考慮地下水滲流特性的尾礦壩穩定性分析

文自立肖尊群

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000；2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430000）

考慮地下水滲流特性的尾礦壩穩定性分析

文自立1肖尊群2

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000；2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430000）

選取合適的壩體斷面，對某尾礦壩進行的二維滲流有限元分析，并考慮滲流特征進行壩體圓弧整體穩定性分析，得到相應的浸潤線和壩體穩定性安全系數，對壩體的穩定性進行評價，該方法對類似尾礦壩工程的穩定性分析和設計具有重要的參考價值和指導意義。

壩體；斷面；尾礦壩；滲流；瑞典圓弧法；穩定性

尾礦壩是礦山開采中，尾礦庫的主要支擋方式，由于其一般在離廠區一定范圍之內，有的靠近村莊，有的靠近河流。一旦失事，其破壞性巨大，因此，近年來，對尾礦庫的勘察、設計以及尾礦壩的施工越來越重視[1]。目前，絕大部分的尾礦壩采用上游式尾礦筑壩法，該類壩型的穩定性受滲流因素的影響很大，在進行尾礦壩的設計時，需要對壩體進行考慮滲流特性的穩定性分析[2]。尾礦壩在庫水位及下游水位的作用下產生滲流，在浸潤面以下的壩體處于流場內，受到指向下游壩坡的滲透力的作用。這滲透力影響到尾礦壩體的穩定狀態[3]。本文從某具體尾礦庫工程實例出發，選取壩體剖面，對壩體進行二維有限元滲流分析，并在此基礎上，進行壩體斷面的整體穩定性分析，并根據分析結果，提出相應的抗滲加固設計措施，為類似尾礦庫工程的設計提供有益的參考。

1 壩體滲流分析方法

滲透計算選用有限單元法，設置邊界條件，計算浸潤線位置，壩體和壩基的滲流量以及壩體出逸段的水力坡降。有限單元法是用有限個單元的集合體代替連續的滲流場，單元間的結合點稱結點。選擇簡單的函數關系近似地表示單元上的水頭分布，最后解得滲流場節點處滿足一定精度的水頭值[4]。

滲流計算的控制微分方程如下：

式中：H—總水頭；xk —x方向滲透系數；yk—y方向滲透系數；Q—邊界流量；Θ—微元體積變化量；t—時間。

滲流控制方程表示在同一時間內，流入和流出微元體積的流量差值等于該微元體積的變化量。對于二維情況來說，在x方向和y方向的流量改變速率的總和加上邊界流量就等于相應時間的微元體積的變化量。在穩態條件下，相同時間內流入和流出單元體積的流量是相等的。方程的右邊因此就可以去掉，公式簡化為：

總水頭H定義如下：

式中：wu—孔隙水壓力；wγ —水的容重；y—高程。

穩定滲流有限元計算公式為：

2 工程概況

該礦區的銅多金屬儲量為9×104t，擬建選廠規模為500 t/d（15×104t/a）。與選廠配套使用的尾礦庫庫址位于選廠下方的劉家壟溝谷中。根據現場踏勘，尾礦庫庫址內有少量旱地，庫區內無居民居住，兩岸植被覆蓋較好，溝谷較長，有較大庫容；庫區地質條件簡單，無巖溶、滑坡體等不良地質構造。

工程地質條件：

①耕土：軟塑，含有機質，分布于庫區溝谷中，層厚0.6～2.0m。

②粉質粘土：軟塑—可塑，韌性中等，干強度中等，含少量粉砂、碎石等，局部含塊石。該層分布于整個庫區，厚度約0.4～5.8m。

③全風化砂礫巖：巖芯呈土柱狀、碎塊狀，局部夾強風化巖塊。該層分布于整個庫區，該層厚度不均，總體來講溝谷沿線較薄，山脊沿線較厚，溝谷沿線層厚約0.5～1.0m，山脊沿線層厚約3.0～11.1m。

