尾礦堆積壩滲透系數比對浸潤線的影響分析

陳星

（1.長沙礦山研究院，長沙410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，長沙410012）

尾礦庫是一種人造的具有高勢能的泥石流，是重大危險源［1］，也是礦山三大控制性工程之一［2］。它的運營好壞不僅影響到礦山企業的經濟效益，而且與庫區下游居民的生命財產及周邊環境息息相關［3］。近年來，國家十分重視尾礦庫的安全問題，而尾礦壩是尾礦庫的主要構筑物，其安全性直接決定了尾礦庫的安全性。

尾礦壩安全與否的主要影響因素不外乎水和土，土指的是尾礦，而水指的是尾礦庫中的水［4］。水的存在使尾礦壩的安全受到威脅，但是由于工藝要求不可能除掉水，因此這個矛盾無法避免，但可以采取措施盡量降低水對壩體的危害，那就是降低浸潤線的位置［4］。浸潤線是尾礦壩的生命線，其高低取決于尾礦庫干灘長度、尾礦體的滲透性、壩體的形狀與結構、初期壩的滲水性等因素［5］。本文采用二維有限元滲流分析軟件seep／w就如何通過改變尾礦堆積壩各層尾砂滲透系數比來降低浸潤線進行了分析。

1 二維有限元滲流分析方法［6－7］

首先，根據滲流運動微分方程與邊界條件約束建立二維數學模型：

采用伽遼金加權剩余法，設ˉH（x，y）為區域Ω上地下水頭的試探解，

令基函數為權函數，代入試函數ˉH，令權剩余為零，則權剩余方程為：

上式把權剩余在整個區域上的積分化為在各個單元上的積分，然后求和，這樣得到一個線性方程組。求解此線性方程組，便可得到各節點的水頭值。三角形單元節點i、j、m按逆時針編號，則：

于是，三角形單元基函數表達式為：

滲透矩陣方程為：［Qe］＝［G］e｛H｝e－｛F｝e，其中［G］e為單元滲透矩陣，由于區域Ω是由M 個單元組成，將各單元滲透矩陣集合起來，便得到總滲透矩陣，即［G］｛H｝＝｛F｝。

在第一類邊界上的節點，水頭H是給定的，無需計算。在第二類邊界上的節點將與節點L有關的單元e的列向量｛F｝表示為FLe＝∫Γ2eqNLds。對于二維滲流情況：

2 滲流計算

本次滲流計算以湖南省某尾礦庫為例。該尾礦庫坐落在一山谷中，屬山谷型尾礦庫，采用上游式尾礦筑壩。初期壩為碾壓堆石壩，高40m，設計總壩高100m，設計總庫容238萬m3。截至2010年5月，已堆存尾砂約80萬m3，全庫容超過100萬m3，壩高66m。根據尾礦庫安全技術規程［8］相關規定，屬三等庫。根據工程地質剖面建立計算模型，工程地質勘察報告提供的各巖土層滲透系數見表1。

表1 滲透系數Table 1 Permeability coefficients

本次滲流計算采用GeoStudio軟件中最常用的三個基本模塊之一seep／w。GeoStudio系統軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開發商Geo－Slope公司開發的面向巖土、采礦、交通、水利、地質、環境工程等領域開發的一套仿真分析軟件，是全球最知名的巖土工程分析軟件之一。seep／w是一款用于分析多孔滲水材料的有限元軟件，可用于分析從簡單的、飽和穩態問題到復雜的、飽和—非飽和時變問題。計算模型和計算結果如圖1、圖2所示。

圖1 計算模型Fig.1 Computation model

圖2 計算結果Fig.2 Calculation results

圖3 浸潤線觀測孔平面布置圖及實測水位Fig.3 Saturation line observation holes layout and water level

