某山谷型尾礦庫三維滲流場模擬分析

曹紀剛 樂 陶

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

尾礦庫是堆存金屬及非金屬等礦山選礦廢棄物的構筑物，其數量隨國家對礦產資源的巨大需求而快速增加。我國現有尾礦庫1 500余座［1］，尾礦庫的重大事故時有發生，對下游居民的生命財產造成嚴重威脅，也給企業帶來不可估量的損失，在社會上造成極壞的影響。因此，需要做好尾礦壩的安全管理工作，提高壩體的穩定性，而尾礦庫滲流場作為影響其穩定性的一個主要因素也就顯得尤為重要。

1 三維滲流場有限元原理［2-4］

非均質各向異性多孔隙介質中的穩定飽和滲流連續微分控制方程為

式中，xi為橫坐標，i=1，2，3;kij為二階對稱的達西滲透系數張量，描述巖體的滲透各向異性;h=x3+p/γ為總水頭，x3為位置水頭，p/γ為壓力水頭;Q為滲流域中的源或匯項。

邊界條件:

式中，h1為已知水頭函數;ni為滲流邊界面外法線方向余弦，i=1，2，3;Γ1、Γ2分別為已知水頭的第一類、第二類滲流邊界條件;Γ3為位于滲流域中滲流實區和虛區之間的滲流自由面;Γ4為滲流逸出面; qn為邊界面法向流量，流出為正。式(1)～(5)均采用張量記法。

2 工程應用

2.1 工程概況

某尾礦庫三面環山，屬低山丘陵地帶，坡腳較陡。庫區總匯水面積0.3 km2，地下水的補給受大氣降水和尾礦庫蓄水的影響和控制，影響尾礦壩穩定性的地下水因素主要來自尾礦堆積體中的地下水徑流因素。庫區內主要地層為新近沖填尾礦堆積體、第四系全新—更新統天然土層、三疊系地層。第四系土層透水性微弱，不具有統一的水力坡度，是相對的隔水層。

2.2 參數選取

滲透試驗中得出的滲透系數為垂直滲透系數值，且尾砂中含有諸多細粒夾層，故表現出較強的各向異性，一般將水平滲透系數設成垂直滲透系數的10倍來進行考慮。材料三向滲透系數取值見表1。

表1 各材料三向滲透系數取值 cm/s

2.3 有限元建模和計算方案

為了盡可能正確地模擬拐沖尾礦庫庫區范圍內的滲流場，本次計算以庫區初期壩及尾礦堆積的實際情況、巖體水文地質特性結果及山體地形地貌狀況等為依據，對地質剖面進行簡單概化［5］，合理地選擇庫區滲流場計算域大小以及確定其滲流的邊界條件，對材料進行合理分區。對預埋排滲盲溝，則將其表面看作可能浸出面來進行處理。

網格單元主要是八結點六面體空間等參單元，同時輔以六節點五面體空間等參單元，從而最終形成疏密有致的、質量較高的三維滲流場有限元計算網格。圖1為現狀模型，圖2為最終堆積標高時的模型。

3 計算方案

包括現狀以及最終堆高在正常水位與洪水位等4種工況下的三維滲流場分析。見表2。

表2 不同標高下的計算工況 m

4 結果分析

由于篇幅限制，本文僅選取中間最高剖面的計算來進行分析。

由圖3～圖6可以看出，滲流場的規律基本類似，等水頭線分布均勻，相比尾礦而言初期壩的滲透系數比較大，故在初期壩與尾礦接觸位置水位有一定的陡降趨勢。

圖3為現狀堆積標高下正常水位時的主剖面等水頭線分布情況。由此可知，浸潤線埋深較大，最高位置位于壩頂位置，預埋的排滲盲溝沒有發揮排水降壓作用。

圖4為現狀堆積標高下最高洪水位時的主剖面等水頭線分布情況。由于庫內干灘長度的減小，該情況下的浸潤線整體升高，在壩頂位置變化最大，升高了約5 m，變化最小的地方為初期壩上游側的位置，大約升高了1 m，排滲盲溝仍然處于失效狀態。

圖5為最終堆積標高正常水位時的等水頭線，此時的浸潤線埋深較大，但最小埋深相比圖3小了1m，這是由于堆積的坡面陡于尾礦壩內部浸潤線的坡度，隨著尾礦壩的上升，其下游位置處的浸潤線會有一定程度的上升，此時的排滲盲溝沒有發揮作用。

圖6為最終堆積標高最高洪水位時的等水頭線，與圖5相比，任意位置的浸潤線都有不同程度的升高，該工況下的下層排滲盲溝發揮其排滲作用，使得該局部的浸潤線受到了一定程度的控制。

表3為各種工況下的浸潤線埋深。

表3 各工況浸潤線埋深 m

5 結論

(1)計算結果表明，干灘的長度越長，對上游浸潤線降低效果越明顯，而對下游降低效果則不是很明顯;因此，對該尾礦庫，運行期中通過對干灘長度的控制可有效限制壩體內浸潤線的高低，從而保證壩體的安全。

(2)運行期間要注意觀測沉積坡度的變化情況，當發現沉積坡度變緩時，則要嚴格保證干灘長度、安全超高等符合規范和設計，同時應對其調洪能力進行演算。

(3)計算表明，在相同干灘長度的前提下，隨著尾礦堆積高度的升高，壩體內下游處浸潤線的不斷上升。故在尾礦庫后期堆壩的運行過程中，應加強對浸潤線的觀測，而且在運行過程中應注意保證排滲盲溝的暢通性，保證其在浸潤線較高時能發揮其排滲排水的作用。

［1］ 騰志國.關于尾礦壩地震穩定性的分析及評價［J］.河北冶金，2003(1):16-17.

［2］ 薛禹群.地下水動力學原理［M］.北京:地質出版社，1986.

［3］ 毛昶熙.滲流計算分析與控制［M］.北京:中國水利電力出版社，1990.

［4］ 陳建余.非穩定飽和－非飽和滲流場數值計算關鍵技術及其應用研究［D］.南京:河海大學，2003.

［5］ 趙 堅，紀 偉，等.尾礦壩地質剖面概化及其對滲流場計算的影響［J］.金屬礦山，2003(12):24-27.