尾矿库混合式筑坝坝体稳定性研究

摘要

矿产资源在国民经济发展过程中占有非常重要的地位，我国有95％以上的能源和85％的工业原料取自于矿产资源。由于我国大多数矿产资源的品位较低，在选矿过程中会排出大量的废渣，即尾矿。尾矿库就是人工建造的、用于储存尾矿的场所，它是矿山最大的危险源之一。许多事故表明，尾矿库一旦失事，将给矿山企业生产及下游居民生命财产造成巨大的损失。因此，针对尾矿库工程开展稳定性分析与安全预测研究意义重大。
　　 大红山龙都尾矿库是我国为数不多、采用混合式堆坝的大型尾矿库。本论文以大红山龙都尾矿库为研究对象，在对入库尾矿的物理力学性质进行了试验测试基础上，采用理论分析和数值模拟等综合性研究方法、对该尾矿库的稳定性进行了分析与预测，研究成果可为该尾矿库的设计、施工及生产管理提供技术支撑，并可为类似尾矿库的设计和安全运行所借鉴。论文涉及的主要工作内容和取得的科研成果如下：
　　 ①利用改造的土工试验仪器，针对不同粒径对非饱和尾矿的抗剪强度指标的影响进行了试验测试，结果显示，随着尾矿中值粒径的增大，非饱和尾矿的内聚力(c)会降低，而内摩擦角(φ)会增大。
　　 ②利用ANSYS数值分析软件，就龙都尾矿库两种堆坝方式下的坝体地下渗流场的分布规律进行了模拟计算，结果显示，单一上游法与混合法堆坝坝体渗流场的差异较大。尤其是浸润线的位置，靠近坝底部位两者基本相似，但在靠近坝顶部位，两者差距很大，混合式堆坝的浸润线位置明显深于上游法的，更利于坝体的稳定。所以，从坝体渗流场的分布规律可以看出，混合式堆坝要优于单一上游法。
　　 ③研究了单一上游法堆积尾矿与混合式堆积尾矿坝的坝体地应力场的分布规律。结果显示，龙都尾矿库混合式堆坝达到+700m标高(180m)时，坝顶水平方向的变形位移不大，最大约为0.92m，垂直方向的变形位移较大，最高点(即坝顶处)最大达到3.63m左右，单位坝高沉降量为2.02％；最大垂直地应力为-2.17×106Pa，最大水平地应力为-0.916×106Pa。
　　 ④采用SLIDE软件，通过极限平衡法中的静力和动力(拟静力法)稳定性计算，获得了龙都尾矿库现状情况下坝体稳定性的定量数据，预测了未来混合式堆坝坝体稳定性的结果。
　　 1)采用单一上游法堆积尾矿坝达到+620.0m标高下(现状情况)，尾矿坝的抗滑稳定系数分别为：正常运行情况下瑞典法为2.071、简化毕肖普法为2.127；洪水运行情况下瑞典法为1.673、简化毕肖普法为1.695；特殊运行情况下瑞典法为1.282、简化毕肖普法为1.308，均满足规范要求，尾矿坝处于稳定状态。结果与现场的实际情况相吻合。
　　 2)按照设计的混合式堆坝达到+700.0m标高(坝高180m)时，尾矿坝的抗滑稳定系数分别为：正常运行情况下瑞典法为1.277、简化毕肖普法为1.422；洪水运行情况下瑞典法为1.259、简化毕肖普法为1.406；特殊运行情况下瑞典法为1.065、简化毕肖普法为1.174，均满足规范要求。但在特殊工况下，稳定系数略高于规范值，富裕程度不大，因此，应该加强坝体地下水位(浸润线)的控制，尽可能降低地下水位。
　　 3)按照1:3.0的临时外坡比，针对混合式堆坝过程中的+640m、+660m、+680m标高的尾矿坝的稳定进行了计算分析。结果显示，坝体稳定系数均大于规范要求值，属于安全状态。所以，在混合式的堆筑过程中，要严格按照设计要求的1:4.0的坝外坡等技术参数、进行坝体的堆筑，以免堆积过程中出现陡坡，从而引起坝体发生局部坍塌等不良现象。
　　 4)如果采用两种方法堆积到同样的高度(+700m)，则混合式堆积坝的稳定系数明显高于单一上游法的，从安全的角度分析，混合式要优于单一上游法。
　　 5)另外，混合式堆坝、沿坝轴线单位宽度增加的库容为：3.3×104m3/m。因此，从库容增加的角度对比，混合式比单一上游法优越。