磷石膏高堆積場三維滲流模擬及滲流穩(wěn)定性分析

曹紀剛 毛權(quán)生 吳鵬程

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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磷石膏高堆積場三維滲流模擬及滲流穩(wěn)定性分析

曹紀剛1，2，3毛權(quán)生1，2，3吳鵬程1，2，3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

磷石膏的沉積規(guī)律與一般尾礦差別較大，其堆場的滲流特性也區(qū)別于一般尾礦庫。針對國內(nèi)某一大型磷石膏堆場的實際情況，運用三維滲流有限元方法，分析了磷石膏堆積壩現(xiàn)狀及最終工況下的滲流場及滲流穩(wěn)定性。結(jié)果表明，最終堆積標高時浸潤線從坡面溢出，且下游部分坡面水力坡降大于允許滲透坡降或者余量較小，后期運行過程中應采取措施進行治理。

磷石膏高堆積場 三維滲流 滲流穩(wěn)定性

我國現(xiàn)有尾礦庫8 540座[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國尾礦堆存總量已超過70億t，每年產(chǎn)出的尾礦量約3億t。尾礦庫的重大事故不僅對下游居民的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅,也將給企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟損失和極壞的社會影響。而尾礦庫地下水分布作為影響整個壩體穩(wěn)定性的主要因素也顯得尤為重要。

目前國內(nèi)磷石膏渣場滲流研究成果相對較少，特別是高堆積場的。徐晗等[2]根據(jù)磷石膏渣壩滲流場的分布特征以及壩坡的穩(wěn)定性，提出在初期壩上游以及磷石膏下游底部設置排滲棱體的方案；郭茜等[3]對大峪口磷石膏尾礦壩進行了多種工況下的滲流場分析，認為干灘長度變化以及排滲墊層的淤堵程度對浸潤線的影響十分明顯，干灘長度越長，壩體浸潤線越低；排滲墊層淤堵越重，浸潤線越高。以國內(nèi)某一大型磷石膏高堆積場為例，運用三維滲流有限元方法，分析了磷石膏堆積壩現(xiàn)狀及最終工況下的滲流場及滲流穩(wěn)定性，對磷石膏堆場的滲流分布以及安全運行具有一定的指導意義。

1 三維滲流場有限元原理

非均質(zhì)各向異性多孔隙介質(zhì)中的穩(wěn)定飽和滲流連續(xù)微分控制方程為：

(1)

式中，xi為坐標，i=1，2，3；kij為二階對稱的達西滲透系數(shù)張量，描述巖體滲透各向異性；h=x3+p/γ為總水頭；x3為位置水頭；p/γ為壓力水頭；Q為滲流域中的源或匯項。

滲流場的邊界條件原則上可分為流場的幾何邊界形狀位置與邊界上起支配作用的條件，從描述流動的數(shù)學模型來看可以分為以下3類：

(2)

(3)

(4)

式中，ni為邊界面外法線方向余弦；qn為邊界面法向流量，流出時為正值；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為流量邊界；Γ3為飽和逸出面邊界。

對飽和無壓滲流場求解，滲流場內(nèi)自由面邊界條件為：

(5)

2 磷石膏堆場三維滲流分析

2.1 工程概況

某磷石膏堆場三面環(huán)山，地表水僅來自四周斜坡地表分水嶺內(nèi)的大氣降水，大氣降水是本區(qū)主要補給來源，雨量較充沛。區(qū)內(nèi)地表多為第四系松散層覆蓋，在枯季很難形成地表徑流或地表水體，但在雨季持續(xù)降雨后，將形成季節(jié)性地表流水，一部分沿區(qū)內(nèi)沖溝匯流至螳螂江，一部分直接下滲補給松散層孔隙、基巖裂隙水。

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，四周斜坡區(qū)域未見泉點出露，現(xiàn)堆場四周設置了截水溝，雨季降水沿截水溝排出庫區(qū)外，庫區(qū)內(nèi)的地表水主要來源于磷石膏漿。

