全 文 ：Serial No． 517
May． 2012
现 代 矿 业
MORDEN MINING
总第 517期
2012年 5 月第 5 期
李付胜(1982—) ，男，工程师，注册安全工程师，硕士，401437 重
庆綦江区赶水镇。
满山红尾矿坝加高扩容渗流稳定性分析
李付胜 侯红斌 秦 洪 廖知力
(重庆钢铁集团矿业有限公司)
摘 要 尾矿坝是堆存金属非金属等矿山选矿废弃物的构筑物，其数量及坝体高度随国家对
矿产资源的巨大需求而快速增加。验算了尾矿坝现状和最终堆积标高两种情况下相应的最不利剖
面位置进行渗流计算和静力稳定计算。同时，运用二维有限元计算坡面浸润线，采用极限平衡法对
坝体现状和加高扩容后的稳定安全系数进行分析。计算结果表明，坝体最终堆积标高剖面的稳定
安全系数在不同计算条件下均满足规范要求，说明堆积坝加高扩容方案是安全可靠的。
关键词 渗透稳定性 抗滑稳定性 浸润线
Seepage Stability Analysis of Elevation and Expansion of Manshanhong Tailings Dam
Li Fusheng Hou Hongbin Qin Hong Liao Zhili
(Chongqing Iron ＆ Steel Group Mining Co．，Ltd)
Abstract Tailings dam is a structure which pile up metal and nonmetal and other mine beneficia-
tion waste，the quality and dam height has increased rapidly with country＇s great demanding for mineral
resources． Tailing dam situation and two situations of final accumulation elevation height were checked，
seepage and static force stability calculation were done at relevant most disadvantageous section position of
two conditions． Meanwhile，using two-dimensional finite element to calculate seepage line of sloping sur-
face，dam situation and stable safe factor of after elevation and expansion were analyzed by adopted limit
equilibrium method ． Calculation results indicated，stable safe factors of dam final accumulation elevation
height section were all meet the standard requirement under different calculation condition，which proved
the safe and reliable of elevation and expansion scheme of fill dam．
Keywords Seepage stability，Anti-slide stability，Seepage line
根据初步设计，满山红尾矿库的主要构筑物为
初期坝和排洪设施。设计总坝高为 88 m，总库容
119 万 m3，按现行《选矿厂尾矿设施设计规范》
(ZBJ1—90)规定应为三等库［1］。
根据矿山建设的需求，扩大原有尾矿坝，扩容后
尾矿库服务年限为 15 ～ 20 a，年尾矿量(包括电厂粉
煤灰)共计 14 万 t，取堆积干密度 1. 3 t /m3 计算，年
尾矿量约为 10. 77 万 m3，20 a 总尾矿量为 215. 4
万 m3，取库容利用系数 0. 8，所需尾矿库总库容为
269. 25 万 m3，最终堆积标高达 555 m，届时总坝高
达 118 m，相应排洪设施也应进行扩建。按《选矿厂
尾矿设施设计规范》(ZBJ 1—90)规定，考虑坝高
118 m，应为二等库;考虑库容 269. 25 万 m3，应为四
等库。综合考虑该尾矿库为三等库。
1 坝体稳定性分析要求
根据《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—
2005) ，尾矿库初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定性
