尾礦砂滲透系數(shù)對尾礦壩壩體滲流場的影響研究

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(1.陜西省寶雞峽管理局，陜西 咸陽 712000；2.陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

尾礦砂滲透系數(shù)對尾礦壩壩體滲流場的影響研究

任川江1，鄭太林2

(1.陜西省寶雞峽管理局，陜西 咸陽 712000；2.陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

通過對上游式堆筑分層特性的研究，對于在特殊情況下，上游式尾礦堆積壩在堆筑過程中出現(xiàn)滲透系數(shù)下部大、上部小，或者中間大、上下小的問題，以四方金礦尾礦庫模型為基礎(chǔ)，二維有限元數(shù)值分析方法模擬其運(yùn)行時的滲流情況，探討當(dāng)壩體材料變化時浸潤線的變化規(guī)律。結(jié)果表明：壩體各層層面上的浸潤線，上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征，滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性，當(dāng)增大壩體下層滲透性降低浸潤線，可以有效的維持壩體的穩(wěn)定。

分層特性；尾礦壩；滲透系數(shù)；浸潤線

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或者其他工業(yè)廢渣的場所[1]。尾礦庫的浸潤線是尾礦庫的生命線，浸潤線的位置高低是影響尾礦庫穩(wěn)定性的重要因素之一。浸潤線過高往往會影響壩體穩(wěn)定，造成壩體破壞[2]。據(jù)統(tǒng)計，浸潤線每下降1 m，可使尾礦庫的靜力穩(wěn)定安全系數(shù)增加0.05甚至更多；浸潤線如果在壩面8m及以下，在發(fā)生7級地震時基本上不會產(chǎn)生振動液化的現(xiàn)象[3-5]。因此，準(zhǔn)確地計算出尾礦庫的浸潤線，對工程的設(shè)計方案、是否需要增設(shè)排水設(shè)施和尾礦庫的安全穩(wěn)定都具有重要的指導(dǎo)意義。

根據(jù)工程經(jīng)驗可以看出，尾礦庫本身的因素可能對浸潤線產(chǎn)生較大的影響。例如：在尾礦庫設(shè)計階段，選擇透水能力強(qiáng)的初期壩，就可有效地降低浸潤線；對于既有的尾礦庫，如果其浸潤線埋深過淺，不能滿足規(guī)范要求時，為降低尾礦壩浸潤線高度，常在尾礦堆積壩設(shè)置防滲設(shè)施，主要型式有水平排滲層、盲溝排滲、水平管排滲及輻射井等[6-7]。

我國尾礦庫數(shù)量多，規(guī)模小，且大都采用工藝簡單、便于管理、運(yùn)行成本低、且投資較少的上游式筑壩[8-9]。上游式尾礦庫堆積壩是在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式[10-11]。它的堆筑特點(diǎn)是：先在沉積干灘面上堆筑子壩，然后在子壩上進(jìn)行分散放礦，待庫內(nèi)充填尾礦砂與子壩齊平時，再在新形成的干灘面上堆子壩繼續(xù)放礦，如此循環(huán)，分層堆筑[12]。因此，上游式尾礦庫具有明顯的分層特性。一般情況下，上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征，滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性[13]。但在特殊情況下，可能出現(xiàn)滲透系數(shù)下部大、上部小，或者中間大、上下小的現(xiàn)象。本章主要以四方金礦尾礦庫模型為基礎(chǔ)，探討當(dāng)壩體材料變化時，浸潤線的變化規(guī)律。

1 各層材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究

1.1 模型的建立及材料參數(shù)的選取

四方金礦祝家院尾礦庫剖面圖及材料分區(qū)如圖1所示。該尾礦庫堆筑方式為上游式堆壩法，其初期壩建在原尾礦庫(已閉庫)尾砂面上，采用堆石碾壓壩型。初期壩壩高16 m，壩底標(biāo)高974.0 m，壩頂標(biāo)高990.0 m，下游壩坡1:2，上游壩坡1:1.75，壩頂寬4.0 m，筑壩方量為12萬 m3。采用上游法最終沖填至1 030.0 m，沖填高度40.0 m，總壩高為90.0 m，堆積壩外邊坡為1:4.25。本模型涉及到的材料包括初期壩、堆積壩和攔洪壩三大類。上游水頭邊界高程為1 028.5 m，由于初期壩為透水性堆石碾壓壩，下游水頭邊界選在初期壩壩址處為自由透水面，模型左右兩面和底部設(shè)置為不透水邊界。其中堆積壩材料包括干密度分別為1.45 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3的尾粉土和干密度分別為1.55 g/cm3的尾粉砂共4種材料。各材料的滲透系數(shù)見表1。