對比圖2和圖3可知：滲流計算結果與實測浸潤線基本相符，說明seep／w用于尾礦堆積壩的滲流計算可以滿足工程上的精度要求。

3 滲透系數比對浸潤線的影響分析

為了分析尾砂滲透系數比對尾礦堆積壩浸潤線的影響，以圖1為基本剖面，對以下兩種情況共14個工況進行分析：情況一，僅改變最上層尾砂滲透系數；情況二，僅改變次上層尾砂滲透系數。各層滲透系數比見表2，計算結果見圖4和圖5。

表2 滲透系數比Table 2 Permeability coefficient ratios

圖4 僅改變最上層尾砂滲透系數堆積壩浸潤線Fig.4 Saturation line when permeability coefficient is changed only in the first upper layer

由圖4和圖5可以發現：當k1︰k2︰k3在1︰100︰1至10 000︰100︰1和100︰10︰1至100︰100︰1間變化時，隨著上下層尾砂滲透系數比的不斷增大，浸潤線有所降低，但滲出點變化不大；隨著尾砂滲透系數比的進一步增大，當k1︰k2︰k3在10 000︰100︰1至80 000︰100︰1和100︰100︰1至100︰800︰1間變化時，浸潤線起初繼續有所降低，但從堆積壩中間部位附近開始變化較平緩，延伸至初期壩壩前，使滲出點有明 顯抬升。

圖5 僅改變次上層尾砂滲透系數堆積壩浸潤線Fig.5 Saturation line when permeability coefficient is changed only in the second upper layer

對以上計算結果進行分析認為：當上下層尾砂滲透系數比大于100時，下層尾砂相對于上層尾砂而言透水性較小，從而顯現出較強的阻水作用，隨著滲透系數比的進一步增大，浸潤線由堆積壩進入初期壩的滲出點進一步抬升，而且這種抬升趨勢自滲出點往庫尾方向延伸。

4 結論與建議

采用二維有限元滲流seep／w對湖南某尾礦庫進行了滲流計算，其結果與實測浸潤線數據基本相符，表明seep／w用于尾礦堆積壩滲流計算符合工程精度的要求。在此基礎上，通過改變尾砂滲透系數比，分析了滲透系數比對浸潤線的影響。結果分析表明：在尾砂堆積壩壩高及分層條件相同的工況下，當上下層尾砂的滲透系數比大于100時，下層尾砂顯現出較強的阻水作用，浸潤線滲出點在初期壩前有明顯抬升，而且這種抬升趨勢自滲出點往庫尾方向延伸，從而使浸潤線得到抬升，不利于壩體的穩定。

因此，為使尾礦壩更加穩定安全，在尾砂堆積過程中，應注意放礦工藝及壩體內排水、排滲設施的選擇，努力控制好各級尾砂的堆存位置，加強排放管理，避免出現軟弱夾層；同時采取合理的壩內排水、排滲設施以降低滲透系數不均勻度，組合出合理的滲透系數比，從而降低尾礦堆積壩浸潤線，進而提高尾礦壩的整體穩定性。

［1］ 田文旗，薛劍光.尾礦庫安全技術與管理［M］.北京：煤炭工業出版社，2006.

［2］ 魏作安，尹光志，沈樓燕，等.探討尾礦庫設計領域中存在的問題［J］.有色金屬（礦山部分），2002，54（4）：44－45.

［3］ 沈樓燕，魏作安.探討礦山尾礦庫閉庫的一些問題［J］.金屬礦山，2002（6）：47－48.

［4］ 楊春和，張超.尾礦壩安全評價與病患治理［M］.武漢：湖北人民出版社，2006.

［5］ 晏興榮，王全明，李志榮.尾礦壩植被種草的實踐和意義［J］.冶金礦山設計與建設，1998，30（6）：62－63.

［6］ 劉北辰.工程計算力學［M］.北京：機械工業出版社，1994.

［7］ 魏作安.細粒尾礦及其堆壩穩定性研究［D］.重慶：重慶大學，2004.

［8］ 中國有色工程設計研究院.尾礦庫安全技術規程（AQ2006—2005）［S］.2005.