应根据坝体材料及坝基岩土的物理力学性质，考虑
各种荷载组合，计算方法宜采用瑞典圆弧法。当坝
基或坝体内存在软弱土层时，可采用改良圆弧法。
考虑地震荷载时，应按《水工建筑物抗震设计规范》
的有关规定进行计算;当采用简化毕肖普法与瑞典
圆弧法计算结果相比较时，可参考《碾压式土石坝
设计规范》有关规定选用两种方法计算所得的最小
安全系数。
此次在进行坝体抗滑稳定计算时，采用极限平
衡法进行稳定分析。计算采用瑞典圆弧法，同时还
利用简化毕肖普法，斯宾塞法、摩根斯坦法、简布法
进行了比较。
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根据《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ 1—
90) ，不同运行情况的荷载组合见表 1。坝坡抗滑稳
定的安全系数不应小于最小安全系数。见表 2。
表 1 荷载组合
运行情况 分析方法
正常高
水位的
渗透压力
坝体
自重
坝基
孔隙
压力
最高洪
水位的
渗透压力
地震
荷载
正常运行
洪水运行
特殊运行
总应力法 有 有
有效应力法 有 有 有
总应力法 有 有
有效应力法 有 有 有
总应力法 有 有 有
有效应力法 有 有 有 有
表 2 坝坡抗滑稳定最小安全系数
运行情况
坝的不同级别下的最小安全系数
1 2 3 4，5
正常运行 1. 30 1. 25 1. 20 1. 15
洪水运行 1. 20 1. 15 1. 10 1. 05
特殊运行 1. 10 1. 05 1. 05 1. 00
满山红尾矿库改扩建完成后尾矿库等别为三
等，相应尾矿坝的级别为 3 级，因此正常运行情况下
坝坡抗滑稳定最小安全系数取 1. 20，洪水运行取
1. 10，特殊情况下取 1. 05。
根据《中国地震烈度区划图》(GB 18306—
2001)及中南勘测设计院提供的工程地质勘察报
告，綦江铁矿处于 VI 度地震烈度区。根据《构筑物
抗震设计规范》(GB 50191—93) ，VI 度时，尾矿坝
可不进行抗震验算，只需按静力法计算。
綦江铁矿满山红尾矿库位于陡峭狭长的山沟，
地形蜿蜒曲折，对堆积坝坡稳定有利。稳定计算剖
面经过分析比较，最终选定相对最不利于稳定的剖
面位置。
2 尾矿库坝体渗流分析
按《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ 1—90)规
定的五类荷载中，对于第四类最高洪水位有可能形
成的稳定渗透压力，根据大量尾矿库坝体浸润线水
位观测资料的分析结果，对沉积滩长超过 100 m 的
上游法堆坝的尾矿坝最高洪水位一般难以形成稳定
渗流，也就难以形成相应的渗透压力［2-3］。
设计中按《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ
1—90)对于上游式尾矿坝最小安全超高与最小滩
长的规定确定坝体上游最高水位位置，从而获得相
应的化引滩长和化引库水位。下游自由溢出点位置
根据现场观测位于初期堆石坝坝脚部位。
在计算现状剖面的浸润线时，由于尾矿场内部
地形起伏、沟谷曲折，考虑到渗流水流的主流是沿主
河沟方向流动，所以渗流计算断面选取通过初期坝
而沿主河沟的断面，从而获得符合实际的浸润线。
在此基础上，根据地质剖面图绘出现状条件相应计
算坡面的浸润线。
渗流分析采用二维有限元非饱和稳定渗流程序
进行计算，结果只作为确定稳定计算程序中浸润线
位置的参考。现状剖面及最终堆积标高剖面渗流分
析结果详见图 1 ～图 4。
3 稳定计算参数选择
根据中国水电工程顾问集团中南勘测设计院提
供的《重庆市重钢集团矿业公司綦江铁矿满山红尾
矿库工程地质勘察报告》和中南大学土木建筑学院
提供的《重庆市重钢集团矿业公司綦江铁矿满山红
尾矿库土工试验研究报告》，满山红尾矿库坝体稳
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总第 517 期 现代矿业 2012 年 5 月第 5 期
定分析不同材料物理力学指标建议值见表 3。
表 3 稳定计算参数
地层名称
天然容重 ρ
/(kN /m3)
饱和容重 ρd
/(kN /m3)
抗剪强度
总应力
C黏聚力 /kPa 内摩擦角 /(°)
有效应力
C黏聚力 /kPa 内摩擦角 /(°)
渗透系数 k
/(m/s)
砾砂质煤灰①-1 12. 2 15. 05 4. 7 34. 7 25 35 1. 8 × 10 －5
粉砂质煤灰①-2 11. 7 14. 24 1. 3 30. 4 28 34 7. 9 × 10 －6