圖1 尾礦庫剖面圖及材料分區(qū)

根據(jù)四方金礦祝家院尾礦庫剖面圖和材料分區(qū)(圖1)及尾礦庫壩體材料的滲流參數(shù)選取列表(表1)，用大型有限元商業(yè)分析軟件ABAQUS建立二維數(shù)值計算模型。對二維數(shù)值計算模型采用線性四邊形單元進(jìn)行有限元離散，其網(wǎng)格劃分如圖2所示，模型的單元數(shù)為1843，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1947。

圖2 二維數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分圖

1.2 滲流計算結(jié)果的分析與整理

四方金礦尾礦庫在洪水工況下運(yùn)行時，其最小干灘長度為100 m。故在模擬其滲流時，擬建干灘長度為100 m來模擬其實際滲流情況。計算結(jié)果見圖3。

表1 尾礦庫壩體材料的滲流參數(shù)選取列表

圖3 二維數(shù)值模擬浸潤線云圖

圖3為用二維數(shù)值分析方法模擬四方金礦尾礦庫的浸潤線云圖。由圖可以看出：浸潤線沿順河方向逐漸降低，至初期壩上游坡面附近出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。這是由于初期壩的滲透系數(shù)急劇增大，使?jié)B透流速也迅速增大，從而勢能減小所導(dǎo)致的。計算得到浸潤線的最小埋深為9.77 m。

為分析壩體內(nèi)各層尾礦的滲透系數(shù)的變化對浸潤線的影響，現(xiàn)分別將堆積壩中其中一層尾礦的滲透系數(shù)提高2倍、3倍、4倍、5倍和10倍，其余層則不變。計算其浸潤線。

1.2.1 第一層(頂層)尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究

表2 第一層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

圖4 第一層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

由圖4和表2可以得到如下結(jié)論：

(1) 隨著第一層(壩頂)尾礦滲透系數(shù)的增大，尾礦庫的浸潤線逐漸抬升，浸潤線的最小埋深逐漸減小。這是因為第一層尾礦的滲透系數(shù)增大，使得第一層的尾礦水向下滲流的趨勢降低，又由于總水頭保持不變，從而使得尾礦庫的浸潤線抬高。

(2) 當(dāng)滲透系數(shù)增加到3倍時，浸潤線的最小埋深為0 m，即浸潤線溢出，溢出位置在第一層和第二層的分界線附近。隨著滲透系數(shù)的增大，浸潤線的溢出區(qū)域也逐漸增大。

(3) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出，第一層尾礦滲透系數(shù)的變化對第一層的滲流影響最大，隨著深度的增加，影響逐漸減小。

(4) 隨著第一層尾礦滲透系數(shù)的增大，初期壩上游坡面附近的跌水現(xiàn)象越明顯。

1.2.2 第二層尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究

表3 第二層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

圖5 第二層尾礦壩滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

由圖5和表3可以得到如下結(jié)論：

(1) 隨著滲透系數(shù)的增大，浸潤線逐漸降低，但降低的幅度很小。

(2) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出，第二層尾礦滲透系數(shù)的變化對尾礦庫的浸潤線影響較小，并且浸潤線的最小埋深變化范圍也很小。

(3) 第二層尾礦滲透系數(shù)對整個壩體的流線影響較小，隨著第二層尾礦滲透系數(shù)的增大，初期壩上游坡面附近的跌水現(xiàn)象越不明顯。

1.2.3 第三層尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究

表4 第三層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

圖6 第三層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

由圖6和表4可以得到如下結(jié)論：

(1) 通過對比可以看出，隨著第三層尾礦滲透系數(shù)的增大，尾礦庫的浸潤線逐漸下降，浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第三層尾礦的滲透系數(shù)增大，使得第一層和第二層的尾礦水向下滲流的趨勢增大，從而使得尾礦庫的浸潤線降低。

(2) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出，第三層尾礦滲透系數(shù)的變化對第一層和第二層的滲流影響最大，隨著深度的增加，影響逐漸減小。

(3) 隨著第一層尾礦滲透系數(shù)的增大，初期壩上游坡面附近的跌水現(xiàn)象越不明顯。這是因為跌水現(xiàn)象是由于滲透系數(shù)的急劇變化而引起的，由于第三層尾礦的滲透系數(shù)逐漸增大，使得初期壩與尾礦的滲透系數(shù)差距逐漸減小，導(dǎo)致水流從尾礦到初期壩的勢能差減小，因此跌水現(xiàn)象越不明顯。

