浅谈尾矿溃坝事故的危害

浅谈尾矿溃坝事故的危害

1矿山尾矿库建设的危害尾矿库是指建筑物通过大坝连接谷物开口和边缘区域，收集金属非金属矿山，收集和消除矿石后废物。这是维持矿山正常生产所必需的设施，投资大，通常占矿山总投资的5%10%。尾矿库是一种人造的具有高势能的泥石流,由于其存在溃坝的危险,所以它还是重大危险源,威胁下游居民及设施的安全。据统计,在世界上的各种重大灾害中,尾矿库灾害仅次于发生地震、霍乱、洪水和氢弹爆炸二居于第18位。在尾矿库整个库区中,溃坝事故发生的危险性最大,溃坝事故一旦发生,会引起重大人员伤亡财产损失和环境污染,因此对导致尾矿坝溃坝的致灾机理进行研究已成为尾矿库安全工作的重要任务之一。2国内外剩余矿山事故近年来国内外曾多次发生尾矿坝溃坝重大事故,如表1和表2所示。3矿坝噬坝过失模式对引起尾矿坝溃坝的各因素进行分析可归纳出尾矿坝溃坝的失事模式。尾矿坝溃坝的失事模式可分为洪水漫坝失事模式和坝体结构失事模式,坝体结构失事模式又可分为渗透破坏失事模式、坝坡失稳失事模式和地震险情失事模式,地震险情失事模式又可分为地震液化失事模式和地震失稳失事模式。3.1洪水冲刷及冲蚀环造成洪水漫坝的原因是多方面的,主要因素有:水文资料短缺造成洪水设计标准偏低;泄洪能力不足;坝顶超高不足等导致尾矿坝漫顶进而发展为溃坝。此外,施工质量、运行管理也直接影响着尾矿坝的抗洪能力。洪水漫顶时,由水流产生的剪应力和对土颗粒的拉拽力作用在坝体下游表面。当剪应力超过某薄弱处的抗蚀临界值时从而启动侵蚀过程。尾矿坝由于其透水性低,在下游边坡无渗流逸出,冲蚀开始于下游坝趾(主要是紊动引起的冲蚀)并向上游发展。当边坡很陡时,由于张力和剪力引起大块材料倒坍如图1。如坝趾排水或垂直排水的粗颗粒料成分一旦暴露于流水中,就很容易被冲蚀并加快了整个冲蚀过程。3.2渗流影响分析渗透破坏是指渗透水流引起坝体的局部破坏。尾矿坝渗透变形的发生演变过程与地质条件、土粒级配、水力条件、尾矿的渗透性质和防排水措施等因素有关,渗流对坝体的影响主要表现在两个方面。(1)尾矿颗粒的渗透压力在流场中作用于尾矿坝体的渗流压力产生的本质是:水在渗流过程中受到了尾矿颗粒的摩擦阻力而在渗透途径上损失了水头,与此同时尾矿颗粒也受到水沿渗流方向施加于尾矿颗粒的拖曳力——即渗透压力。渗透压力在数值上等于在渗流方向上损失的水头,它是体积力,其大小取决于渗透坡降。由于渗透压力的存在,就降低了整体坝坡的稳定性,这是主要导致坝坡失稳的因素之一。(2)坝体结构及边界问题尾矿体在渗流的作用下,也可能产生自身的变形和破坏的现象。渗流出口处的颗粒特征及其渗透压力的条件对坝体的安全有重要意义。渗流出口处的尾矿在非正常渗流情况下,能导致坝体流土、冲刷及管涌等多种形式的渗透破坏。在渗流场中产生渗透变形,必须具备两个基本条件:①渗透压力能克服尾矿颗粒间的联系强度。②尾矿体的内部结构及其边界有颗粒位移的通道和空间。在我国,多采用水力输送法将层矿砂浆自坝体下游边坡往上游冲填,并逐年修建子坝不断加高坝身。这样填筑起来的坝称上游法尾矿坝。上游筑坝法对放矿动力设备等要求较低,生产管理简单灵活。