粉土质煤灰①-3 12. 4 14. 2 1. 5 30. 8 35 30 5. 0 × 10 －6
尾中砂② 17. 3 20. 72 2. 0 33. 0 15 35 2. 5 × 10 －5
尾粉砂③ 18. 5 21. 26 2. 0 29. 4 22 35 1. 6 × 10 －5
尾粉土④ 20. 2 20. 58 5. 0 26. 7 20 34 3. 6 × 10 －7
堆石体 19. 5 20. 5 8 35 8 35 2 × 10 －2
砂 岩 25. 90 26. 75 40 55 40 55 1 × 10 －10
4 坝体稳定分析结果
4. 1 现状剖面稳定验算结果
坝体现状剖面静力稳定计算按总应力指标计
算［4］，静力稳定计算结果见表 4、表 5，计算结果分别
按不同计算方法、计算工况列出。
表 4 坝体现状剖面正常水位条件稳定计算结果
计算方法
最小
安全系数
滑弧深度
/m XX YY RR
瑞典圆弧法 1. 899 463. 993 75. 684 3 496. 114 7 32. 122
简化 Bishop法 1. 976 464. 435 73. 382 503. 539 39. 104
斯宾塞法 1. 977 464. 427 73. 365 503. 553 39. 126
摩根斯坦法 1. 976 433. 477 88. 872 472. 595 39. 118
简布法 1. 901 463. 866 75. 498 496. 332 32. 466
注:XX—滑弧圆心横坐标，YY—滑弧圆心纵坐标，RR—滑弧半
径。以下同。
表 5 坝体现状剖面最高洪水位条件稳定计算结果
计算方法
最小
安全系数
滑弧深度
/m XX YY RR
瑞典圆弧法 1. 634 457. 764 89. 009 515. 138 57. 374
简化 Bishop法 1. 789 461. 673 81. 189 537. 202 75. 529
斯宾塞法 1. 795 461. 695 81. 201 537. 154 75. 459
摩根斯坦法 1. 795 461. 678 80. 264 536. 865 75. 187
简布法 1. 667 460. 306 85. 518 524. 000 63. 694
由计算结果可知，简化 Bishop 法获得的安全系
数比瑞典法稍大，满足一般规律;同时，简化 Bishop
法、斯宾塞法、摩根斯坦法计算的安全系数比较接
近。
计算结果表明，坝体现状剖面的稳定安全系数
在不同计算条件下均满足规范要求，说明边坡不会
出现整体滑移破坏，符合现状情况。
4. 2 加高扩容堆积标高稳定计算结果
为满足服务年限要求，改扩建拟将坝体堆积加
高至 555 m标高，由于现状尾矿坝边坡很不规则且
局部较陡，加高扩容后，在洪水条件下可能出现局部
塌落，故应对现有初期坝和堆积边坡进行修整。最
终堆积标高稳定计算参数指标按现状勘探指标参数
建议值，取总应力指标进行计算，分析最不利堆积剖
面稳定情况［5］。静力稳定计算结果见表 6、表 7。
表 6 坝体最终堆积剖面正常水位条件稳定计算结果
计算方法
最小
安全系数
滑弧深度
/m XX YY RR
瑞典圆弧法 1. 273 464. 434 223. 473 556. 669 92. 235
简化 Bishop法 1. 611 469. 905 194. 403 646. 300 176. 395
斯宾塞法 1. 619 469. 904 194. 415 646. 336 176. 432
摩根斯坦法 1. 613 469. 902 194. 361 646. 237 176. 335
简布法 1. 488 469. 903 194. 421 646. 354 176. 451
表 7 坝体最终堆积剖面最高洪水位条件稳定计算结果
计算方法
最小
安全系数
滑弧深度
/m XX YY RR
瑞典圆弧法 1. 175 464. 437 223. 341 556. 563 92. 126
简化 Bishop法 1. 512 469. 900 194. 375 646. 282 176. 382
斯宾塞法 1. 521 469. 968 192. 473 641. 845 171. 877
摩根斯坦法 1. 517 469. 912 194. 318 646. 066 176. 154
简布法 1. 396 469. 916 194. 323 646. 048 176. 132
计算结果表明，坝体最终堆积标高剖面的稳定
安全系数在不同计算条件下均满足规范要求，说明
堆积坝加高扩容方案是安全可靠的。
5 建 议
(1)尾矿库在考虑扩容之前应该对坝体进行综
合治理，以确保浸润线的位置在坝体(下转第88页)
