尾矿库溃坝致因分析

尾矿库溃坝致因分析

林远桢 李天华 张仕剑

紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿

摘要：尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的,用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿坝是一个具有高势能的人造泥石流危险源,存在溃坝危险,一旦失事,不仅会严重破坏下游区域的生态环境,也会给下游人民造成巨大的生命及财产损失。本文对尾矿库溃坝原因进行分析。

关键词：尾矿库；洪水漫顶；溃坝

1尾矿库溃坝致因分析

尾矿库在生产运行过程中的主要问题还是溃坝事故问题，尾矿库是一个人造的危险源，溃坝后带来的灾害是无法估量的，对于溃坝的致因研究也是非常重要的。尾矿库溃坝其实就是尾矿坝安全稳定的问题。有很多因素影响到尾矿坝的安全稳定，但主要是人为因素造成坝体失稳的，比如筑坝前的勘测设计、筑坝时的材料工艺、筑坝过程和筑坝后的管理维护运营。下面从渗流破坏、洪水漫顶、地震液化、坝体失稳分析溃坝的致因。

1.1渗流导致的溃坝

产生渗流破坏的原因主要是因为浸润线的位置过高，有渗透水从堆积坝中流出，坝体出现了局部沼泽化的现象，极易导致坝体整体垮塌。渗流破坏主要表现在两个方面：第一方面是渗透水压力造成坝体失稳的渗透破坏。在流场中，流体（主要指水）在渗流的过程中会对尾矿砂产生沿渗流方向的拖曳力，即渗透压力。尾矿库的堆积颗粒在长时间的渗透压力作用下难以固结，整体较松散，材料强度参数降低，容易发生局部液化最终会导致溃坝；同样在渗流过程中，还存在孔隙水压力，它减小了浸润线以下尾矿坝在滑移面上的有效应力，降低了土体的抗剪强度，如果初期坝坝坡较陡的话，容易造成尾矿坝坝体局部剪切滑移破坏，同样造成溃坝。在众多影响尾矿库坝体安全稳定的因素中，浸润线是非常重要的一个因素。所以尾矿库要尽一切可能降低浸润线，当浸润线每降低10cm的时候，静力稳定性安全因素就会增加0.5甚至更多。另一方面是在渗流场和应力场的渗透水流双重作用下，尾矿库坝体易发生渗透变形。这里的渗透变形主要指管涌和流土。发生渗透变形有两个条件：渗透水压力大于尾矿砂颗粒间的相互凝聚力；尾矿砂颗粒间有为渗透水提供的通道和空间。当满足渗透变形的条件后，在坝体内部极易产生管涌现象，尾矿砂颗粒之间的性质将发生改变，渗透性会增强，于此同时破坏了尾矿砂的堆积强度以及降低了尾矿砂的变形模量，从而进一步导致了尾矿库区内部和坝体出现裂缝和局部坍塌；极易在尾矿坝坡表面发生流土，这就可能是浸润线过高并向坝坡面逸出导致的流土，发生流土会导致坝坡面进一步受到侵蚀，侵蚀加剧后，坝体发生局部失稳，最终会产生滑移破坏。渗透变形不一定单方面发生，可能管涌和流土同时发生，溃坝的可能行会更大。所以渗透变形没产生渗透破坏前也不容忽视。

1.2坝体失稳导致的溃坝

主要是堆积坝体失稳，表现在两个方面：第一，坝体下游坡比设置过陡，没有按设计规定堆筑堆积坝。堆积子坝未按设计和规范进行碾压筑坝，密实度不够，筑坝材料不符合规定，都容易导致坝体失稳滑坡或溃坝，甚至刚筑完坝就要进行修复维护。还有在库区内的人为活动也可能造成坝体失稳。第二，尾矿库区尾水的自重在一定程度上会增加滑坡体的重量，并且因为存在渗透水压力，所以同样会增加滑坡体的下滑力。当沉积滩过短，库区内尾水过多，汛期降雨冲刷堆积坝坡，坝坡面维护不善，没有雨水冲刷防护措施，长时间坝体会出现裂缝和断口，坝体失稳，最终导致坝体出现坍塌、滑坡、溃坝。

