不同因素對尾礦庫浸潤線影響的數值模擬研究

高亞偉,孔祥云,唐永俊

(1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2. 昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650093)

不同因素對尾礦庫浸潤線影響的數值模擬研究

高亞偉1,孔祥云2,唐永俊1

(1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2. 昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650093)

采用數值模擬軟件MODFLOW研究初期壩透水能力以及干灘長度對尾礦壩浸潤線埋深的影響，首先，根據概化的模型剖面建立該尾礦壩的三維模型；然后通過改變初期壩透水性以及干灘長度，研究不同條件下浸潤線埋深的變化規律。研究結果表明：1)當初期壩排滲能力降低時，浸潤線整個的位置往上移動，當初期壩滲透系數降至1e-6m/s時，堆積壩表面出現滲水現象，嚴重影響壩體的結構穩定性；2)干灘長度增加，整個的浸潤面往遠離壩面的方向移動，有利于壩體的穩定性。通過數值模擬方法研究了初期壩、堆積壩、干灘對壩體浸潤線的影響，其研究成果可對尾礦壩安全設計提供補充的理論依據。

尾礦庫；數值模擬；初期壩；干灘；浸潤線

0 前 言

尾礦庫是礦山用于堆存排放尾礦的設施，是礦山重要構筑物之一，其安全穩定性對礦山生產、人民的生命財產以及環境有著重要的影響。目前我國尾礦庫的發展正朝著庫容增大，壩體增高的方向發展，尾礦壩是具有高勢能的泥石流形成區，同時由于尾礦成分的復雜性，一旦發生潰壩等事件，都會造成巨大的經濟損失與環境破壞[1]。尾礦堆積壩內飽和區與非飽和區的分界面即浸潤面，其二維剖面中飽和區與非飽和區的分界線即浸潤線，工程上將浸潤線埋深作為判斷壩體安全的一個重要依據。對于浸潤線埋深對壩體安全穩定性的影響研究方面，有研究表明，浸潤線埋深每下降1 m可使壩體的安全系數增加0.05左右[2]；對于壩體液化引起的潰壩研究方面，有學者研究發現，當浸潤線降至壩面8 m以下時，發生7級地震，不易發生振動液化現象[3]。在壩體滲流場穩定研究方面，大量學者通過實地勘察、室內試驗以及數值模擬等方法研究表明[4-6]，初期壩排滲能力以及干灘長度的變化都會造成浸潤線埋深的變化。因此，本文采用數值模擬軟件MODFLOW對初期壩排滲能力以及干灘長度影響浸潤線狀況進行具體分析，得到不同條件下浸潤線的變化規律。

1 計算模型

1.1 軟件介紹

軟件MODFLOW是由McDonald和 Harbaugh 共同開發出來的專門用于模擬多孔介質中滲流現象的三維有限差分數值模擬軟件。目前，MODFLOW已被廣泛應用于科研、環境保護、水資源利用等許多方面。整個軟件包括MODFLOW，MODPATH，MODFLOW-SURFACT，Zone Budget，MT3Dxx/RT3D，MGO和Win PEST，并都具有最直觀和強大的圖形交互界面。本文研究中主要調用MODFLOW模塊。

1.2 剖面概化及模型建立

據大量實地資料可知，尾礦庫的地形一般都很復雜，斷面起伏變化較大，因此，復雜的地形條件會給計算帶來一定的困難。也有工程研究[7]表明：完全按照實際地形進行模擬會使建模困難、計算也變得繁瑣。趙堅[8]在分析上游堆筑法尾礦壩壩體尾礦砂分布特點基礎上，提出地質剖面概化原則，并驗證了其可行性。因此，本研究考慮了研究對象某尾礦壩本身復雜的地形條件，采用地質剖面概化的原則，將本文研究的某尾礦庫分為堆積壩、初期壩、強風化板巖以及基巖四種介質，如圖1，同時根據該尾礦庫的勘察資料，壩體范圍寬約200 m，長453.2 m，包含基巖厚度，確定壩高為92.0 m，最終確定模型尺寸為200 m×460 m×100 m，10 m作為劃分間隔，最終構建的計算模型如圖2。

圖1 尾礦壩基本概化剖面

圖2 尾礦壩數值分析三維模型

1.3 邊界條件及基本參數

庫內水邊線之后的區域定為定水頭邊界，然后根據不同的干灘長度設置不同的水頭值；初期壩壩腳為排水管DRAIN邊界，其高度為該處位置高程，其導水系數設置為10e20m2/d。