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李付胜 侯红斌:满山红尾矿坝加高扩容渗流稳定性分析 2012 年 5 月第 5 期
4 支护效果分析
在工作面顺槽中布置了 2 组顶板离层仪，根据
定期观测数据画出顶板离层观测图(见图 3)。由图
3 中曲线可以看出，在锚杆(索)安设的 15 d 内顶板
离层变形呈上升趋势，最大达 12 mm。随后，离层量
逐渐减小，至第 27 d 左右趋于稳定值，表明顶板离
层变形己经稳定，支护效果得以显现［11］。
图 3 离层仪观测
5 结 论
(1)3 上 412 综采放顶煤开采的顺槽支护是成
功的。采用锚杆(索)+钢带联合支护后的综放顺
槽，其掘进断面能够满足《煤矿安全规程》对通风、
运输等方面的要求，在工作面采动期间能够经受住
动压的考验。
(2)综放工作面顺槽采用锚杆(索)+钢带联合
支护方式，与原工字钢棚支护相比，掘进断面减少
0. 8 m2 左右，节约了掘进支护费用，减少了金属棚
运输、支设、回撤工作，减轻了工人的劳动强度，降低
了吨煤生产成本，具有显著的经济效益。
参 考 文 献
［1］ 杜 宝，曲景冲，苍宝纯．锚杆钢带在顺槽支护中的应用［J］．
煤炭技术，2003(4) :55-57．
［2］ 刘勇洪．锚索补强支护在顺槽支护中的应用［J］．科技情报开
发与经济，2009(19) :201-202．
［3］ 陈绍军，李振华，徐衍合． 锚索支护在厚煤层顺槽中的应用
［J］．矿业安全与环保，2004，31(2) :40-41．
［4］ 张茂林．破碎顶板巷道锚网支护技术［J］．煤矿安全，2009(5) :
51-53．
［5］ 宋 慧．浅谈如何加强回采工作面采空侧顺槽支护［J］．工程
技术，2011(17) :33-34．
［6］ 刘守龙．浅谈综采工作面两顺槽支护形式及材料的合理选择
［J］．科技情报开发与经济，2005(15) :286-287．
［7］ 李开学．深部矿井顺槽支护方式的探讨［J］．矿业安全与环保，
2004，31(2) :55-56，58．
［8］ 王崇景，李国恩，李方波．深厚煤层中顺槽支护参数选择［J］．
煤炭技术，2010(9) :74-75．
［9］ 王 季，王方凯．深埋煤层顺槽支护技术实践［J］．山西建筑，
2011(19) :59-60．
［10］ 王富其．兖州矿区综放工作面顺槽锚网支护的实践［J］．山东
煤炭科技，1996(3) :24-26．
［11］ 郭灵飞，康天合，柴肇云，等． 综放孤岛工作面顺槽锚固技术
研究［J］．煤炭技术，2011(2) :60-61．
(收稿日期 2011-10-28
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
)
(上接第 27 页)不断加高的过程中能得到有效的控
制。
(2)扩容工程可行性的关键就是要采取有效措
施控制坝体浸润线的位置，使坝体在加高的过程中
浸润线不会出现明显的抬升。
(3)建立完善的尾矿库监测系统，包括坝体垂
直及水平变形监测、浸润线观测，加强尾矿坝坝坡面
植被保护，防止被雨水冲刷。
6 结 论
(1)采用二维有限元非饱和稳定渗流程序计算
坡面的浸润线，结果只作为确定稳定计算程序中浸
润线位置的参考。
(2)采用极限平衡法进行稳定分析，坝体现状
剖面的稳定安全系数在不同计算条件下均满足规范
要求，说明边坡不会出现整体滑移破坏，与现状情况
相符。
(3)加高扩容后，最终堆积标高稳定计算参数
指标按现状勘探指标参数建议值，取总应力指标进
行计算，分析最不利堆积剖面稳定情况。计算结果
表明，坝体最终堆积标高剖面的稳定安全系数在不
同计算条件下均满足规范要求，说明堆积坝加高扩
容方案是安全可靠的。
参 考 文 献
［1］ 中冶长天国际工程有限责任公司．重钢集团矿业公司綦江铁
矿满山红尾矿库改扩建工程方案设计［R］． 长沙:中冶长天国
际工程有限责任公司，2007．
［2］ 汪云满，宋月明，徐志宏．上游法尾矿坝加高扩容的加固处理
措施［J］．矿业快报，2002(9) :13-15．
［3］ 《尾矿设施设计参考资料》编写组． 尾矿设施设计参考资料
［M］．北京:冶金工业出版社，1987．
［4］ 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［M］．北京:中国水利水电出
版社，1995．
［5］ 张 超，杨春和，孔令伟．某铜矿尾砂力学特性研究和稳定性
分析［J］．岩土力学，2003，24(5) :858-862．
(收稿日期 2012-03-28)
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总第 517 期 现代矿业 2012 年 5 月第 5 期