④強風化砂礫巖：巖石風化裂隙發育，局部石英脈發育，略見原巖結構，巖質極軟，遇水易軟化，巖芯破碎，呈碎塊狀。該層分布于整個庫區。

⑤中風化砂礫巖：中厚層狀構造，節理裂隙稍發育，巖體完整，膠結物為泥砂質、鐵質，巖質極軟—軟，巖芯呈長、短柱狀，RQD=70%～85%。該層分布于整個庫區。

3 尾礦壩穩定性分析

3.1滲流分析

（1）計算模型建立

（2）計算參數選取

由于本尾礦庫屬于新建尾礦庫，無法精確取得各尾砂層的滲透系數及分層情況。按照如下方法解決：

①尾砂分層根據排礦情況及尾砂粒度進行近似模擬，壩基土層分層根據《壯族瑤族自治縣礦業有限公司尾礦庫工程地質勘察報告》進行。

②尾砂層滲透系數取值相關技術標準，壩體填土等其他土層滲透系數根據相關巖土工程勘察報告和工程經驗取值。

滲透系數取值見表1。

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表1　滲透系數取值表

（3）滲流計算分析

尾礦壩滲流計算的主要任務，是確定壩體浸潤線的位置，壩體和壩基的滲流量及浸潤線出逸段的水力坡降，為壩體穩定分析提供依據。進行滲流分析時，將每一土層的水平及垂直滲透系數分別考慮。滲流分析采用自行編制的滲流有限元分析程序進行，其理論基礎就是二維連續體滲流計算理論[4]。

尾礦壩滲流分析選取的剖面說明如下：

①選取垂直壩軸線的中間剖面作為滲流分析剖面；

②在平面圖中垂直壩軸線的中線為曲線，在滲流分析時將其拉直。

（4）滲流計算結果討論

浸潤線計算結果見圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1　初期正常運行狀況下浸潤線計算圖

圖2　初期洪水運行情況下浸潤線計算圖

圖3　后期正常運行狀況下浸潤線計算圖

圖4　后期洪水運行狀況下浸潤線計算圖

從圖1、圖2、圖3和圖4中可以看出：計算邊界條件以防止水流從堆積壩下游邊坡溢出為準，上游坡干灘長度應不低于100m，并根據此邊界條件對正常洪水位以下的滲流狀況進行有限元分析。從整個計算過程中發現：控制尾礦庫中的水位，保持于灘長度對于滲流穩定是十分重要的。干灘長度超過100m時，堆積壩下游坡一般不會有水流逸出，庫底表層料的透水性對于降低浸潤線高度的效果十分明顯。

當浸潤線從壩外坡某高程出逸且出逸點的水力坡降大于筑壩材州顆粒所允許的滲透坡降時，則壩料顆粒將被沖走從而導致壩體產生滲流破環。從該尾礦壩情況來看，一是初期壩是透水堆石壩，占到總壩高的近1/3，滲水性能特別好，二是尾礦濃度較高 ,尾礦水量小，尾礦庫內的尾礦澄清水盡量排到壩下清水池供選礦廠回收用于選礦生產，庫內存水不會太多，水位不會太高，這些都有利于降低浸潤線。在實際運行中如有滲水從堆積壩兩側出逸，則采取降低浸潤線的降水措施進行治理。

3.2抗滑穩定分析

3.2.1計算方法

根據《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006－2005）[5]，尾礦庫初期壩與堆積壩壩坡的抗滑穩定性應根據壩體材料及壩基巖土的物理力學性質，考慮各種荷載組合，經計算確定。計算方法采用瑞典圓弧法。尾礦壩穩定計算采用規范推薦的瑞典圓弧法（總應力）法，公式如下：

式中：W—土條重量；Q、V—分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）；u—作用于土條底面的孔隙壓力；α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b—土條寬度；c、φ—土條地面的總應力抗剪強度指標；Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑。

3.2.2計算參數選取

根據相關設計規范，本次設計中尾礦壩壩體穩定分析采用瑞典圓弧法，尾礦壩壩體材料及壩基土采用與總應力法對應的抗剪強度指標。壩體穩定計算根據選取的計算剖面，對尾礦的分布進行概化分區，浸潤線采用滲流穩定計算中提供的浸潤線位置。

