尾矿坝稳定性的研究现状与发展

[摘要]尾矿坝作为工业安全和环境保护重点监测对象，其稳定性至关重要。本文从介绍尾矿坝稳定性的研究现状入手，分析了渗流稳定、坝体静力稳定和坝体动力稳定三个因素的研究重点和工程应用性，并为尾矿坝稳定性分析研究和工程设计工作今后发展的方向提出建议。

[关键词]尾矿坝　渗流稳定　坝体静力稳定　坝体动力稳定

1前言

尾矿库作为我国安全生产重点监控的对象之一，其坝体的稳定性是影响整个尾矿库区安全稳定的至关重要的因素。尽管尾矿工程和边坡同屬于土力学的研究范畴，但相对于边坡稳定性研究，尾矿坝稳定性研究却相对较少，对于尾矿坝稳定性的研究主要内容仍然是变形和稳定的问题。就尾矿坝而言，变形与稳定问题所考虑的因素较为复杂，其中主要包括静力荷载和动力荷载，随着坝体加高的逐级加载形式，复杂的土体类型与结构，随时变化的饱和度，渗流和孔隙压力的存在等。随着近年来尾矿库安全事故的发生，许多专家和学者对尾矿坝体稳定性进行了深入的研究和探讨，其研究重点主要集中在渗流稳定性、坝体静力稳定和坝体动力稳定三大方面。

2渗流稳定性

从1856年建立渗流基础理论(达西定律)以后，渗流理论经过了非饱和渗流的Richards方程、有限差分法数值模拟、引入有限元分析法与非稳定渗流有限元计算法的发展，逐渐形成了适用于尾矿坝渗流稳定分析的理论基础。

在进行渗流稳定性分析时，浸润线的位置是影响渗流稳定最为主要的因素，如果浸润线溢出尾矿坝面或者浸润线处于临界状态，则确定该尾矿库处于不稳定状态；一般浸润线的安全位置主要依据尾矿库设计文件确定，如果浸润线位置低于设计高度，则认为该库渗流稳定。目前对于尾矿坝渗流稳定性研究的手段，除了工程实际勘测外，渗流分析手段主要有理论求解、半工业试验和数值分析三种方法。

运用理论进行浸润线计算时，首先要对工程做一个适当的概化，然后运用近似公式进行求解。但其只能适用于简单均质的工程，面对有土工布、排水褥垫、排水设施和堆积子坝等复杂边界条件的尾矿库，在计算理论方面一直未取得实质性的突破，因此该方法局限性较大。

半工业试验，即根据工程实际按相应比例，人工构筑一个各方面条件均类似于工程的试验模型，一般用于大型工程科学研究。理论上，半工业试验是最接近和最真实模拟工程实际的，且数据的测量和收集也是最为直观和真实的。但是由于其试验成本过高，一般中小型的尾矿库渗流稳定分析难以支付如此高额的研究成本，因此未能得到广泛的运用。

相比较前两者分析方法，数值分析方法以其数值分析理论基础较为完备、计算精度较高和研究成本低等特点自20世纪六七十年代在国内就得到较为广泛的应用。常用的数值分析方法有：差分法、有限元法和边界元法等。差分法是用一系列差分公式求解微分方程的一种计算方法，最具表达性的为有限差分法。有限元法，是以物质能量作为基础，把渗流问题转化为变分问题，再经过离散化从而得到计算解。由于有限元法使用简单、灵活，尤其在边界条件上可以不做专门处理，单元的形状可以随意变更等优点，如今得到广泛的应用。伴随着渗流数值分析方法的成熟，渗流分析软件也得到逐步发展，现较为成熟的渗流数值计算软件主要有FLOW-2D、Geo-Studio、ANSYS-APDL等。

3坝体静力稳定分析

当尾矿坝周边无强烈震动或者处于非地震时段，则一般认为尾矿坝处于静力状态，在进行尾矿坝体静力稳定分析时类似于含水土体的边坡稳定性分析，因此尾矿坝静力稳定分析理论的基础也是极限平衡理论。

工程设计与评价中常运用极限平衡法(条分法)分析黏性土坡的稳定性。条分法基本原理：将滑动土体竖直分成若干土条，把土条当成刚体，分别求作用于各土条上的圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后求土坡的稳定安全系数Fs。

