某尾礦庫三維滲流安全分析與探討

張娟 李玉雷 喬燕飛

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021; 2.中核第四研究設計工程有限公司 河北石家莊 050021）

某尾礦庫三維滲流安全分析與探討

張娟1李玉雷2喬燕飛1

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021; 2.中核第四研究設計工程有限公司 河北石家莊 050021）

本文基于有限元理論建立了某尾礦庫最終維積標高時的三維滲流模型，計算了該尾礦庫空間形態的孔隙水壓力及滲透坡降，給出了該尾礦庫的最大滲透坡降及典型剖面浸潤線，分析了該尾礦庫的滲流安全性并對尾礦庫的安全運行提出了建議。

尾礦庫 三維滲流 浸潤面 滲透坡降

1 概況

某尾礦庫區域溝谷發育，斷面呈“V”字型。區內植被以灌木為主，無耕地，局部基巖裸露。庫區基巖為侏羅紀白旗組火山巖、早古生代石英閃長巖和均質混合巖，庫區內未發現活動斷裂構造。庫區水文條件簡單，存在季節性溪流。擬建尾礦庫為山谷型，采用上游法進行堆積筑壩。

該尾礦庫主要包括的初期壩、尾礦堆積壩、排洪設施、排滲設施、觀測設施及其它輔助設施等。總庫容約為13280萬m3，設計總壩高176m，屬二等庫。

初期壩：根據尾礦庫區地形，初期壩位于溝口狹窄處。初期壩采用透水堆石壩，壩底標高594m，壩頂標高650m，壩頂寬4m，壩高56m，壩軸線長450m，初期壩內坡坡比為1;1.6，外坡坡比為1:1.8，壩體外坡每隔10m高差設一寬2m的馬道。

堆積壩：根據庫區地形條件確定尾礦最終堆積標高為770m，總壩高176m，堆積壩平均外坡比1:5。

為使后期尾礦壩能均勻上升，要求采用上游式分散放礦方法的筑壩工藝進行筑壩。采用人工及機械方法堆筑子壩。每期子壩高度為2m，頂寬6m，子壩外邊坡為1:2.0，內邊坡為1:2.0，每期子壩向內位移寬度為3.5m，每10m高差留一寬6m的坡面平臺。

排滲設施：每堆積10m高差設置水平排滲設施。水平排滲設施距坡面距離約80m，在770平臺中部為保證尾礦庫浸潤線埋深滿足規范要求，增加一道排滲體。壩體與山坡相交處設置貼坡排滲體。

觀測設施：尾礦庫為二等庫，應設置在線安全監測系統，監測內容包括壩體位移監測、浸潤線監測、庫內水位觀測等。

2 三維滲流模型的建立

在目前的分析方法中，由于有限元方法能有效的處理復雜的邊界條件、材料的非均質性、材料的各向異性，并能方便的求解三維問題，因此在工程中廣泛應用。

根據尾礦庫總平面圖及剖面圖，建立三維有限元數值計算模型。依據勘察報告，尾礦庫庫區基巖及周圍山體為微透水或不透水材料，滲流穩定性計算主要針對壩體堆積的尾礦及初期壩透水堆石料而進行。對尾礦庫三維滲流計算模型的邊界條件確定如下：

庫區尾礦沉積灘頂、沉積灘面、堆積壩坡面、初期壩頂部及其下游坡面確定為透水邊界；庫區底部基巖及周圍山體為不透水邊界。排滲體根據

設計確定，庫內水位按最高洪水位767m計算。

三維滲流模擬計算時，假定尾礦堆積壩體內只發生水的運移，并假設水的流動符合達西滲流定律，壩體滲流為穩定流。

滲流計算時不考慮尾礦顆粒的運移，同時不考慮壩體的位移及變形情況。

尾礦排放于壩前分段交替作業，壩體均勻上升，粗粒尾礦沉于壩前，細粒尾礦排至庫內。

經上述簡化后，建立尾礦庫堆至最終770m標高的三維實體模型并進行網格劃分如圖1。

圖1 尾礦壩堆至770m標高時三維網格劃分圖

壩體滲流穩定計算中各尾礦層的滲透指標參照勘察報告有關參數進行選取。

表1 尾礦庫壩體各巖土層滲透系數

3 尾礦庫770m標高時三維滲流計算結果

三維滲流計算結果以彩色云圖形式給出。在浸潤面云圖中，孔隙水壓力為零處即為浸潤面，孔隙水壓力為負的區域為非飽和區，孔隙水壓力為正的區域為飽和區。在滲透比降云圖中，位于浸潤面以上的非飽和區域不會發生滲透破壞。

3.1 尾礦庫浸潤面（線）

圖2 尾礦庫浸潤面右視云圖（孔隙水壓力為0值）

圖3 尾礦庫浸潤線左視云圖

圖4 尾礦庫孔隙水壓力剖面云圖

圖5 B剖面浸潤線示意圖（孔隙水壓力為0值）

根據圖2～圖5所示，770m標高洪水工況時，浸潤面在排滲體位置處降低，尾礦堆積壩坡浸潤面最小埋深約為12.6m，滿足設計浸潤線控制埋深10m的要求。

3.2 尾礦庫滲流坡降

770標高壩體及庫區滲流坡降分布見下圖。

圖6 尾礦庫滲流坡降右視云圖

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.021

TV698

B

1672-2469(2014)12-0059-02

張娟（1983年—），女，工程師。