尾砂層物理力學指標參考《尾礦庫安全技術規程AQ2006-2005》取值，其它土層物理力學指標參考相關勘察報告取值。其中浮容重根據如下公式計算：

其中GS為土粒比重，e為孔隙比，γω為水的容重10kN/m3。穩定分析各巖土層總應力法計算指標見表2。

表2　巖土層力學指標取值表

3.2.3抗滑穩定計算分析

尾礦壩穩定性計算分析對于確保壩體的安全運行十分重要。抗滑穩定計算采用圓弧滑動法進行計算，對壩體滑動圓弧依進口和出口以及圓弧半徑按設定步長搜索，找出安全系數最小的可能滑弧及沿該滑弧滑動的安全系數，依據規范確定壩體的穩定性，計算采用自行編制的計算程序進行。

穩定分析說明如下：

①只進行初期壩或尾礦壩下游坡的穩定分析；

②穩定分析剖面中的土層分層同滲流計算分析剖面；

③穩定分析各巖土層總應力法計算指標見表2。

根據擬定的初期壩及尾礦堆積壩結構，抗滑穩定分析見

圖5、圖6、圖7和圖8。尾礦壩抗滑穩定分析結果見表3。

圖5　初期正常運行狀況下穩定性分析圖

圖6　初期洪水運行狀況下穩定性分析圖

圖7　后期正常運行狀況下穩定性分析圖

圖8　后期洪水運行狀況下穩定性分析

表3　尾砂壩抗滑穩定計算結果表

由以上分析可以看出，尾礦庫在按照設計要求運行的情況下，尾礦壩的抗滑穩定滿足規范要求。需要注意的是，由于本項目尾礦庫屬于新建尾礦庫，因此壩坡穩定分析的尾砂分層是根據經驗進行的，尾砂力學指標也是參考類似工程取得。這與尾礦庫在實際運行時尾砂的分層可能有較大的差異，而且，尾礦庫在實際運行時，堆積壩內的浸潤線也可能與模擬計算有所誤差。因此，此次分析結果對工程有一定的指導意義，但不能作為尾礦庫運行時的實際安全系數。為了驗證尾砂分層及浸潤線計算的準確性，當庫區尾砂堆積至930.0～935.0m標高時，礦方應對尾礦壩進行一次全面的地質勘察，并進行以穩定和防洪安全為主的安全現狀評價，以驗證壩體的穩定性，并根據分析結果采取相應的處理措施，以確保尾礦壩能安全堆積至最終設計標高。

4 結論

（1）尾礦壩體滲流穩定性對于尾礦壩設計具有十分重要，在進行壩體穩定性分析，建議根據選取適合的壩體斷面進行二維滲流分析，有限元分析結果更加直觀、更加準確，能夠防滲設計提供很有意義的參考。工程案例計算結果表明：為控制尾礦庫中的水位，需要保持干灘長度有助于滲流穩定。

（2）計算案例表明：工程是尾礦庫新建工程，因此，在進行尾礦壩的抗滑穩定分析時，無法精確取得尾砂的概化分層及浸潤線高度，為確保尾礦庫的順利使用，在庫區尾砂堆積至初期壩壩頂930.0m標高時，礦方必須對尾礦庫進行一次全面勘察，對尾砂的分層及浸潤線的高度提供實測資料，以便對設計進行校核。

[1] 齊清蘭,張力霆.尾礦庫滲流場的數值模擬與工程應用[M].北京:水利水電出版社,2011.

[2] 孔祥言.高等滲流力學[M].北京:中國科技大學出版社, 2010.

[3] 周漢民.尾礦庫建設與安全管理技術[M].北京:化學工業出版社,2012.

[4] 馬池香,秦華禮.基于滲透穩定性分析的尾礦庫壩體穩定性研究[J].工業安全與環保,2008,34(9):32-36.

[5] 田文旗,曲忠德.尾礦庫安全技術規程(AQ2006-2005)[M].北京:水利水電出版社,2007.

The stability analysis of tailings dam taking into account the characteristics of ground water flow

The appropriate section of the dam was selected. A tailings dam was analized wtih method of finite element for seepage to determine dam head line and the saturation line. The overall dam stability was analized with arc Swedish method to obtain dam safety factor. It has important reference value and guiding significance for similar tailings dam stability analysis and design.

Dam; section; tailings dam; seepage; Sweden arc method; stability

TD1

A

1008-1151(2015)06-0025-04

2015-05-10

文自立（1962－），男，中國水利水電第八工程局有限公司土建工程師，從事施工技術（水電、路橋、建筑）及施工管理工作。