尾礦庫壩體加高方案排水分析

徐維生，柴軍瑞，李娟娟，白 勇，陳興周，

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西西安710048;2.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西西安710065)

尾礦壩的穩(wěn)定涉及到下游人民群眾生命財產安全、工程安全、經濟效益，近些年國內有些尾礦壩失事給工程帶來了嚴重的損失。排水分析是尾礦壩穩(wěn)定問題的重要組成部分[1-6]。重新建設一個尾礦壩需要花費大量的人力、物力、財力，在工程允許范圍內，有些工程單位在原尾礦庫設計基礎上進行加高設計，以延長尾礦庫的使用年限[7-8]。但是尾礦庫加高之后，必然帶來尾礦庫整體浸潤面的提高，對穩(wěn)定是非常不利的，因此在確定加高方案之前一定要做尾礦庫排水分析[9-10]。以一實際工程鉆孔實測水位反演滲透參數，進行加高方案排水分析，以便為相關工程設計提供參考。

1 基本資料

某金礦尾礦庫1996年9月開始組織施工，屬山谷形尾礦庫，1998年6月竣工并投入運行，1999年5月4日通過了陜西省勞動廳組織的竣工驗收。尾礦庫壩址選在距東溝溝口1 400 m處的狹窄地段，由兩期壩組成。初期壩為碎石土壩，用碎石土逐層碾壓筑壩，壩高28 m，壩頂寬3.5 m，壩上游坡為1∶1.7，下游坡為1∶2.2，下游坡設2條寬2 m的馬道;后期壩為尾礦堆積壩，共設6個平臺，平臺寬2 m，最大堆積高度69 m，堆積外坡為1∶5.0，內坡為自然沉積坡1∶100，平均年堆積高度2.76 m，最終總壩高97 m，總庫容為1.29×107m3，尾礦庫匯水面積10.125 km2，尾礦庫類別為三等庫，服務年限25 a。

尾礦庫分為初期壩(28 m)和后期堆積壩(69 m)形成整個的尾礦庫，庫內設有5個排水井、一支排洪涵洞、回水泵站一座，壩面設置有平臺、排水溝、截洪溝、簡易公路(1 500 m)、馬道，在壩體上游設置攔洪壩。

受該礦業(yè)有限責任公司委托，在《某礦業(yè)有限責任公司尾礦庫現狀巖土工程勘察報告》(西北有色勘測工程公司編制，2008年3月)等資料的基礎上，分析堆積至設計壩頂高程1 339 m后再加高20 m時對尾礦庫壩體滲流的影響。

該尾礦壩滲流參數反演分析以該礦業(yè)有限責任公司提供的尾礦庫現狀巖土工程勘察報告為基礎，用三維有限元法進行了尾礦壩現狀(勘查時)滲流參數反演分析，為該尾礦壩加高改造后堆積高程達1 359 m時的滲流分析提供依據。為了充分利用鉆孔勘探資料并突出主要問題，該尾礦壩滲流參數反演分析模型取實測鉆空1—8之間的區(qū)域。

2 滲流參數反演分析

表1—2分別為反演滲透系數初值和最佳擬合模型滲流參數值。

表1 反演分析擬合模型滲透系數取值范圍和試算初值

表2 最佳擬合模型滲流參數

3 加高方案滲流場數值分析

該尾礦庫加高后的滲流數值分析是在尾礦庫現狀滲流參數反演分析的基礎上，以該黃金礦業(yè)有限責任公司提供的尾礦庫加高方案為依據，采用大型通用軟件ADINA中的ADINA—T模塊，對尾礦庫加高到1 359 m高程時的滲流場進行了三維有限元數值分析。

3.1 滲流數值分析依據

尾礦庫加高到1 359 m高程時滲流數值分析依據為:(1)尾礦庫現狀巖土工程勘察報告;(2)尾礦庫現狀勘探點平面布置圖;(3)尾礦庫治理工程平面圖;(4)尾礦庫現狀滲流參數反演分析報告所得的最佳擬合滲透系數見表2。

