基于非穩定滲流分析的尾礦庫壩體穩定性研究

王立彬，汪登峰

(中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066004)

尾礦庫是用來貯存金屬礦山、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所。尾礦庫的安全穩定不僅關系到礦山的正常生產，還直接影響到下游人民的生命財產安全。從諸多尾礦庫失事的工程案例來看，幾乎所有的尾礦庫安全事故均與水有關[1]，這是由于尾礦庫既是貯存尾礦又是貯存水的特殊構筑物。水是影響尾礦庫滲流穩定[2]、壩體變形與穩定的關鍵性因素，研究水在尾礦庫中的滲流問題具有重要意義。寧民霞等[3]通過研究揭示了水對尾礦壩巖土力學的作用，重點研究了水的動態變化引起的壩體變形場與應力場及滲流場的變化，反映了壩體變形量的大小與壩體的穩定性問題。張力霆等[4]分析了庫區水位急劇變化時壩體浸潤線的變化規律及其對尾礦庫壩體穩定的影響，基于二維非穩定滲流方程，通過計算得出了壩體的非穩定滲流場和壩體浸潤線的變化規律，并通過簡化Bishop法得出了浸潤線變化與穩定性的關系。秦華禮等[5]基于水在尾礦庫安全運行中的重要作用，闡述了水作用于壩體邊坡的兩種途徑，并以水在滑坡災害中的作用為例，探討了水對壩體穩定性的影響及其作用機理。馬池香等[6]將水土作用理論引入尾礦壩滲流場分析中，從宏觀和微觀兩方面探討尾礦壩內水土交互作用，以某鐵礦尾礦壩為例進行了有限元滲流模擬。尹光志等[7]采用物理模型實驗研究了洪水情況下壩體浸潤線的變化規律，并在此基礎上對尾礦壩的穩定性進行了分析。

尾礦庫內貯存水與水庫內貯存水在壩體結構上不同，尾礦庫是利用尾礦堆積壩灘前放礦形成的沉積灘坡面進行擋水，內側沉積灘坡面較緩，一般平均坡度在2%左右，外側堆積壩坡度較陡，一般平均坡度在1∶4左右；而水庫是利用尾礦庫中所謂的初期壩進行擋水，壩體內和壩體外坡度均較陡，一般在1∶2～1∶3.5之間，二者在壩體結構上的不同決定了尾礦庫壩體內浸潤線的變化對壩體穩定的影響不同于水庫內水位的變化。對于水庫來說，當庫水位快速上升時，迎水面壩坡處水向壩體內滲流，對土骨架的滲透力指向壩體內，滲透力有利于增加迎水面壩坡抗滑力，使迎水面壩坡安全系數提高；背水面壩坡處水向壩體外滲流，滲透力指向壩體外，滲透力減小背水面壩坡抗滑力，增加背水面壩坡滑動力，使背水面壩坡安全系數降低。當庫水位快速下降時，迎水面壩坡處水向壩體外滲流，對土骨架的滲透力指向壩體外，滲透力增加迎水面壩坡滑動力，減少迎水面壩坡抗滑力，使迎水面壩坡安全系數降低；背水面壩坡處浸潤線下降，滲透力減小，與高水位相比，背水面壩坡抗滑力增加，滑動力減小，安全系數提高。對于尾礦庫來說，迎水面壩坡即沉積灘面坡度極緩不存在失穩問題，關鍵是由尾礦堆積而成的尾礦壩下游壩坡(即背水面)，當庫水位快速上升時，尾礦壩體內浸潤線升高，下游壩坡處水向壩體外滲流，滲透力指向壩體外，滲透力減小下游壩坡抗滑力，增加下游壩坡滑動力，使下游壩坡安全系數降低；當庫水位快速下降時，下游壩坡處浸潤線下降，滲透力減小，抗滑力增加，滑動力減小，安全系數提高。在汛期，尾礦庫水位經常發生驟升驟降，在庫水位驟升驟降過程中，壩體很難形成穩定浸潤線，壩體浸潤線變化的速度，一般取決于庫區水位變化的速度、土體的滲透系數和土體的給水度等因素[4]。《尾礦設施設計規范》[8]并未對庫水位驟變條件下的非穩定滲流工況做任何規定，鑒于此，有必要針對尾礦庫汛期庫水位驟變時的非穩定滲流工況分析壩體穩定性。本文結合尾礦庫工程實例，以尾礦庫調洪演算成果作為非穩定滲流分析的計算依據，在非穩定滲流分析的基礎上研究尾礦庫壩體的穩定性。