從庫區(qū)地貌、巖土層結(jié)構(gòu)分析，地下水類型主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，從補給來源分析地下水富水性較弱。尾礦堆積體孔隙比大，結(jié)構(gòu)松散，黏性低，為地下水的賦存提供了良好條件，地下水豐富。

該磷石膏堆場初期壩高25 m，主要為混礫粉質(zhì)黏土組成，局部夾碎石、角礫透鏡體，后期壩體采用磷石膏堆筑?，F(xiàn)磷石膏堆場高60 m，最終堆高150 m，最終屬二等庫。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)勘察資料，對尾粉土、素填土和混礫粉質(zhì)黏土進行了垂直滲透試驗，得出垂直滲透系數(shù)值，見表1。一般尾砂表現(xiàn)出較強的各向異性，但磷石膏堆積體表現(xiàn)出的各項滲透系數(shù)基本相同，本次按照均質(zhì)體進行計算。

表1 垂直滲透試驗成果

2.3 有限元模型建立

為盡可能正確地模擬該磷石膏堆場滲流場，本次計算以場區(qū)勘察結(jié)果、初期壩及現(xiàn)狀尾礦堆積的實際情況、尾礦沉積規(guī)律、巖體水文地質(zhì)特性結(jié)果及山體地形地貌狀況等為依據(jù)，選擇場區(qū)滲流場計算域大小，確定其滲流的邊界條件，對材料進行合理概化分區(qū)。

本次建模x軸正向為正東方向，y軸正向為正北方向，z軸為鉛直向上。網(wǎng)格單元主要是八結(jié)點六面體空間等參單元，同時輔以六節(jié)點五面體空間等參單元，最終形成疏密有致、質(zhì)量較高的三維滲流場有限元計算網(wǎng)格?，F(xiàn)狀堆高模型見圖1(a)，最終堆積標高(即堆積標高1 995 m)模型見圖1(b)。

圖1 渣場有限元計算網(wǎng)格

2.4 邊界條件

由于該磷石膏堆場內(nèi)滲流主要受場內(nèi)水位影響，計算域四周邊界選擇分水嶺近似作為不透水滲流對稱面，將底部取至高程1 750 m處后，將底面近似作為磷石膏堆場滲流場的底部不透水邊界；將壩體外坡以及下游山體表面看做可能逸出邊界面，具體實際逸出面的大小將在滲流場迭代求解的過程中搜索確定。

2.5 研究方案

本次研究正常工況上游水位取勘察庫內(nèi)水位，洪水工況根據(jù)《尾礦設施設計規(guī)范》要求給定上游控制水位。滲流計算方案及相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 滲流模擬方案

2.6 三維滲流模擬結(jié)果及分析

限于篇幅，本文僅選取主剖面的計算結(jié)果進行分析，見圖2。

從圖2(a)中可以看出，在現(xiàn)狀堆積標高正常水位工況下，等水頭線分布均勻。而勘察結(jié)果中碎石土(初期壩位置)滲透性為6.0×10-4cm/s，磷石膏與基巖滲透系數(shù)為(1～2)×10-4cm/s，初期壩與周圍材料的滲透系數(shù)相差僅為3～6倍，對浸潤線降低作用不明顯，浸潤線整體較高，滲透水從初期壩腳溢出；從圖2(b)中可以看出，在現(xiàn)狀標高最高洪水位工況下，等水頭線分布均勻,與正常水位相比，總體趨勢比較相似，但浸潤線總體都有一定程度的上升，特別是堆積壩頂位置浸潤線上升幅度較大，約上升了6.21 m;圖2(c)為最終堆積標高正常水位時的等水頭分布，與現(xiàn)狀堆積標高時的滲流場相比，浸潤線有大幅度上升，坡面有滲流溢出，且溢出點位置較高，該剖面的溢出點高程為1 916.06 m；與正常水位工況相比(圖2(c))，浸潤線整體有一定程度的提升(圖2(d))，主剖面的溢出點高程為1 922.19 m。

