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生态修复尾矿坝的边坡稳定性评价
2019-08-26
当前的尾矿坝稳定性分析中,不考虑植物作用的影响,难以满足尾矿库综合治理的客观要求。以歪 头山铁矿尾矿库为例,采集现场生态修复区的植物与根际土壤样品;制作灌木侧须根—土复合土,测定复合土的渗 透系数和物理力学性质指标;测量植物生长参数,进行主根条拉伸实验;基于极限平衡法,计算在正常运行、洪水运 行、特殊运行工况下,生态修复尾矿坝的浸润线及安全系数。结果表明:无植物体、植物侧须根加筋、植物侧须根加 筋+主根锚固+自重等3种状态下,生态修复后尾矿坝的安全系数提高0.025~0.030,说明植物修复有利于坝体稳定, 但影响仅限于表层,对整体稳定性影响有限;特殊工况比洪水工况的坝体安全系数略有降低,且随...
Series No. 518 August 2019 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 518 期 2019 年第 8 期 ·安全与环保· 生态修复尾矿坝的边坡稳定性评价 1 2 11 周素航 郝 喆 杨青潮 1. 辽宁大学环境学院,辽宁 沈阳 110036;2. 长安大学公路学院,陕西 西安 710064) ( 摘 要 当前的尾矿坝稳定性分析中,不考虑植物作用的影响,难以满足尾矿库综合治理的客观要求。以歪 头山铁矿尾矿库为例,采集现场生态修复区的植物与根际土壤样品;制作灌木侧须根—土复合土,测定复合土的渗 透系数和物理力学性质指标;测量植物生长参数,进行主根条拉伸实验;基于极限平衡法,计算在正常运行、洪水运 行、特殊运行工况下,生态修复尾矿坝的浸润线及安全系数。结果表明:无植物体、植物侧须根加筋、植物侧须根加 筋+主根锚固+自重等 3 种状态下,生态修复后尾矿坝的安全系数提高 0.025~0.030,说明植物修复有利于坝体稳定, 但影响仅限于表层,对整体稳定性影响有限;特殊工况比洪水工况的坝体安全系数略有降低,且随地震时程呈先减 小后增加再减小的波动趋势;稳定性评价结果表明,该尾矿坝在 3 种运行工况下是安全稳定的。 关键词 生态修复 尾矿坝 根—土复合土 稳定性评价 中图分类号 TD926 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-08-162-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201908027 Evaluation on Slope Stability of Ecological Remediation Tailings Dam 1 2 12 Hao Zhe Yang Qingchao Zhou Suhang (1. School of Environment,Liaoning University,Shenyang 110036,China; 2. School of Highway,Chang'an University,Xi'an 710064,China) Abstract In the current stability analysis of tailings dam,the influence of plants has not considered,resulting in diffi⁃ culty to meet the objective requirements of comprehensive management of tailings pond. Taking the tailings pond in Wait⁃ oushan iron mine as an example,the plants and rhizosphere soil were sampled in the ecological remediation area. The shrub lateral fibrous root-soil composite soil mass was prepared,and its seepage coefficient and physical mechanical indexes were measured. The parameters of plant growth were measured to carry out the experiment of taproot stretch. Based on the limited equilibrium method,the seepage line and safety factors of ecological remediation tailings dam under different conditions such as normal,flood and special were calculated. The results show that the safety factors of tailings dam can be increased by 0 .025~0.030 under three ecological restoration conditions,namely,no plants,plant side fibrous root reinforcement,plant side fibrous root reinforcement + taproot anchorage + plant weight. The safety factor of the tailings