降雨持續時間對某加高擴容尾礦壩滲流穩定性影響分析

霍晨瑋，沈振中

(河海大學 水利水電學院，南京 210098)

造成尾礦壩失穩的原因眾多，其中強降雨引起的尾礦壩滲流破壞是失穩的主要原因之一[1-3]。尾礦壩潰壩實例調查研究表明，很多潰壩事故均發生在區域性強降雨之后[4-6]，降雨入滲導致尾礦壩表層非飽和尾砂的含水量增加，基質吸力下降，壩體抗剪強度降低[7]，進而威脅尾礦壩的穩定性。在我國，早期建設起來的尾礦壩已達到或接近最初設計壩高，由于種種原因需要繼續加高擴容。但是，壩體逐漸加高以后，其穩定性及滲流問題將越來越突出，尾礦壩一旦失穩，相關企業的經濟發展、下游居民的生命財產安全以及周圍地下水和江河流域的水質將受到巨大危害[8]。因此，開展降雨入滲對加高擴容尾礦壩滲流穩定性研究至關重要。本文以某加高擴容尾礦壩為研究對象，基于非飽和-飽和滲流理論和極限平衡法，利用Geostudio計算軟件進行數值模擬，探討降雨強度一定或總降雨量一定情況下降雨持續時間對滲透穩定性規律的影響。

1 計算模型

1.1 工程背景

我國河南省欒川縣某上游式尾礦庫建于一條狹長山谷內，溝谷斷面形狀多呈“V”字形。該尾礦庫初期壩壩型為碾壓堆石壩，壩頂標高1 025 m，壩頂壩高54 m，壩頂寬4 m，上游邊坡1∶1.6，下游邊坡1∶1.7。二期加高擴容工程采用上游法加高尾礦壩，堆積標高1 170 m，總壩高199 m，總庫容1 823.98萬m3，為二等庫。

1.2 材料分區和邊界條件

選取該加高擴容尾礦壩典型斷面，根據工程地質、水文地質資料以及顆粒級配情況，將其劃分為尾粉質黏土、尾粉土、尾粉砂、初期壩和基巖五個區域。分別于壩坡的頂部、中部和底部的表層選取特征控制點A、B、C，特征控制點所在斷面為特征控制斷面a、b、c，建立如圖1所示的計算模型，有限元計算模型網格劃分見圖2，共包含節點數2 953個、單元數2 826個。該加高擴容尾礦壩計算模型的力學邊界條件：限定基巖的水平和豎直方向的位移。地下水滲流邊界條件：基巖底端為不透水邊界，上游水位按正常運行水位確定，無下游水位，初期壩面、堆積壩面、壩頂灘面作為降雨入滲邊界。

圖1 壩體典型斷面圖Fig.1 Typical section of the dam

圖2 壩體典型斷面有限元網格Fig.2 Finite element mesh of typical section of dam body

1.3 計算參數

依據地質勘測數據及工程經驗值，組成該尾礦壩的材料物理力學參數見表1。滲流特性分析計算中，已知各分區材料的飽和體積含水率和飽和滲透系數，結合Geostudio內置材料庫估算其體積含水率函數和水力傳導率函數；邊坡穩定性研究計算中，本構模型采用Mohr-Coulomb模型，是一種理想彈塑性模型。

表1 材料物理力學性質

1.4 計算工況

本文分析降雨持續時間對該加高擴容尾礦壩的影響，主要考慮兩種情況：相同降雨總量下不同降雨時長和相同降雨強度下不同降雨時長。

表2 計算工況

2 計算結果與分析

2.1 加高擴容尾礦壩滲流特性分析

為了全面分析該加高擴容尾礦壩滲流穩定性受降雨時長的影響規律，選取尾礦壩表層特征控制點A、B、C，分別反應尾礦壩表層不同位置點的孔隙水壓力變化規律；選取特征控制點所在斷面為特征控制斷面a、b、c，反應尾礦壩孔隙水壓力隨壩內高程的變化規律。