1.2.4 第四層(底層)尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究

表5 第四層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

圖7 第四層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深

由圖7和表5可以得到如下結(jié)論：

(1) 通過對比可以看出，隨著第四層(底層)尾礦滲透系數(shù)的增大，尾礦庫的浸潤線逐漸下降，浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第四層尾礦的滲透系數(shù)增大，使得上面三層的尾礦水向下滲流的趨勢增大，從而使得尾礦庫的浸潤線降低。

(2) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出，第四層尾礦滲透系數(shù)的變化對整個壩體的滲流影響都很大。

通過對比圖4～圖7和表2～表5可以看出：

(1) 壩體浸潤線沿順河方向逐漸降低，當(dāng)尾礦與初期壩滲透系數(shù)相差較大時，初期壩上游坡面附近出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。

(2) 當(dāng)壩體中其中一層尾礦的滲透系數(shù)改變時，其對該層和該層以上的滲流影響較大，對而該層以下滲流的影響很小。

(3) 由以上的分析可以看出：當(dāng)增加上層尾礦的滲透系數(shù)時(圖4)，浸潤線有上升的趨勢；當(dāng)增加下層尾礦的滲透系數(shù)時(圖6、圖7)，浸潤線有下降的趨勢；當(dāng)增加浸潤線附近的滲透系數(shù)時(圖5)，浸潤線基本保持不變。

(4) 由于上游式尾礦庫堆筑特點(diǎn)，上游式尾礦庫具有明顯的分層特性。一般情況下，上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征，滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性。通過以上的分析可以看出，這不利于壩體的滲流穩(wěn)定。因此，可以通過增大壩體下層滲透性降低浸潤線，如在壩體底部增加橫向排水措施等。

2 結(jié)語

本文以四方金礦尾礦庫模型為基礎(chǔ)，以二維有限元數(shù)值分析方法模擬其運(yùn)行時的滲流情況，得到其浸潤線云圖。并通過分別將堆積壩中其中一層尾礦的滲透系數(shù)提高2倍、3倍、4倍、5倍和10倍，其余層則不變，分析壩體內(nèi)各層尾礦的滲透系數(shù)的變化對浸潤線的影響。得到如下結(jié)論：

(1) 壩體浸潤線沿順河方向逐漸降低，當(dāng)尾礦與初期壩滲透系數(shù)相差較大時，初期壩上游坡面附近出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。

(2) 隨著第一層(壩頂)尾礦滲透系數(shù)的增大，尾礦庫的浸潤線逐漸抬升，浸潤線的最小埋深逐漸減小。這是因為第一層尾礦的滲透系數(shù)增大，使得第一層的尾礦水向下滲流的趨勢降低，又由于總水頭保持不變，從而使得尾礦庫的浸潤線抬高。

(3) 第二層尾礦滲透系數(shù)的變化對尾礦庫的浸潤線影響較小，并且浸潤線的最小埋深變化范圍也很小。

(4) 隨著第三層尾礦滲透系數(shù)的增大，尾礦庫的浸潤線逐漸下降，浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第三層尾礦的滲透系數(shù)增大，使得第一層和第二層的尾礦水向下滲流的趨勢增大，從而使得尾礦庫的浸潤線降低。

(5) 隨著第四層(底層)尾礦滲透系數(shù)的增大，尾礦庫的浸潤線逐漸下降，浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第四層尾礦的滲透系數(shù)增大，使得上面三層的尾礦水向下滲流的趨勢增大，從而使得尾礦庫的浸潤線降低。

(6) 當(dāng)增加上層尾礦的滲透系數(shù)時，浸潤線有上升的趨勢；當(dāng)增加下層尾礦的滲透系數(shù)時，浸潤線有下降的趨勢；當(dāng)增加浸潤線附近的滲透系數(shù)時，浸潤線基本保持不變。

(7) 上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征，滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性。通過以上的分析可以看出，這不利于壩體的滲流穩(wěn)定。因此，可以通過增大壩體下層滲透性降低浸潤線，如在壩體底部增加橫向排水措施等。

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TD926.4+2

A

1004-1184(2017)05-0172-03

2017-07-14

任川江(1970-)，男，陜西興平人，工程師，主要從事農(nóng)田灌溉管理工作。

鄭太林(1978-)，男，陜西紫陽人，工程師，主要從事地下水管理監(jiān)測工作。