數值模擬計算所需滲透系數中，堆積壩滲透系數通過室內變水頭滲透試驗確定，初期壩、強風化板巖、基巖的滲透系數參考《尾礦庫設計手冊》以及相關類似尾礦壩勘察資料取值，具體取值如下表1。

表1 各材料層滲透系數

2 浸潤線埋深數值模擬分析

2.1 初期壩排滲能力對浸潤線埋深的影響

初期壩是構建尾礦庫的最初支撐結構，進行數值模擬分析時改變初期壩的滲透系數，堆積壩、強風化板巖層的滲透系數不變，干灘長度不變，即保證堆積壩滲透系數為4.6e-7m/s，干灘長度為100 m不變，研究初期壩滲透系數分別為1e-2，1e-3，1e-4，1e-5，1e-6m/s時的尾礦壩浸潤線埋深變化規律。文中列出初期壩滲透系數為1e-3，1e-5，1e-6m/s時的壩體浸潤線埋深圖，其余通過統計壩頂位置浸潤線的埋深說明，具體結果如表2所示。

表2 不同滲透能力初期壩條件下的浸潤線埋深

通過圖3以及表2的統計可知：浸潤線埋深的整體變化呈現隨初期壩排滲能力的降低而降低的趨勢。

圖3 不同初期壩透水性對尾礦壩滲流場及浸潤線的影響

當初期壩滲透系數降至1e-6m/s時，堆積壩表面出現滲水現象，嚴重影響壩體的穩定性。出現該變化情況是因為隨著初期壩滲透系數的降低，初期壩的阻水作用增加，阻擋了滲流水經過初期壩向下游滲透，迫使浸潤線逐漸被抬高，隨著初期壩滲透能力的降低最終導致水從壩坡溢出，長時間出現壩面溢水會造成壩面的沼澤化現象，降低尾礦壩的穩定性。由圖3中，也反映出當初期壩滲透系數降至1e-6m/s時，堆積壩表面出現滲水現象，針對此類現象，有研究者表明，當初期壩滲透系數僅比堆積壩滲透系數高一個數量級時，浸潤線從初期壩上游坡角位置抬升至初期壩壩頂，當二者的比值接近1∶1時，壩面就會出現大量滲水[9]。因此，初期壩的排滲能力是影響壩體穩定性的重要因素，初期壩的排滲能力低，庫水長時間積累，無法排出，使庫水位常居于高位，浸潤線不斷攀升，使堆積壩飽和區增加，極易發生震動液化造成的潰壩，初期壩的排滲能力太大，容易對初期壩體造成沖擊，不利于初期壩穩定，進而影響整個壩體的穩定性，因此，結合勘察、室內試驗以及數值模擬等方法，確定針對某尾礦壩本身特性的具有合適排滲能力的初期壩尤為重要。初期壩排滲能力降低，除其本身設計的原因外，目前也有大量研究表明，滲流水中攜帶的尾礦細顆粒的沉積在初期壩的反濾層孔隙內，進而降低初期壩的排滲能力，最終使浸潤線的埋深降低。

2.2 干灘長度對浸潤線埋深的影響

沉積干灘是指向尾礦庫內排放尾礦，由于沉積作用逐漸形成的尾礦砂灘，也叫沉積干灘，其長度稱作灘長，灘長也作為是尾礦庫安全度的一個重要指標。數值模擬分析時，保證初期壩滲透系數為0.001 m/s，堆積壩滲透系數為4.6e-7m/s不變，研究80，100，120，140 m干灘長度對壩體浸潤線埋深的影響。模擬分析的結果如圖4，干灘長度為100 m時同圖3(a)，頂位置浸潤線的埋深的統計結果如表3所示。

圖4 不同干灘長度對尾礦壩滲流場及浸潤線的影響

不同工況干灘長度L/m壩頂位置浸潤線埋深H/m工況一8016．5工況二10018．6工況三12021．0工況四14024．0

通過圖4以及表2可知：壩體浸潤線始終位于堆積壩壩面以下，未出現浸潤線爬至初期壩壩頂以及壩面滲水現象，浸潤線的降深最大發生在初期壩上游壩腳附近。通過數值模擬結果圖以及表3可以反映出：干灘長度增加，浸潤線埋深越來越深，整個的浸潤面往遠離壩面的方向移動，有利于壩體的穩定性。