2.1.1 特征控制點處孔隙水壓力變化規律

1)降雨總量相同，降雨歷時不同

降雨總量為180 mm，降雨歷時分別為8、12、16和20 h，壩坡表層特征控制點A、B、C的孔隙水壓力變化見圖3。由圖3可知，各特征點的孔壓變化規律一致，即隨著降雨時長的增加而不斷升高。降雨總量一定條件下，降雨時間短、降雨強度大時，壩坡表層的負孔隙水壓力增大速率更快；降雨歷時不同的同一特征點雨停時的孔隙水壓力變化量相等，這是由于降雨強度始終低于邊坡土體的滲透系數，雨水通過壩坡表面完全滲入到壩體內部，使得壩坡淺層土壤的孔壓逐漸增大，但孔壓依舊為負，未出現暫態飽和區；雨停時，特征點A、B、C的孔壓分別增大約128.77、35.00和133.98 kPa，這是由于雨水通過表面滲入后，從壩體內部流向下游，因此壩坡下部孔隙水壓力變化量最大。

圖3 降雨總量相同條件下特征點孔壓變化隨時間的變化Fig.3 Variation of pore water pressure at characteristic points with time under the same rainfall amount

2)降雨強度相同，降雨歷時不同

降雨強度為12 mm/h，降雨歷時為8、12、16和20 h，壩坡表層特征控制點A、B、C的孔隙水壓力變化見圖4。由圖4可知，各特征點的孔壓變化規律一致，即隨著降雨時長的增加而不斷升高。降雨前，特征點B處的孔壓最大，特征點A處的孔壓最小；降雨歷時20 h后，特征點B處的孔壓最小，特征點C處的孔壓最大；降雨強度一定條件下，特征點B處的孔壓變化率最小，特征點C處的孔壓變化率最大。不同降雨歷時各特征點孔壓變化率見表3。

表3 特征點孔壓變化

圖4 降雨強度相同條件下特征點孔壓變化隨時間的變化Fig.4 Variation of pore water pressure at characteristic points with time under the same rainfall intensity

2.1.2 特征斷面孔隙水壓力縱向變化規律

選取工況降雨強度12 mm/h、降雨時長20 h，探討不同特征斷面的縱向孔壓變化規律，見圖5。初始狀態下，特征斷面a和特征斷面b上孔壓與高程呈線性關系，特征斷面c在一定高程以上孔壓保持不變；隨著降雨時間的推進，各斷面下部高程的孔壓幾乎不變，表層孔壓逐漸增大，其中斷面c的表層孔壓變化率最大，有形成暫態飽和區的趨勢，負孔隙水壓力趨于零，整體基質吸力近乎消失。

圖5 孔隙水壓力縱深變化規律Fig.5 Variation law of pore water pressure depth

2.2 加高擴容尾礦壩穩定性研究

采用極限平衡法，研究該加高擴容尾礦壩在降雨量一定或降雨強度一定條件下壩坡穩定性系數隨降雨時長的變化規律，見圖6。隨著降雨時間的推移，尾礦壩安全系數持續減小。降雨總量一定條件下，降雨時間越短、降雨強度越大，尾礦壩安全系數降低速率越快；降雨總量達到180 mm時，降雨時間長、降雨強度小時的安全系數最小，降雨時長8、12、16、20 h后尾礦壩安全系數分別為1.178 6、1.178 2、1.177 9、1.177 7，降幅分別為0.15%、0.19%、0.21%、0.23%。降雨強度一定條件下，隨著時間的推移，安全系數逐漸降低，降雨時長8、12、16、20 h時尾礦壩安全系數分別為1.179 3、1.178 5、1.177 8、1.177 2，降幅分別為0.09%、0.16%、0.22%、0.27%。

圖6 尾礦壩安全系數隨時間的變化Fig.6 Variation of safety factor of tailings dam with time

3 結論

本文基于飽和-非飽和滲流理論和極限平衡法，利用Geostudio計算軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，考慮降雨總量一定或降雨強度一定條件下降雨持續時間對某加高擴容尾礦壩滲流特性和穩定性的影響。通過分析可得如下結論：

1)隨著降雨時間的推移，壩體下部高程的孔壓幾乎不變，降雨入滲使得壩坡表層非飽和區含水量增大，表層孔隙水壓力上升，基質吸力降低，從而導致尾礦壩穩定性降低。

2)降雨總量一定條件下，降雨時間短、降雨強度大時，表層孔隙水壓力變化率大，但最終對壩坡穩定性造成的影響小；降雨時間長、降雨強度小時，表層孔隙水壓力變化率小，但最終對壩坡穩定性造成的影響大。

3)降雨強度一定條件下，隨著降雨時間的推移，尾礦壩安全系數隨著降雨量的增大而減小。