1 工程概況

河北省承德市某尾礦庫地處燕山山脈，地勢南高北低，溝谷發育，地貌為燕山中低山區。溝谷呈Y字型布置，近于南北走向；溝谷斷面呈V字型。溝谷內植被以松樹、杏樹為主，植被較為豐富，局部基巖裸露。該地區地震動峰值加速度為0.05 g，抗震設防烈度為6度。庫區所在區域屬大陸季風氣候，冬長而寒冷，夏短而炎熱，年平均降水量508.4 mm，歷年最大積雪深度15 cm，場地地下水埋深在16.0 m以下，標準凍結深度為1.20 m[10]。

該公司選礦廠采用單一磁選工藝，礦石類型為釩鈦鐵礦，生產能力為年產65%鐵精粉10萬t，年排尾礦量為40萬t。 尾礦粒徑為0.01～0.30 mm，尾礦輸送濃度為15%～17%，尾礦平均干容重1.5 t/m3。該尾礦庫為典型山谷型尾礦庫，初期壩位于南面谷口處，壩體結構為透水堆石壩，壩底標高530 m，壩頂標高540 m，壩高10 m，壩頂寬4 m，壩軸線長80 m，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.75。 庫區排洪系統采用井-管型式，排水井為窗口結構，井壁內徑2.0 m，壁厚0.2 m，每層設置6個進水孔，內徑0.3 m，外徑0.35 m；排水管內徑為1.2 m，管壁厚0.3 m。現狀尾礦庫堆積壩頂標高570 m，平均外坡比1∶4.0，堆積壩高30 m。庫水位為564.5 m，壩前沉積灘坡度為1%。現狀總壩高40 m，總庫容約50萬m3，等別為四等，防洪標準按200年一遇計算。

2 汛期洪水位確定

1) 洪水計算。根據實測現狀地形圖，尾礦庫庫區匯水面積為0.354 km2。依據當地水文手冊進行洪水計算，24 h降雨量為151.10 mm，洪峰流量為36.34 m3/s，洪水總量為1.79萬m3，洪水總歷時為1.09 h。

2) 調洪庫容。現狀尾礦庫等別為四等，根據《尾礦設施設計規范》[8]確定最小干灘長度為50 m，最小安全超高為0.5 m。 尾礦庫水位為564.5 m，確定調洪高度為5.0 m，計算調洪庫容為1.88萬m3。

3) 排洪系統泄流能力計算。井-管式排洪系統的工作狀態，隨泄流水頭的大小而異。當水頭較低時，泄流量較小，排水井內水位低于最低工作窗口的下緣，此時為自由泄流；當水頭逐漸增大，井內被水充滿，但排水管尚未呈滿管流，泄流量受排水管的入口控制，此時為半壓力流；當水頭繼續增大，排水管呈滿流時，即為壓力流。在調洪高度范圍內排洪系統的泄流量計算成果見表1。

表1 井-管式排洪系統泄流能力計算成果表

表2 調洪演算成果表

3 非穩定滲流作用下的壩體穩定性分析

3.1 壩體結構和尾礦的物理力學性質

根據尾礦庫巖土工程勘察報告[10]對尾礦堆積體進行概化分層，建立分析模型見圖1，各分層材料物理力學指標見表3。

圖1 尾礦壩體結構模型

表3 壩體各材料的物理力學指標

3.2 壩體非穩定滲流分析

采用河海大學工程力學研究所開發的水工結構有限元分析系統軟件中的滲流分析模塊和穩定分析模塊進行計算分析。首先在軟件中填寫材料表并定義斷面材料分界線，即將表3中的參數輸入軟件并按圖1模型定義材料分界線；然后劃分網格，選擇自動網格劃分功能，劃分前先定義BASELINE，然后指定網格尺寸為4 m，最后點擊生成單元網格，生成后如網格尺寸不合適，可刪除網格重新定義尺寸參數生成網格；再定義水位變化邊界，即將表2中的正常運行水位、最高洪水位及洪水上升歷時輸入軟件，并繪制上游邊界線、下游邊界線，最后求解非穩定滲流場，求解到12 h，求解步數為12步，保存每一步計算結果。