3 結 論

1)初期壩排滲能力的逐漸降低，浸潤線的位置整體呈現逐步上升的趨勢。當初期壩滲透系數降至1e-6m/s時，堆積壩表面出現滲水現象，嚴重影響壩體的穩定性。

2)干灘長度增加，浸潤線埋深越來越深，整個的浸潤面往遠離壩面的方向移動，有利于壩體的穩定性。

3)浸潤線越高，潰壩的風險越大，浸潤線埋深作為判斷壩體穩定性的重要標準，降低浸潤線的位置，有利于壩體的穩定性。因此，尾礦壩構件與運行的過程中應當保證初期壩具有恰當的排滲能力，保證庫內設計的排滲設施具有有效的排水能力，并且應注意初期壩以及排滲設施的淤堵問題等，避免造成初期壩滲透性能減低以及排水設施失效。

4)隨著礦山磨礦技術的提高，向尾礦庫排放的尾礦朝著越來越細的方向發展，細顆粒尾礦越多，通過滲流過程中的水動力作用不斷攜帶細顆粒運移，在運移過程中發生沉積等作用，細顆粒不斷淤塞孔隙通道，降低壩體的滲透能力，使得壩體浸潤線升高，進而降低了壩體的穩定性，因此，細粒尾礦堆壩成為了目前一個重要的研究方向，采取有效的措施降低其浸潤線高度成為了一個重要研究內容。

通過以上的數值模計算與分析，在工程實際建設中，在尾礦壩運行前，應當根據礦上排放的尾礦本身的粒徑大小、沉積特點與滲透特性等，設計有效的排滲設施，開始堆壩后，根據堆積的發展過程，建立有效的監測技術。

[1] 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.

[2] 周漢民. 模袋法尾礦堆壩技術[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2015.

[3] 張一軍. 細粒土尾礦壩穩定性研究[D]. 西安: 長安大學, 2007.

[4] 路美麗, 崔莉. 影響尾礦壩滲流場的因素分析[J]. 中國安全科學學報, 2004, 14(6): 17-20.

[5] 張震斌. 寬甸縣下甸子鐵選廠尾礦庫地球物理測試[J]. 遼寧工程技術大學學報: 自然科學版, 2012, 31(1): 39-41.

[6] 張福宏, 周怡帆, 馬海濤. 某尾礦庫三維流固耦合穩定性分析[J]. 遼寧工程技術大學學報: 自然科學版, 2012(5): 754-759.

[7] 路美麗. 尾礦壩滲流場的數值模擬及分析[D]. 大連: 大連理工大學研究生院, 2002.

[8] 趙堅, 紀偉, 劉志敏. 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, 74.

[9] 王昆. 個舊象沖尾礦庫滲流分析研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2016.

Numerical Calculation of Influence of Different Factors on Seepage Line of Tailings Dam

GAO Yawei1, KONG Xiangyun2, TANG Yongjun1

(1.FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China; 2.FacultyofCivilEngineeringandMechanics,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Through simulation software MODFLOW, we, according to the generalized model profile, will establish the three-dimensional model of tailings dam. Then, in changing the different factors, we begin to study the influence law of different factors on the seepage line. The numerical calculation analysis shows: (1) With the decrease of seepage capacity of initial dam, the position of the whole seepage line shows an up trend. When the permeability coefficient of the initial dam is reduced to 1e-6m/s, the dam surface shows the seepage phenomenon that will affect the stability of tailings dam seriously; (2) With the increase of the length of the dry beach, the whole seepage surface moves away from the direction of the dam surface, which is favorable to the stability of tailings dam. We think the influence law of different permeability initial dam, including the different dry beach length on depth of seepage line obtained through the numerical simulation analysis method can provide a supplementary theoretical basis for the safety design of tailings dam.

Tailing dam; Numerical calculation; Initial dam; Dry beach; Seepage line

2017-04-22

國家自然科學基金重點項目(51234004)；云南省教育廳重點項目(KKJD201521003)

高亞偉(1992-)，男，云南曲靖人，在讀碩士研究生，研究方向：尾礦壩潰壩，手機：18787460940，E-mail：1934280589@qq.com.

TV649

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.044