某铁矿中线法筑坝尾矿库稳定性分析及评价

朱斌，李永辉，郭金玉

(1.西北有色地质矿业集团有限公司，陕西 西安 710054；
2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

尾矿库能否正常安全运行和坝体是否稳定一直是矿山企业和地方政府应急监管部门特别关注的重点，也是尾矿库现状评价和其安全生产许可证办理或延续的重要依据。科学客观地对尾矿库现状及坝体进行稳定性分析和评价显得尤为重要。

某铁矿尾矿库堆积方式采用中线法尾矿筑坝工艺，能较好地利用自然地理条件，可以大幅度提高沟道条件的利用率，增加库区尾矿的堆存量[1]。中线法筑坝工艺是将坝轴线固定在一定位置上，以此坝轴线为准采用垂直向上堆筑沉砂坝体，并与溢流矿浆分散充填相结合的筑坝工艺。通过水力旋流器的分级，沉砂尾矿堆积体和溢流尾矿沉积体构成了组合坝体，其结构合理，充分发挥了粗细尾矿各自的特性[2]，具有坝体浸润线低和力学强度高等特点，且充分利用了尾矿库可利用的空间和分级尾矿的物理力学性质，从而提高了尾矿坝的稳定性，故适于堆筑高坝[3]。

中线法尾矿筑坝工艺优点较多，影响中线法尾矿堆积坝体稳定性的2个主要因素分别为尾砂中的粗颗粒含量和尾矿库所处地形[4]。《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）要求[5]：“下游式或中线式尾矿筑坝分级后用于筑坝的尾矿，其粗颗粒（d≥0.074 mm）含量不宜少于75%，d≤ 0.02 mm尾矿颗粒含量不宜大于10%”。

某尾矿库位于陕西省商洛市丹凤县县城东南、丹江一级支流—— 资峪河的支沟内。该尾矿库属于山谷型尾矿库工程，采用中线法筑坝工艺。尾矿库工程包括堆石初期坝、堆石滤水拦挡坝、尾矿后期堆积坝，排洪主/支隧洞、库区排水井，大坝观测设施以及尾矿的输送、回水设施等主要建（构）筑物。其中，尾矿堆积坝包括初期坝、坝轴线上游的溢流区堆积坝、细颗粒排入坝轴线上游的尾矿库库区和下游的沉砂区堆积坝。根据工程地质测绘及钻探揭露，坝址及库区分布的主要岩土类型有尾矿土，初期坝体填土（），第四系全新统残坡积（）碎石土。

2.1 尾矿土的工程特性指标

2.1.1 物理性质及压缩性指标

根据尾矿土室内土工试验结果，经数据统计得各层尾矿土的物理力学性质指标统计值，对沉砂区③层尾细砂进行的颗分试验结果显示，沉砂区③层粒径d≥0.074 mm尾细砂含量占总量的79.4%，符合《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）的相关要求[5]。

2.1.2 抗剪强度指标

（1）直剪（固结快剪）试验强度指标。根据尾矿土的室内直剪（固结快剪）试验结果，经数理统计得到各层尾矿土的抗剪强度指标统计值，见表1。

表1 直剪（固结快剪）试验成果统计

（2）三轴剪切试验（固结不排水）。为确定尾矿土三轴饱和固结不排水抗剪强度指标，根据钻孔采取原状土样进行三轴饱和固结不排水强度试验，试验采用应变控制式三轴仪。将三轴试验结果进行了数理统计，结果见表2。

表2 固结不排水三轴剪切试验成果统计

2.2 尾矿土的渗透性能

为查明尾矿土的渗透性，评价尾矿土的渗透特性，进行了室内渗透试验和现场单环注水试验，尾矿土渗透性按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）附录F[6]进行评价。野外注水试验测得①层尾粉砂表层渗透系数k为4.0×10-4～2.25×10-3cm/s（即 0.35～1.94 m/d），平均值为 1.25×10-3cm/s（即1.08 m/d），为中等透水土层；
由室内渗透试验结果可知①层尾粉砂和②层尾粉土均为中等透水土层。

2.3 尾矿土的动力特性指标

根据人工激震波速测试成果，按《尾矿坝（上游法）勘察规程》（YBJ 11—1986）[7]式 3.3.1-1，式 3.3.1-2，式3.3.1-3 计算求得各层尾矿土的动剪切模量、动泊松比和动弹性模量。尾矿土的纵波速度Vp、横波速度Vs分别取①层、②层算术平均值。计算结果见表3。

表3 尾矿土的动剪切模量、动泊松比和动弹性模量

根据室内直剪（固结快剪）、三轴固结不排水剪切试验结果，并结合已有类似的工程经验，综合确定的坝体稳定性计算参数见表4。

表4 现状坝体稳定性计算参数

3.1 库区稳定性分析

该尾矿库自运行以来，库区没有发生库岸再造现象，库区周边无滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地质现象作用，库区边坡稳定。

3.2 排洪设施可靠度分析

该库的防洪标准初期为百年一遇，中、后期采用五百年一遇的洪水。初期坝上游布置在库区的三座排水井和右岸的排洪隧洞宣泄，采用“排水井进流-排洪隧洞宣泄”的排洪方式，共有3座排水井、1条排洪主隧洞、2条支隧洞，目前一号泄水塔已被掩埋。初期坝与滤水拦挡坝之间，即沉砂区的洪水，通过滤水拦挡坝坝前的斜槽进流、坝底设置的排水涵洞宣泄。为了避免库区两岸岸坡的降雨洪水冲刷堆积坝坝坡，在坝面与两岸的交界处修筑坝肩截排洪沟，直接将两岸岸坡的水流引到尾矿库的下游。排洪系统现运行基本良好，能够达到排洪设防作用。

