从尾矿库的现场情况看，该尾矿库的运行一切正常.再过两年，该尾矿坝将达到设计坝高.矿山企业通盘考虑后，现正着手准备在该尾矿库的基础上进行加高扩容，以保证矿山的可持续发展.
6 结 论 1) 该尾矿坝稳定性分析结果是可靠的，对该尾矿库的设计及安全生产管理起到了非常好的指导作用.
2) 利用堆坝物理模型试验能较好地演绎尾矿库的形成过程，获得与坝体稳定性分析有关的基础资料，对于新建尾矿库的相关研究很有帮助.
3) 按照规范要求，针对尾矿坝的稳定性开展理论分析，是尾矿库设计与安全评价所必须的，也是最有效的方法.

参考文献

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本文献在全文中的定位：
... 这个速度在国内外上游法筑坝的尾矿库中少见^[1]；设计子坝高.为了解决堆积坝的上升速度快的问题，作者建议加高子 ...

... 线是尾矿库的生命线，浸润线位置的高低对尾矿坝的稳定性影响非常大^[1]，为此，采用2D-Flow软件对该尾矿坝地下渗流场进行模拟分 ...



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本文献在全文中的定位：
... 尾矿库是一种特殊的工业构筑物^[2]，也是非煤矿山最大的危险源之一 ...



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... 物理模型试验和坝体地下渗流场的计算结果基础上，按照设计规范要求^[10]，采用极限平衡法中的瑞典条分法和毕肖普法，对该尾矿坝的稳定性进 ...

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