运用条分法对土条进行方程求解时，该方程为未知数多于方程组的超静定方程，因此需要对超静定方程进行假设已知条件。根据假设已知条件的不同，极限平衡法可以分为瑞典条分法、简化毕肖普法、简布法和不平衡推力法等多种方法，在我国土坡设计和稳定性评价中多以瑞典条分法作为参照标准。

在进行坝体静力稳定分析时，除了上述理论计算方法外，主要还有半工业试验和数值分析方法。进行坝体静力稳定性分析半工业试验与渗流稳定分析类似，由于成本过高在设计和工程评价中难以得到广泛的推广。数值分析方法则得到许多设计和科研工作者的青睐。多数进行尾矿坝静力稳定分析的数值分析原理基本类似，主要是先选取初始折减系数F，对岩体强度参数C和①值进行折减，将折减后的强度参数(C’和φ’值)作为新材料参数输入，进行计算。若收敛，则表示岩土体仍处于稳定状态，然后再进一步折减，直到系统计算不收敛，意味着土体破坏，此时对应的折减系数称为稳定安全系数。

目前，被运用到尾矿坝静力稳定分析的数值分析方法有许多，不仅包括常见的有限单元法(FEM)、离散单元法(DEM)和颗粒流分析法(PFC)，还包括不连续变形分析法(DDA)、边界元法(BEM)、无界元(IDEM)、遗传进化算法和人工神经网络评价法等，其代表性应用程序主要有北京理正、ANSYS、PFC和FLAC(FLAC-2D、FLAC-3D)等。

4坝体动力稳定分析

尾矿坝体动力稳定分析不同于静力稳定分析，主要考虑的是尾矿坝在震动条件下产生的饱和砂土液化、孔隙水压变化、不规则波作用及岩土体动力学参数对坝体的动力稳定性影响。一直以来，成功地运用天然沉积砂土的动力学特性替代尾矿砂，提出了能够有效适用于尾矿砂的非线性动力模型和弹塑性模型。在不断地研究与探索动荷载作用下孔隙水压的发展和饱和砂土液化对尾矿坝抗震影响机理中，逐渐积累了尾矿坝体动力稳定分析的岩土体研究基础。

拟静力法分析尾矿坝体动力稳定性在前期研究和工程设计工作中较为常见，然而随着尾矿坝动力稳定研究工作的不断深入，传统的拟静力法已不能较好地满足坝坡震动计算，产生了结合地震工程学、岩土动力学、工程地质学和流体力学等多学科的理论分析方法。由于尾矿坝动力稳定研究涉及的理论学科多、内容范围广，目前主要采用理论研究、试验研究和数值分析相结合的方法。

在理论研究方面，动力反应分析法一直是研究尾矿坝体动力稳定的主要手段，从拟静力法、剪切片法、有限元法到有效应力法均有针对震动作用下尾矿坝可能发生的变形、裂缝、滑动和液化的研究，积累了大量的研究經验。针对尾矿坝动力稳定的试验研究有许多，包括尾砂岩体动力本构模型试验、尾砂震动冲击试验和半工业试验等，但由于大型试验的耗资过大，往往在研究过程中采用试验与数值分析相结合的方法。

数值分析方法随着理论研究的发展而更新。数值分析方法的研究从未间断过，从拟静力法到有效应力法都显示了其局部的适用性，往往我们在进行尾矿坝动力稳定分析时仍要使用两种或两种以上的分析方法来充分论证。随着近年来颗粒流数值分析方法的发展和推广，也有学者运用该方法进行尾矿坝动力稳定分析，取得了不错的试验效果。就目前而言，较为常用的数值分析软件主要有ANSYS—LSDYNA、ANSYS-APDL和Geo—Studfo等。

5展望

纵观国内外尾矿坝体稳定性研究的现状，考虑到尾矿坝安全事故频发，尾矿坝作为影响工业安全和环境保护的重要因子，其研究深度仍然有待改进，本文认为可以在以下几个方面进行重点突破：(1)随着尾矿砂越来越细和尾矿砂静一动力学参数的改变，在今后研究工作中应首先加强尾矿砂静一动力学本构模型试验，完菩尾矿砂静一动力学参数研究。(2)在进行相应研究时，应着重结合物理试验和数值分析试验结果，相互参照和补充，以此来增强研究结果的精确性。(3)工业的发展伴随着尾矿坝筑高的增加，以往集中在中低筑坝动力稳定分析的研究已不能满足工程需要，亟需在该领域深入研究。

参考文献

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