但是,用其堆筑沉积而成的坝体结构复杂。从剖面上看粗细相间为成层结构,坝体中常夹有矿泥层,渗透参数上下邻层相差较多,形成非均质各向异性复杂坝体。这种坝的浸润面往往较高,很容易在坝坡面出逸,产生管涌流砂等。大量理论研究及工程实测统计资料表明,在影响上游法尾矿坝坝体稳定性的诸多因素中,坝体渗流浸润面位置是极为重要的因素之一。影响尾矿坝浸润线的因素很多,当坝高一定时,以渗透系数的影响程度最大。干滩长度对浸润线的影响在坝体分层确定之后,显得特别突出。在洪水期应严加控制,以免发生因干滩长度过短而造成的浸润线上升过大,坝身安全受到威胁的现象。初期坝高取总坝高的1/3～1/6是适宜的。在非均质各向异性的尾矿堆坝内设置垂直水平联合排水系统,确保下游出流畅通无阻,可以有效地降低浸润线位置,保证坝身安全。3.3水库大坝坍塌分析(1)影响水库失稳定的主要因素首先，项目的地质位坝体边坡过陡,有局部坍塌、隆起或裂缝,坝基下存在软基或岩溶,库区内乱采乱挖、放牧及开垦都会引起坝体滑坡坍塌。水作用及坝体稳定性①由瑞典圆弧法确定安全系数的计算公式如公式(1)可知,分母部分可以看作是致使坡体下滑的下滑力,W为滑坡体重量,水的存在增加了滑坡体W的重量,而且由于渗透力的存在也增加了坡体下滑力,所以水的作用会引起坡体下滑力的增加。②内摩擦角越大,抗剪强度越大,水的作用会使有效粘聚力、有效内摩擦角和基质吸力降低,从而使抗剪强度降低,坝体稳定性降低。③降雨造成的地表径流和库水会冲刷和切割坝坡,形成裂隙或断口,降低坝体稳定性。同时,水在坝体内的流动引起的冲刷和渗流作用也会降低坝体的稳定性。(2)尾矿坝坡系统的总体工艺分析突变理论是法国数学家勒内·托姆于1972年创立的,是以分叉理论、奇异理论和拓扑学为数学工具,用以分析如岩石突然断裂、桥梁突然坍塌、拱坝失稳等传统的微积分方法不能解释的不连续变化现象的数学分支。突变理论通过给出系统在突变过程的势函数,讨论相应的突变模型,特别是控制空间中突变集的几何形状,定性研究不连续变化现象。按照几何形状的不同,可分为折叠型、尖拐型、燕尾型等7种类型的初等突变。尾矿坝坝坡失稳是一个漫长而复杂的过程,其变形破坏的全过程是由一个稳定缓慢的连续变形阶段逐渐过渡到突发性的失稳阶段构成的。因此,研究这个由渐变到突变、由量变到质变的过程和转折点,很难用传统的方法有效地进行研究和定量评价,所以这里用突变理论对尾矿坝坝坡失稳进行研究。滑动面是在滑移-拉裂-剪切复合机制下形成的。由于尾矿坝内浸润线下的坝体材料长期受地下水的浸泡,在地下水作用下,常发生泥化作用,强度亦于丧失,具有应变弱化性质,其抵抗变形的能力随变形增大而减小,一般滑移发生在前,且沿着软弱夹层进行,这种变形与坡体向临空方向膨胀回弹及局部剪应力集中有关。拉裂发生在滑移之后,其出现在坡顶和坡面上部.当坡顶产生拉裂之后,剪应力向坝坡内集中,于坝体内形成一个新的剪应力集中带,当剪应力集中超过坝体的抗剪强度时,导致坝坡逐渐剪切破坏,最后坝坡滑动。滑动面有两部分组成,前部为蠕滑段,后部为剪切段。