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尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成,用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所,是维持矿山企业正常运行的必要设施,同时也是一个具有高势能的人造泥石流危险源,它的安全与稳定对矿山企业的正常生产、区域生态安全至关重要。由于各种原因,我国半数以上的尾矿坝已经进入中晚期运行,已达到或者是接近设计高度,但是由于场地和资金方面的限制,不得不继续加高。尾矿库一旦失事发生溃坝事故,将对下游地区人民生命、财产安全造成极大危害,对环境造成严重污染,影响区域和谐稳定。
尾矿库既不同于普通的岩土体边坡,又不同于水坝,尾矿库内同时存在有大量的尾砂和水,坝体一旦溃决,库内尾矿砂和水将以泥石流的形式流出,造成的后果将不堪设想。从尾矿库失事的案例分析可以看到几乎尾矿库所有的事故都与水这一重要因素有关。在影响尾矿库稳定性的所有因素中,尾矿库内渗流浸润面的位置是最重要的因素之一,因此有必要对尾矿坝渗流场进行研究。同时,渗流分析得到的浸润线位置和孔隙水压力等结果为尾矿坝静力、动力稳定性分析提供了基础资料。还可以将渗流分析得到的尾矿库渗流场和浸润线的位置用于尾矿库稳定性分析中计算尾矿库的安全系数,得到耦合情况下尾矿库的最危险滑动面,以指导尾矿库的安全运行。
文章以黄麦岭尾矿坝为研究对象,以黄麦岭尾矿库的地质工程勘察报告为依据,应用大型通用软件Geo-studio中SEEP/W渗流模块和SLOPE/W边坡稳定性分析模块对黄麦岭尾矿库的渗流和稳定性进行分析,主要完成的工作内容如下:
(1)阐述尾矿库的基本知识,介绍尾矿、尾矿坝的相关概念及尾矿库的等级划分标准,总结了目前我国尾矿堆积筑坝的方式及库内尾矿堆积和沉积方式,基于收集的有关尾矿坝事故的资料,总结了尾矿坝最容易发生的事故类型,对发生尾矿事故的原因进行分析,有利于针对事故原因采取及时有效的预防事故的措施。
(2)介绍非饱和土的基本概念和渗流连续性方程,确定了尾矿库渗流计算需要用土-水特征曲线和渗流函数曲线模型。
(3)在渗流理论研究的基础上,通过Seep/W计算模块,以黄麦岭尾矿库工程勘察资料为基础,对尾矿库区的尾砂体进行了分析概化,建立了黄麦岭尾矿库渗流分析的几何模型,分析讨论了影响尾矿库渗流场的几个因素;通过对比研究,得到饱和-非饱和模型比饱和渗流模型更加符合尾矿库的渗流规律;研究了初期坝的透水性和尾矿库干滩长度对尾矿浸润线产生影响:初期坝透水性好有利于降低尾矿库浸润线位置,有利于尾矿库的稳定;干滩长度越长浸润线的位置越低,因此在尾矿库的运行中应注意增加干滩长度,从而有利于尾矿库的稳定。
(4)基于SLOPE/W模块稳定性计算分析方法,将渗流分析得到的孔隙水压力以及浸润线的结果用于黄麦岭尾矿库稳定性分析中,耦合计算了尾矿库在现状坝高147m和最终堆积标高177m不同工况条件下的尾矿库结构稳定性系数,及最危险滑动面位置,为尾矿库的安全运行提供依据。
(5)为解决尾矿库在不断加高过程中稳定性降低的问题,按坝体不稳定的因素提出了几种坝体来降低浸润线,提高坝体的抗剪强度,提高尾矿坝的稳定性的加固措施;并通过模拟验证了在尾矿堆积坝内铺设水平排渗管可以有效提高尾矿坝的稳定性。