3.2 滲流數值分析模型

3.2.1 加高方案 該礦業(yè)有限責任公司提供的尾礦庫加高方案，即在尾礦庫現狀基礎上從8—8剖面向上游推進300 m，然后以1∶5的坡度升高至1 359 m高程。加高方案示意圖見圖1。

3.2.2 模型剖面 計算模型共取18個橫剖面作為建模的控制剖面，模型的前8個控制剖面(剖面1—1至剖面8—8)是以《某尾礦庫現狀巖土工程勘察報告》提供的尾礦庫工程地質剖面圖1—1至8—8為依據;模型的后8個控制剖面(剖面12—12至剖面19—19)依據該黃金礦業(yè)有限責任公司提供的尾礦庫治理工程平面圖得出。

3.2.3 計算模型 尾礦庫加高方案的計算模型包含初期堆石壩、尾礦壩體、風化碎石層，模型區(qū)域選取初期壩壩趾斷面到19—19橫剖面之間的區(qū)域。

3.3 滲流數值分析工況

滲流數值分析將尾礦壩體加高到1 359 m高程后，干灘長度為0 m時作為第一種計算工況;尾礦壩體加高到1 359 m高程后，干灘長度為50 m時作為第2種計算工況。

圖1 尾礦庫加高方案示意圖(注:圖中數據為剖面編號)

3.4 滲流分析計算

尾礦庫加高到1 359 m高程時的滲流計算采用三維有限元法，應用大型通用軟件ADINA中的ADINA—T模塊對加高后的尾礦壩體進行計算分析。

3.4.1 邊界條件 滲流計算模型的邊界條件為

(1)第1類邊界條件。將初期堆石壩的壩趾斷面和19—19橫剖面作為已知水頭邊界條件，其上水頭分別為1 242 m(初期壩壩趾高程)和1 359 m(尾礦壩體加高后最高水位)。

(2)第2類邊界條件。將風化碎石層和基巖的交界面作為已知流量邊界條件，通過此交界面的滲流量為0。

(3)在初期堆石壩的壩趾斷面和19—19橫剖面之間存在一個具體位置待定的滲流自由面(包括溢出線)，通過此滲流自由面的滲流量為0，且其上各點的水頭等于相應點的位置高程。

3.4.2 計算參數 計算模型中各分區(qū)滲透參數采用表2的最佳擬合計算值。

3.4.3 計算結果 2種工況下計算的自由面溢出點局部放大圖見圖2—3。

圖2 工況1溢出點局部放大圖

圖3 工況2溢出點局部放大圖

(1)尾礦庫加高到1 359 m高程后，工況1與工況2的計算結果均表明，滲流自由面及滲流溢出點的位置很高，這與尾礦庫在現狀基礎上從8—8橫剖面向上游推進300 m后，增加了日排放量，再以1∶5的坡度升高到1 359 m高程有較大關系。

(2)尾礦庫加高到1 359 m高程后，若仍采用現狀排滲方案，高水位可能導致整個尾礦堆積體處于飽和狀態(tài)。因此，尾礦庫加高到1 359 m高程后必須加強排滲設施。

4 結論

(1)尾礦庫加高到1 359 m高程后，在進行靜力分析與穩(wěn)定分析時，尾礦壩體滲流自由面位置(或滲流浸潤線位置)應采用工況1的情況。

(2)建議該尾礦庫加高方案設計中，在尾礦壩體中布設排滲管等排滲設施，排滲管的周圍要設置過渡層和反濾層，并嚴格要求施工質量以保證排滲設施良好的工作狀態(tài)。

(3)最佳擬合模型尾礦砂(擬合滲透系數2.0×10-6m/s)滲透系數遠大于室內測試平均值9.26×10-8m/s(0.008 m/d)。最佳擬合模型滲透系數中已等效反映了排滲措施的作用。

(4)東溝尾礦壩加高擴容改造后堆積高程達1 259 m，滲流分析時尾礦砂﹑風化巖體和初期壩堆石的模型滲透系數可分別取為 2.0×10-6，4.0×10-6和 1.0×10-4m/s。

(5)加高后尾礦壩浸潤線變高，必須加強防滲排水措施，最好在加高后加設浸潤線觀測措施。

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