3.3 渗流稳定性分析

尾矿坝渗流计算的主要目的是确定坝体浸润线出逸段的水力坡降，评价坝体渗流稳定性。在分析尾矿库的坝坡稳定性之前，首先要分析并计算出该坝体浸润线以及相关参数。在对浸润线的长期监测过程中，不难发现，浸润线就是坝体横剖面上稳定渗流的自由水面线（或渗流顶面线）[8]。由于该尾矿库正常工况时未见地下水位，滩面全部为干滩，对坝坡的稳定不起控制作用。因此，渗流按闭库坝高、设计洪水时的工况进行计算。

（1）计算条件：堆积坝简化为均质土坝，初期坝底视为排渗棱体，取初期坝底水位标高为 0，堆积坝坝体渗透系数k=0.15 m/d。

（2）计算方法：渗流稳定性计算及附图见图1，渗流公式法分析公式如下：

图1 渗流稳定性计算说明（单位：m）

式中，V为渗流流速；
k为渗流系数；
J为渗流坡度；
Q为渗流流量；
A为渗流面积。

（3）计算结果。由渗流问题公式法计算得：浸润线出逸点为706.3 m 高程，位于初期坝上部，当排洪设施满足设计要求时，渗流稳定性满足要求；
单位宽度渗流量为0.465 m3/（d·m）。

3.4 坝体稳定性分析

3.4.1 初期坝坝体稳定性分析

现有初期坝为透水堆石坝，初期坝被堆积坝掩埋，其已通过竣工验收，在堆积坝表面未发现裂缝、沉陷、破裂、渗流等不正常现象，地基持力层为板岩，坝肩支撑于两侧的基岩上，坝基及坝肩的地质条件较好，因此定性判定该初期坝正常工况下其稳定性满足要求。

现有滤水拦挡坝为透水堆石坝，该滤水拦挡坝轮廓尺寸符合设计要求，坝面干砌石方平整，还未发现坝体外部有裂缝、沉陷、滑坡、渗流等不正常现象，地基持力层为板岩，坝肩支撑于两侧的基岩上，坝基及坝肩的地质条件较好。因此，判定该初期坝正常工况下其稳定性满足要求。

3.4.2 堆积坝坝体稳定性分析

（1）定性分析。该尾矿库 2012 年 1 月投入使用，从调查和钻探看来，浸润线水位较低，堆积坝内的尾矿土有一定的固结度。通过现场实际调查，未发现初期坝有明显的变形迹象，堆积坝坝坡未见明显的地下水出逸点。因此，判定该尾矿坝在现状条件下其稳定性基本满足要求。

（2）定量分析。为了对尾矿坝的稳定性进行定量分析评价，采用理正计算软件中的瑞典圆弧法。计算荷载采用《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB 50547—2010）[8]中的总应力法对应的荷载组合，根据工程地质剖面图1-1′～3-3′（见图2至图4）概化的坝体稳定性计算简图对该尾矿库的现状稳定性进行分析。

图2 工程地质剖面示意图1-1′

图4 工程地质剖面示意图3-3′

现状模型依据现场实际勘察得出的剖面建立。为计算方便，对坝体内部的局部软弱夹层进行了简化，考虑计算的边界效应，坝体上游延伸至库区内钻孔处，坝体下游延伸至初期坝坝脚。

最终设计坝高尾矿坝的稳定性计算选取最具代表性的2-2′剖面，在现有剖面基础上根据设计坝高及坝型进行模型建立。为计算方便，对坝体内部的局部软弱夹层进行了简化，考虑计算的边界效应，坝体上游延伸70 m，坝体下游延伸至初期坝坝脚。据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[9]：丹凤县抗震设防烈度为6度，基本地震加速度值为0.05g，该场地基本地震动加速度反应谱特征周期为0.45 s。

图3 工程地质剖面示意图2-2′

计算考虑了正常运行、洪水运行和特殊运行 3种工况[10]。按照规范要求确定3种工况，即：工况一，正常运行工况（按实际浸润线计算）；
工况二，洪水运行工况，即暴雨工况；
工况三，特殊运行工况，即暴雨+地震工况。因在地震作用下，坝体浸润线有一定的抬升，对坝体稳定性产生一定的不利影响[11]。坝体稳定性计算结果见表5。

本尾矿库等级为三等，按《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》（GB 50547—2010）有关规定[8]，在正常运用条件下取坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.25，洪水运行下为1.15，特殊运行下为1.05。表5计算结果表明，现状条件下的3种工况（正常运行、洪水运行和特殊运行），该尾矿坝稳定性均满足规范要求，也说明该坝体是安全可靠的[12]。

表5 现状坝体稳定性计算结果

（1）该尾矿库库区没有发生库岸再造现象，库区周边无滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地质现象作用，库区边坡稳定。排洪系统现运行基本良好，排洪设施可靠。

（2）浸润线出逸点为706.3 m高程，渗流稳定性满足要求；
单位宽度渗流量为0.465 m3/（d·m）。

（3）现状初期坝和滤水拦挡坝均为透水堆石坝，在堆积坝表面未发现裂缝、沉陷、破裂、渗流等不正常现象，地基持力层为板岩，坝肩支撑于两侧的基岩上，坝基及坝肩的地质条件较好，判定该初期坝坝体正常工况下稳定性满足要求。

（4）通过定量分析，该尾矿库堆积坝在 3种工况（正常运行、洪水运行和特殊运行）下坝体稳定性均满足要求。综上可得出该尾矿库坝体稳定性均满足要求，为正常运行库。