基于滲流分析的某尾礦庫壩體穩定性研究

姜 云 平

(山西宜通工程技術有限公司，山西 朔州 038399)

1 概述

隨著生產生活需求的不斷提高，礦山數量急劇增長，也會使管理人員在不同程度上忽視一些危險因素[1,2]，造成地下水的污染以及下游建筑物的損壞，甚至產生巨大的社會危害[3]。由李愿、郭振世所收集的資料表明,我國是一個礦產生產大國，共有12 000余座尾礦庫。但是，能夠正常運行的尾礦庫還不足70%，有的行業近50%的尾礦庫處于險、病、超期服役狀態[4,5]。近50年以來，我國所發生的30起各類尾礦庫事故中，由于潰壩引起的事故占到了50%[6]，死亡人數也呈明顯增長趨勢。特別是2008年山西省臨汾市尾礦庫發生潰壩事故，致多人傷亡，直接經濟損失達9 619.2萬元。種種資料表明我國的尾礦庫早已是一個巨大的隱患，有必要采取合理的預防措施對尾礦庫進行綜合治理，使我國的尾礦壩事故得到有效的控制[7]。

目前對于尾礦庫的穩定性分析方法并沒有明確規定，由于尾礦物理力學性質極為復雜，邊界條件影響因素眾多，在用土力學進行分析時，往往難以達到精確的分析結果。所以，針對某尾礦庫的滲水現象，采用水力學法和現場經驗相結合的方式對尾礦庫滲流穩定性進行分析。

2 尾礦庫工程概況

該尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，主要筑壩材料為選礦排出的細粒尾礦。尾礦庫初期壩的外坡比為1∶1.8，內坡比為1∶1.6，壩高為12.82 m。堆積壩由內、外兩部分壩體構成，且內外坡比均為1∶4。尾礦堆積層自上而下主要為尾中砂、尾粉砂、尾粉土及尾粉質粘土。然而，細粒尾礦堆積壩的病害發生率在尾礦庫事故統計中所占的比例最高[8]，因此要對尾礦堆積物的物理力學指標及其性質進行詳細的調查分析，防止潰壩事故的發生。

該尾礦庫下游為羅山水庫，一旦發生潰壩危險，則會造成該尾礦庫以及水庫等重要設施處于危險狀態，甚至對水庫下游1 200多名居民、360棟建筑物以及多個村莊造成巨大威脅。因此，要加強對筑壩材料的篩選、嚴格要求筑壩的工藝，尤其要對尾礦庫的運行狀態進行重點全面的分析。

3 尾礦庫初期運行安全性分析

該尾礦庫的初期壩用上游式筑壩法堆筑而成，為了避免初期壩外坡發生滲透破壞的可能，在壩內設置排滲盲井，外包土工布并設置濾水層，且在危險性最大的外坡上鋪筑排滲層，降低浸潤線從初期壩外坡逸出的幾率，使尾礦庫的初期運行得到一定的保障，從而增強后期運行的安全穩定性。

目前該尾礦庫全庫容約為2 087萬m3，壩高為90 m。根據表1尾礦庫等別劃分標準，該尾礦庫屬于三等尾礦庫。

表1 尾礦庫等別劃分標準表

根據液性指數IL可以將庫區尾砂劃分為粘性土，而粘性土一般發生的滲透破壞形式為流土。參考《土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓》中粘性土的抗滲強度計算公式[9]，可以表示為：

Jcr=0.4C+1.25(Gs-1)(1-n)cosα

(1)

其中，C為抗滲粘聚力，kPa；Gs為土粒比重;n為土體孔隙率;α為土體與邊坡的夾角。

根據該公式，計算得到庫區臨界各尾礦層的抗滲強度見表2。

表2 庫區尾砂層抗滲強度數值表

參考尾礦設施設計資料，滲透安全系數由所求土體的抗滲強度Jcr與水力坡降J的比值所表示。

本工程堆積壩外坡比約為1∶4，因此堆積壩外坡實際滲流逸出點水力坡降J=1/m=1/4=0.25(m為堆積壩邊坡系數)。

由滲透安全系數公式：

Ks=Jcr/J

(2)

得到各砂層的滲透安全系數Ks≥9.08。在工程實例中，三等尾礦庫的安全系數按照經驗值取Ks≥1.5～2.0，顯然能夠滿足所求值。因此，玲南尾礦庫在初期運行過程中不會發生滲透破壞。