dam under special condi⁃ tions is slightly lower than that under flood conditions,and its fluctuation trend decreases first,then increases and then de⁃ creases with the time history of earthquake. The stability evaluation results show that the tailings dam is safe and stable under three operating conditions. Keywords Ecological remediation,Tailings dam,Root-soil composite soil mass,Stability evaluation 我国近年来对矿山环境综合治理工作十分重 视。在“十三五”期间,国家计划投入的治理资金高 达750亿元。投入的资金中,约30%被用于尾矿库的 治理。据统计,目前我国已有 6 000余座尾矿库开展 了综合治理,治理的重点就是尾矿坝的安全整治和 植被修复。就调查资料来看,在矿山环境治理工程 实施中,尚未考虑过植物对尾矿坝边坡稳定性的影 响问题,难以满足尾矿库环境治理的客观要求。 国内外学者在植物护坡领域开展了许多工作, 可为尾矿坝修复后的边坡稳定分析提供参考。Wu [1] 等 利用根系—土壤相互作用模型研究了根系对边 [ 2] 坡稳定性的影响。Lin等 利用三维有限元法对某桂 收稿日期 2019-07-02 基金项目 国家水体污染控制与治理科技重大专项(编号:2015ZX07202-012),辽宁省自然科学基金项目(编号:20180550192)。 作者简介 郝 喆(1972—),男,教授。 · 162 · 郝 喆等:生态修复尾矿坝的边坡稳定性评价 2019年第8期 [ 3] 竹坡地的固坡效果进行了评价。Pollen N 指出根— 土复合体能够发挥根系、土体2种材料的优势。吴宏 [ 4] 伟 模拟了 4 种不同形状根系的水力作用和加筋作 [ 5] 用。李国荣等 将根—土复合体视为同一种介质,模 [ 6] 拟灌木根系对边坡稳定性的影响。宋维峰等 通过 直接剪切试验对根—土复合体在不同含水量和土体 干密度、不同法向荷载条件下的根—土摩擦界面关 系进行了研究。 植被可起到防止水土流失、净化空气、修复生态 和美化环境的作用,也会对岩土边坡的稳定性产生 影响。与其他工程对象如铁路、公路边坡相比,尾矿 库的坝坡是由尾矿料不断加高堆积形成的,它具有 特殊的地层结构、植物立地条件和荷载特征。在植 物作用下会引起土体结构组成、物理力学特性和水 文地质参数的不同变化,产生复杂的渗流规律和稳 定性特征。为此,开展植物修复尾矿坝的边坡稳定 性评价,对矿山生态修复工程的准确实施,确保矿山 企业安全生产、保护环境、提高生态修复效果具有重 要指导意义。 1 . 3 检测指标 1)测量植物的株高、树径、主根长、根径和重 度,统计侧须根含量。 ( (2)进行现场灌水试验,测定土壤天然密度;利 用环刀原状样,测定含水率和孔隙比。 (3)测量根含量,据此在尾矿土中均匀分散加入 侧须根,构成混合分布的加筋复合土。利用直剪和 压缩试验,测定复合土的抗剪强度和压缩系数;利用 常水头渗透试验,测定复合土渗透系数。 ( 4)进行根条拉伸试验,测定主根抗拉力及变形值。 . 4 计算参数 根据工程勘察报告,确定尾矿坝岩土地层的物理 1 样品采集及指标检测 1 1 . 1 现场简介 本钢集团歪头山铁矿小西沟尾矿库建于 1970 力学性质指标;依据上述灌木侧须根—土复合土检测 结果,确定植被修复土层性质指标,见表1所示。 2 年,属省管二等山谷型尾矿库。占地面积 1.62 km , 2 2 汇水面积 1.56 km ,水域面积 15 万 m ,全库容 1 亿 m³。该尾矿库初期坝为透水堆石坝;堆积坝为尾矿 堆积坝,采用水力冲积上游法筑坝。现坝顶标高 2 80 m,总坡比 1∶4.0,现状干滩长度 250 m,坝顶长约 600 m,尾矿坝总高约为100 m。 1 尾矿坝外坡陆续开展了生态修复工作。经现场 调查,人工栽植植物有沙棘(灌木)、紫穗槐(灌木)、 柠条锦鸡儿(灌木),紫花苜蓿(草本);非栽植自然生 长的植被有杨树、榆树和狗尾草等。其中,沙棘是尾 矿坝生态修复区的优势种群。为此,以沙棘为代表 植物进行现场采样。 1 . 2 样品采集 在坝外坡进行根际土壤和植物样品采集。设置 条采样线,每条线设置3个采样区,采集不同年龄的 植物生长参数测量结果见表2所示。 3 灌木植物沙棘和根际土壤,树龄分别为 1 a、4 a 和 10 a,采样区共9处。采样方式及数量:不同树龄的沙棘 连同根须整体挖出,并迅速将根须包裹,以防治水分 散失;对应根际土取扰动样 9 袋,用于复合土性质检 测;取原状样(环刀法)9 处,用于天然密度和孔隙比 测定。另外,在无植被区确定无根素土采样点 1 处, 采样50 kg左右。样品采集见图1(a)和图1(b)。 · 163 · 总第518期 金 属 矿 山 2019年第8期 灌木主根条拉伸实验结果见表3所示。 2 生态修复尾矿坝稳定性评价 2 . 1 计算模型 由钻孔实测资料和表层土检测结果,经合理概 化和延伸得到尾矿坝工程地质剖面。最大坝高剖面 的地层结构及计算模型如图2,模型长约500 m,高约 115 m(基岩厚取10 m)。 根据文献[7]的要求,计算正常工况、洪水工况 和特殊工况下的渗流特征及安全系数,对尾矿坝的 稳定性进行评价。