圖2 各工況等水頭分布

由于磷石膏堆積壩的滲透穩(wěn)定性研究范圍主要為壩坡部分，圖3主要截取了上述4個方案最大水力比降部位的計算結(jié)果圖，從圖3中可以看出，水力坡降的較大值主要分布在尾粉土(磷石膏堆積壩)和素填土(初期壩及壩腳)中，兩土層的計算最大滲透坡降見表3。

圖3 各工況水力比降分布

表3 壩體滲透穩(wěn)定性分析

尾粉土屬于無黏性土，滲透變形形式屬于過渡型，按照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》表C.1(表3)，本次允許水力坡降取0.25；素填土屬于黏性土，滲透變形形式均為流土,臨界水力坡降為0.89。計算結(jié)果表明，現(xiàn)狀工況下的尾粉土及素填土最大水力比降小于相應土層的允許水力坡降；洪水工況下尾粉土的最大水力比降大于允許水力比降，該位置為浸潤線的坡面溢流位置，故壩坡需要采取措施降低浸潤線，如增設水平孔、輻射井等，以降低最大水力比降在允許范圍內(nèi)；而素填土盡管在允許范圍內(nèi)，但兩者差距較小，安全余量較低，該土層的最大水力比降位置位于壩坡腳處，故應在該位置設置反濾壓坡等措施，以保證該位置的滲透穩(wěn)定。

3 結(jié)論和建議

(1)計算結(jié)果表明，干灘的長度越長，對上游浸潤線降低效果越明顯，對下游降低效果相對較差。

(2)等水頭線計算表明，在相同干灘長度的前提下，隨著尾礦堆積高度的升高，壩體內(nèi)下游處的浸潤線不斷上升，最終堆積標高時浸潤線已經(jīng)從坡面溢出，對壩體穩(wěn)定性不利。故在尾礦庫后期堆壩過程中，應采取必要措施降低浸潤線。

(3)水力比降計算表明，與等水頭線趨勢基本相同，現(xiàn)狀堆高時各水力比降滿足要求；而最終堆積標高時尾粉土層的最大水力比降大于允許值，容易產(chǎn)生滲透破壞，壩腳素填土層的最大水力比降與允許值之間的余量也較小，后期應在壩坡及壩腳部位采取相應的措施，以保證磷石膏渣場的滲流穩(wěn)定。

[1] 謝旭陽,王云海,張興凱,等.我國尾礦庫數(shù)據(jù)庫的建立[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2008,4(2):53-56.

[2] 徐 晗,許 凱,文松霖,等.磷石膏渣壩的穩(wěn)定分析研究[J].長江科學院學報,2008,25(2):42-45.

[3] 郭 茜.大峪口磷石膏尾礦壩滲流場與穩(wěn)定性分析[D]．武漢：武漢理工大學，2010.

[4] 曹紀剛,樂 陶.某山谷型尾礦庫三維滲流場模擬分析[J].金屬礦山,2013(3):36-38.

Three-dimensional Seepage Simulation and Seepage Stability Analysis of Phosphogypsum High Packing Field

Cao Jigang1,2,3Mao Quansheng1,2,3Wu Pengcheng1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

The difference of sedimentary rules of phosphogypsum and general tailings is big,the seepage characteristics of the yard of phosphorous gypsum is different from general tailings.According to the actual field situations of a phosphogypsum yard in our country,three-dimensional seepage finite element method is adopted to analyze the present situation,seepage filed and seepage stability under the final condition of the phosphogypsum stacking dam.The results show that the saturation line is overflowed from the slope with final accumulation level,the downstream part of the slope seepage slope hydraulic gradient is greater than the allowed seepage slope,besides that,measures should be taken to deal with the phosphogypsum stacking dam in the late process of running.

Phosphogypsum stacking field, Three-dimensional seepage, Seepage stability

2015-04-02)

曹紀剛(1984—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。