1.3洪水漫顶导致的溃坝

洪水漫顶所引发的溃坝是最容易发生的，也是溃坝后造成损失最严重的[8]。引起洪水漫顶溃坝有很多因素，主要有：设计洪水标准偏低或没有按照设计规范要求设计，安全超高和干滩长度不能够达到要求；汛期前安全检查没落实到位；库内排洪系统阻塞导致无法泄洪或排洪系统泄洪能力不足；库区遇到汛期暴雨等极端天气造成库区内尾水急速上升，未及时采取强制排水泄洪措施；尾矿库外部截洪沟一旦发生垮塌和阻塞，导致大量洪水入库，减小调洪库非常容易引起洪水漫顶，漫顶的洪水冲刷侵蚀着堆积坝坝坡坡面，冲蚀的坡面开始出现局部失稳，进而多米诺效应般继续冲刷，最后整体失稳，导致溃坝，尾砂被水带走，形成饱和的砂浆，对下游产生巨大的破坏力。

1.4地震导致的溃坝

地震会使尾矿库内尾砂发生迅速液化，影响尾矿坝的稳定性。尾砂的物理力学性质、动载强度等级、干滩长度和排渗条件等均会对尾矿坝稳定性产生影响。尾矿堆积稳定，胶结状态好，排渗条件优良，有超过设计标准的干滩长度，都能提高尾矿库抵御地震的能力。理论研究方面，有学者提出了尾矿坝超静孔压的简化计算公式，并应用于拟静力法稳定分析中，计算不同工况下坝体的液化与稳定性，其中合理的干滩长度、有效的初期坝排水设施对尾矿坝抗震非常重要。数值模拟方面，模拟尾矿坝在静动荷载作用下位移与应力情况，并通过数值分析法模拟坝体在地震作用下的反应，预测尾矿坝基础系统的地震响应，为坝体的稳定性分析提供依据。考虑孔隙水压力，采用不排水有效应力和排水有效应力法2种地震反应有限元分析法，探讨高尾矿坝在地震过程中和地震后孔隙水压力的产生、扩散和消散规律及其加速度、动应力和孔隙水压力的响应值，同样具有工程指导价值。试验研究方面，研发尾矿坝体相似物理模型，采集尾矿坝在循环荷载作用下的地震响应，并针对试验结果提出加固措施，如通过施加虹吸井等方法降低液化区面积，效果显著。地震会使尾砂的力学性能变差，导致其迅速液化，而液化区尾砂的物理力学性质不同于非液化区，由此分析出的尾矿坝稳定性也会截然不同，因此，确定液化区和非液化区的界限尤为重要。

2尾矿坝稳定性分析

尾矿坝安全方面的研究，主要集中在:对尾砂物理性质，坝坡、坝高、子坝堆积高度及加高扩容对坝坡稳定性试验研究、边坡模拟;对洪水和地震作用的效应研究，通过土工测试、理论分析、数值模拟等评估对尾矿坝产生的危害;运用集对分析法、层次分析法和不确定概率法分析溃坝主要影响因素及概率。（1）尾砂物理性质及坝坡、坝高对尾矿坝稳定性有影响。坝坡失稳，较大程度取决于抗剪强度，而尾砂的含水率和压实度与抗剪强度有关，剪应力随压实度增加而增加，随含水率增加先增大后减小，剪应力最大时的含水率与尾砂饱和状态时的含水率相差较大。有学者指出高浓缩分级尾矿上游法堆坝能够使颗粒分级不明显，减少互层和细泥夹层的出现，有助于改善坝体内部结构。应用仿真软件分析不同坝坡、坝高下尾矿坝坝体的稳定性，以及降雨条件下坝坡、坝脚应力分布也是目前的研究热点。（2）洪水和地震作用下的安全研究集中在渗流应力耦合、强震作用下尾矿坝坝体渗流的稳定性和动力反应。运用堆坝模型试验、土工测试、理论分析和数值模拟等多种方法对坝体模型在地震作用下的强度动力反应与静、动力稳定性进行研究，发现高筑初期坝、合理布置排渗设施、加块石贴坡等能够满足静动力稳定性的规范要求。

3结语

尾矿坝安全稳定性研究目前比较成熟，导致尾矿坝溃坝的各因素分析也较深入，但多因素耦合作用下尾矿坝的安全分析研究较少，是未来的一个研究重点和方向。而实现尾矿库监控数字化、信息化、实时化是尾矿库安全管理未来的发展方向，尾矿库的安全管理还需要同时兼顾尾矿的综合治理，实现尾矿的回收利用，创建绿色环保矿山。

参考文献

[1]尾矿库漫顶溃坝的动态过程及其溃后影响研究[D].许志发.昆明理工大学2019

[2]尾矿库溃坝灾害防控现状及发展[J].王昆,杨鹏,KarenHudson-Edwards,吕文生,卜磊.工程科学学报.2018(05)