尾矿坝坝坡系统的总势能函数的表达式可写为:式中:V是结构体系的总势能;U是结构体系的应变能;Pi是作用于坝坡上的荷载,是相应荷载Pi的位移;n是作用荷载的数量。设滑面为一非均匀软弱夹层,上部为纯弹性的,剪切弹性模量用Ge表示,下部蠕滑段,Gs为滑面的初始剪切模量。滑面倾角为θ,垂直高度为H。在自重产生的下滑力作用下,沿软弱夹层的蠕滑位移为μ,μ0为蠕滑段本构关系曲线的拐点处峰值。le和ls分别是弹性介质和应变软化介质的滑动面长度,滑带介质具有损伤弱化和水致弱化性质。滑动失稳力学模型见图2。根据文献提出的蠕滑段介质的本构关系,可得尾矿坝坝坡系统的总势能函数为:由V′=0可确定平衡曲面,如图3尖点突变模型根据平衡曲面的光滑性质,由Vue087=0,求得尖点,即将平衡曲面式(4),相对于尖点处状态变量值μ1作Taylor展开,截取至3次项并作变量代换得到尖点突变的标准形式:参数k与介质的力学参数变量有关,ζ与坝坡坡角、滑坡体重量和介质的力学参数等有关。分叉集方程为:4p3+27q2=0,根据尖点突变理论,只有当p≤0时才有跨越分叉集的可能,故系统发生突变的必要条件为:由(1.12)可得发生滑坡失稳的必要条件为:k的大小与介质的力学参数变量有关,这说明了坝坡是否失稳与筑坝材料的力学性质有着直接密切的关系,从突变学角度证明了材料的内摩擦角,粘聚力对坝体抗滑稳定性的影响。当控制变量分别满足分叉集方程式时,系统则处于突变前的临界状态,由此可得坝体发生突变失稳的充分条件为:从上面的分析可以看出,坝体材料的力学性质是决定坝体稳定的必要条件,而堆坝的坝角、滑体本身的重量也同样对坝体的抗滑稳定起着重要的作用,是保证坝体稳定的充分条件,坝体在水的浸泡下,会使坝体材料的抗剪强度降低,同时由于水的存在也增加了滑体重量,因此坝体浸润线的位置对坝体的抗滑稳定性产生很大的影响,在日常管理中需要加强尾矿库库水位的控制,尽可能的降低浸润线的位置。3.4尾矿及工程地质条件对坝体地震液化的影响饱和砂土或尾矿泥受到水平方向地震运动的反复剪切或竖直向地震运动的反复振动,土体发生反复变形,因而颗粒重新排列,孔隙率减小,土体被压密,土颗粒的接触应力一部分转移给孔隙水承担,孔隙水压力超过原有静水压力,与土体的有效应力相等时,动力抗剪强度完全丧失,变成粘滞液体,这种现象称为砂土振动液化。影响坝体地震液化的主要因素:第一,尾矿物理性质条件主要是指尾矿颗粒的组成、颗粒形状、颗粒大小、排列状况、尾矿密度等。相对密度Dr越大,抗液化强度越高,排列结构稳定和胶结状况良好的尾矿同样具有较高的抗液化能力,粒径大的尾矿比粒径小的尾矿也较难发生液化。第二,埋藏条件覆盖有效压力越大,排水条件越好,液化的可能性越小。第三,动荷条件地震波对坝体液化的影响,主要和地震波的波型、频率、作用时间和震动作用的方向有关。震动的频率越高,震动持续的时间越长,越容易引起液化,此外,对于液化的抵抗能力在正弦波作用时最小,而且,震动方向接近尾矿的内摩擦角时抗剪强度最低,最容易引起液化。地震应力引起的坝体内部剪应力增大是影响尾矿坝稳定性的另一重要因素。不考虑水对边坡稳定性的影响,将地震看成影响和控制边坡稳定的主要