圖2為軟件所求出的庫水位驟升過程中的壩體非飽和浸潤線，圖3為軟件所求出的庫水位驟降過程中的壩體非飽和浸潤線。從圖2中可以看出，隨著庫水位不斷上升，壩體內浸潤線前部不斷上升，形成反坡S形，但由于庫水位上升速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內形不成穩定的浸潤線。從圖3中可以看出，隨著庫水位不斷下降，壩體內浸潤線前部不斷下降，形成弧線形，但由于庫水位下降速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內無法形成穩定的浸潤線。

圖2 尾礦庫水位驟升過程中壩體非飽和浸潤線

圖3 尾礦庫水位驟降過程中壩體非飽和浸潤線

在非飽和滲流穩定計算結果基礎上進行壩體穩定性計算分析，首先指定滑弧搜索范圍，然后打開Slope選項，選擇運行期有效應力法的簡化畢肖普法，指定分條數為30，精度選擇3級，再對非穩定滲流分析過程中所生成的每條浸潤線進行滑弧穩定計算分析，即計算12次壩體穩定性。圖4為尾礦壩體在庫水位驟升過程中的穩定性分析結果。圖5為尾礦壩體在庫水位驟降過程中的穩定性分析結果。從圖4中可以看出，由于庫水位驟升過程壩體浸潤線后部上升緩慢，壩體滑弧位置基本沒有變動，壩體抗滑穩安全系數僅從1.474下降至1.465，此時對壩體抗滑穩定性影響不大，具體變化情況見圖6。當庫水位長期穩定在最高洪水位時，將形成一條穩定浸潤線(圖4)，浸潤線以下壩體達到飽和狀態，此時壩體抗滑穩安全系數為1.357，明顯下降。從圖5中可以看出，由于庫水位驟降過程壩體浸潤線后部下降緩慢，壩體滑弧位置也基本沒有變動，壩體抗滑穩定安全系數僅從1.357上升至1.367，此時對壩體抗滑穩定性影響不大，具體變化情況見圖7。當庫水位長期穩定在正常運行水位時，將形成一條穩定浸潤線(圖5)，浸潤線以下壩體達到飽和狀態，此時壩體抗滑穩安全系數為1.474，明顯提高。

圖4 尾礦庫水位驟升時尾礦壩體抗滑穩定計算結果

圖5 尾礦庫水位驟降時尾礦壩體抗滑穩定計算結果

圖6 尾礦庫水位驟升過程中壩體安全系數

圖7 尾礦庫水位驟降過程中壩體安全系數

4 結 論

1) 在庫水位驟升過程中，壩體內浸潤線前部隨著庫水位不斷上升而上抬，形成反坡S形，但由于庫水位上升速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內無法形成穩定的浸潤線，壩體滑弧位置基本無變動，壩體抗滑穩安全系數僅從1.474下降至1.465，此時對壩體抗滑穩定性影響不大，但是一旦在最高洪水位形成穩定浸潤線，壩體抗滑穩定安全系數將明顯降低，下降至1.357。

2) 在庫水位驟降過程中，壩體內浸潤線前部隨著庫水位不斷下降而下降，形成弧線形，但由于庫水位下降速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內無法形成穩定的浸潤線，壩體滑弧位置也基本無變動，壩體抗滑穩定安全系數僅從1.357上升至1.367，此時對壩體抗滑穩定性影響不大，但是一旦在正常運行水位形成穩定浸潤線后，壩體抗滑穩定安全系數將明顯提高，上升至1.474。

鑒于以上結論，在尾礦庫汛期運行過程中，應嚴格按《尾礦設施設計規范》[8]要求控制尾礦庫的一次洪水排出時間不大于72 h，避免壩體在高水位時形成穩定浸潤線降低壩體抗滑穩定性。尾礦庫在汛期應保持低水位運行，一方面保證尾礦庫防洪安全，另一方面也是保證壩體穩定安全。在汛期安全檢查時，應嚴格要求尾礦庫經營企業將庫內排洪系統全部打開，以加大泄洪能力縮短高水位運行時間，確保尾礦庫壩體安全。