4 尾礦庫壩體浸潤線分析計算

4.1 壩體溢水點分析

在尾礦庫的后期運行過程中，隨著礦砂的不斷沉積會造成排滲層的堵塞，無法很好地實現排滲降水的功能。因此，應對該工況下尾礦堆積壩的滲透破壞進行分析[10]。

在垂直方向，尾礦呈現上層粗、下層細，各沉積層坡度接近于堆積壩坡度的沉積規律，見圖1。

壩體溢水點的位置通常會隨著滲流的變化而從初期壩上移，而不是固定在某一層礦砂中，但在分析計算時，應符合以下假設：

1)當排滲層發生堵塞失效，滲水不再從初期壩底溢出，其位置會相應的發生轉移；

2)浸潤線轉折穿過尾中砂等粒徑相對較大的沉積層，不僅僅是處于礦砂底層；

3)壩體內尾礦堆積層為各向同性的連續體；

4)各尾礦堆積層的滲透系數不變。

按照《尾礦庫安全技術規程》中的規范要求，取三級尾礦庫最小安全干灘長度為70 m[11]，尾中砂層滲透系數K=3.52×10-5m/s。

因壩軸線較長，為便于計算可采用“分段法”，將壩體分成Ⅰ,Ⅱ兩個部分，建立圖2所示坐標系。

假設通過Ⅰ區的流量為q1，通過Ⅱ區的流量為q2，在相同時間內，水流通過任意截面的流量是相同的，能夠得到q1=q2。

滲流從A—O斷面到B—C斷面產生的水頭差為ΔH=H1-H2，兩斷面間的滲透途徑長度為Δs=L-mH2，所以上游段的水力梯度可以用ΔH和Δs兩者的比值表示為:

Joc=(H1-H2)/(L-mH2)

(3)

在計算上游段Ⅰ區的平均滲流流速時，考慮到滲流是在恒定非均勻漸變層中發生的，所以需要用杜比公式而不是達西定律來求解任意點的滲流流速，表示為:

V1=kJoc=k(H1-H2)/(L-mH2)

(4)

為了計算出通過上游段Ⅰ區的滲流量，可以將Ⅰ區近似看作梯形，而在任一過水斷面的高度可以用平均值來表示，那么通過壩體單位寬度下的平均斷面面積為:

A=0.5(H1+H2)

(5)

由式(4)和式(5)便能計算出通過上游段Ⅰ區的單位寬度滲流量為:

q1=V1A=k(H1-H2)/2(L-mH2)

(6)

下游段Ⅱ區單位寬度滲流量采用巴甫諾夫斯基公式可得:

q2=kH2/(m+0.5)

(7)

聯立式(6)和式(7)，將H1=90 m，m=4,L=390 m代入方程得單位寬度滲流量q=q1=q2=35.51×10-5m3/(s·m),H2=45.4 m，則溢出點高程為+197.6 m。按照各尾礦沉積層的堆積厚度，可推斷溢出點位于尾中砂層，在實際壩頂高程+242.2 m以及尾中砂層下界面高程+192.2 m范圍內，所以該研究方法可近似估算堆積壩外坡的溢水點位置。

4.2 壩體浸潤線方程計算

當入滲點和溢水點作為已知條件的情況下，可以通過建立一組直角坐標系來研究浸潤線的曲線方程，設上游的入滲起始斷面為y軸，任意垂直的水平面為x軸。

在滲流深度為y的A—O斷面上，平均滲流速度可按杜比公式求得：

v=kJ=-k·dy/dx

(8)

則經過該斷面的單位寬度滲流量為:

q=-ky·dy/dx

(9)

積分得:

qx=-0.5ky2+c

(10)

利用已知邊界條件求解c，即當x=0時，y=H1，代入得:

(11)

聯立式(8)和式(9)得:

qx=-0.5ky2+2

(12)

代入數據得浸潤線方程為:

y2=-20.18x+8 100

(13)

通過浸潤線方程的計算分析，能幫助管理人員準確掌握浸潤線高度，并采取有效的措施降低浸潤線高度，從而確保尾礦庫的正常運行。

5 結語

1)對該尾礦壩的穩定性分析中，采用水力學法對各砂層的滲透安全系數Ks值進行計算，將計算值與三等尾礦庫的安全經驗系數對比，能夠發現計算值均滿足規范要求。因此，可以認為該尾礦庫在運行前期是相對穩定的。

2)在尾礦庫的不同運行周期，可以通過理論計算出壩體的溢水點和浸潤線方程，能夠幫助管理人員大致掌握浸潤線高度變化。由計算結果說明在該尾礦壩運行后期可能會出現滲透破壞現象，需要加強監測預警和安全管理。同時，為今后此類工程的建設與運行提供了一定的借鑒意義。