尾矿坝岩土地层参数按表1选取, 采用Mohr-Coulomb本构模型;主根按锚固效应考虑, 据表3拉伸实验结果施加锚固力;边坡区按灌木植物 施加集中荷载、平台区按草本植物施加均布荷载,荷 载值据表2确定。 固+自重(作用③),采用极限平衡法分别计算边坡 的稳定性,结果如图4~图6。 2 2 . 2 正常工况运行 . 2. 1 渗流计算 通过网格检验,进行有限元网格优化,最终坝体 计算模型划分为 2 153 个单元、1 180 个节点,按现状 水位计算浸润线。计算浸润线与实测值的比对校 核,见图3。 由图 3 可以看出,通过堆积坝的渗流,坝体水头 从 270 m 降低到 190 m,渗流水从初期坝中部区域出 溢,符合现场监测的实际情况,满足渗流要求,对坝 体稳定性有利。 2 . 2. 2 稳定性计算 考虑 3 种植物作用情况:无植物体(作用①)、植 物侧须根加筋(作用②)、植物侧须根加筋+主根锚 · 164 · 郝 喆等:生态修复尾矿坝的边坡稳定性评价 2019年第8期 2 2 . 3 洪水工况运行 . 3. 1 渗流计算 2. 4 特殊工况运行 采用洪水作用下的计算浸润线,考虑洪水和地 震组合作用的特殊运行条件下,考虑植物作用情况 ①,边坡稳定性计算结果如图 11。稳定性系数随时 间变化曲线见图12所示。 现状尾矿库为二等库,最小干滩长度要求为 100.0 m,据此确定尾矿坝上游的洪水入渗水位,计算 坝体浸润线位置如图7。 洪水状态下,坝体浸润线与现状条件下相比稍有 抬高,溢出点仍在初期坝坝坡,且出溢部位覆盖较厚碎 [ 8] 石层,不会产生管涌、流土或沼泽化等渗流破坏 。为 保证尾矿库安全生产,在汛期应对该出溢段加强监 测,一旦发现跑浑立即上报,并采取防护措施。 2 . 3. 2 稳定性计算 计算3种植物作用情况下的边坡稳定性,结果见 图8~图10。 3 结 论 (1)渗流计算结果显示,正常状态下尾矿坝浸润 线沿初期坝坝坡溢出;洪水状态下浸润线虽稍有抬 高,但仍沿初期坝坝坡溢出,因此不会产生管涌、流 土或表面沼泽化等渗流破坏,但应加强后期排渗设 施的修建与维护。 (2)考虑 3 种情况:无植物体、植物侧须根加筋、 植物侧须根加筋+主根锚固+自重。稳定性计算结果 表明:生态修复边坡的稳定性系数提高 0.025~0.030, 变化幅度不大。剖析原因是由于二等以上的大型尾 矿库规模大、地层厚,植物修复区域相对较小,对整 体稳定性影响有限。 (3)洪水工况和特殊工况下的计算结果对比,在 浸润线高度一致的条件下,考虑地震因素后,稳定性 系数降低 0.021,幅度不大;随着时间的增加,稳定性 系数呈现先减小后增加再减小的波动趋势,但均达 1.25以上。 (4)与规范要求对比,该尾矿库坝体在正常、洪 水位及特殊条件 3 种工况下均满足规范的最小稳定 性系数要求,是安全稳定的。 (5)本项目对植物修复大型尾矿坝的稳定性特 征进行了探讨,稳定性评价依据为稳定性系数值。 · 165 · 总第518期 金 属 矿 山 2019年第8期 [ 5]李国荣,胡夏嵩,毛小青,等. 青藏高原东北部黄土区灌木植物 应当指出,植物对坝坡稳定性的影响还表现在降雨 截留、防止冲刷、局部稳定和水土流失等多方面,还 有待开展进一步的深入研究。 根系护坡效应的数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29 (9):1877-1884. Li Guorong,Hu Xiasong,Mao Xiaoqing,et al. Numerical simula⁃ tion of shrub roots for slope protection effects on loess area of north⁃ east Qinghai-Tibetan plateau[J]. Chinese Journal of Rock Mechan⁃ ics and Engineering,2010,29(9):1877-1884. 参 考 文 献 [ 1]Wu T H,Watson A J,El-Khouly M A. Soil-root Interaction and Slope Stability[M]. Enfield,USA: Science Publishers Inc,2004: 83-192. 2]Lin D G,Huang B S,Lin S H. 3-D numerical investigations into [6]宋维峰. 林木根系与均质土间相互物理作用机理研究[D]. 北 京:北京林业大学,2006. 1 Song Weifeng. Study on Physical Mechanism of Interface between Root System and Loess Soils[D]. Beijing :Beijing Forestry Univer⁃ sity,2006. [ the shear strength of the soil-root system of Makino bamboo and its effect on slope stability[J]. Ecological Engineering,2010,36(8): [7]GB 50863—2013. 尾矿设施设计规范[S]. 北京:中国计划出版 9 92-1006. 社,2013. [3]Pollen N,Simon A. Estimating the mechanical effects of riparian GB 50863—2013. Code for Design of Tailings Facilities[S]. 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