降雨入滲和洪水作用下穆棱尾礦壩的穩(wěn)定性

韓 雪, 許譽浩

(黑龍江科技大學 建筑工程學院， 哈爾濱150022)

0 引 言

尾礦壩是礦山的重要工程之一，同時也是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，其投資及運行費用巨大。伴隨礦業(yè)工程的不斷發(fā)展，尾礦壩失事屢有發(fā)生。尾礦壩失事不僅使尾礦流失嚴重，而且破壞下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，造成巨大的生命及財產(chǎn)損失[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，導致尾礦壩潰壩等事故的直接原因中，洪水(水位快速上漲對周邊造成威脅的水流現(xiàn)象)約占50%，滲流破壞約占20%，壩體穩(wěn)定性不足約占20%，其他約占10%[2-3]。在尾礦庫不穩(wěn)定邊坡變形特征及滑動機制、時變分析模型等研究基礎(chǔ)上[4-5]，文中以穆棱尾礦壩為研究工程背景，采用數(shù)值分析方法，研究不同降雨強度、不同水位高度下的壩體孔隙水壓力、干灘長度及安全系數(shù)隨時間的變化規(guī)律，以期防治尾礦壩潰壩事故的發(fā)生。

1 工程概況與基本力學性質(zhì)實驗

1.1 工程概況與工程地質(zhì)條件

尾礦壩位于穆棱市河西鄉(xiāng)雙興村北的溝谷內(nèi)，處于溝谷中段，該溝谷地勢北高南低。尾礦壩下游1.18 km處雙興村約有800住戶。壩體長185.2 m，壩頂標高為420～450 m。初期壩壩高14 m，堆積壩高度4 m，總壩高18 m，總庫容63.95萬 m3，尾礦壩筑壩形式為透水型碾壓式土石混合壩，設(shè)計等級為五級。堆積壩的形式為上游式筑壩法，其主要優(yōu)點壩體需要的外部填料少，沉積灘上的尾礦砂是最實用的筑壩材料，使筑壩成本最低。

尾礦庫地質(zhì)資料表明，庫內(nèi)巖土層有五層。第一層：表土，黑色，潤濕，松散，分布于溝谷漫灘區(qū)。第二層：粉質(zhì)黏土，黃色—黃褐色，軟塑，干強度中等，韌性中等，含少量粗砂，主要分布于溝谷漫灘區(qū)。第三層：細?；旌贤粒S褐色—灰黃色，軟可塑，以粉質(zhì)黏土為主，碎石約占20%～40%，該層主要分布在谷底漫灘區(qū)兩側(cè)。第四層：粗?；旌贤?，黃褐色，飽和，黏性土約占10%～30%，由于上游庫水滲透和地表水滲入，該層土處于飽和狀態(tài)且地下水具承壓性。第五層：強風化砂巖，褐色、灰黃色，飽和，以細砂巖為主，局部為粉砂巖，主要分布在壩址區(qū)西側(cè)山林。

1.2 基本力學性質(zhì)實驗

初期壩主要組成部分為粉質(zhì)黏土，尾礦砂由尾礦漿脫水后產(chǎn)生的固體工業(yè)廢料與細?；旌贤痢⒋至；旌贤恋韧馏w混合而成。黏土與尾礦砂的物理力學參數(shù)測定根據(jù)土工實驗手冊[6-8]，每種土樣制備6組試件在土力學實驗室進行測試，通過直接剪切實驗測得土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角等參數(shù)，通過變水頭實驗測得尾礦砂的滲透系數(shù)。各組土樣測試數(shù)據(jù)采用強度擬合曲線統(tǒng)計獲得內(nèi)摩擦角和黏聚力參數(shù)，初期壩土樣強度擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.96，其他尾礦砂強度擬合曲線相關(guān)系數(shù)在0.93～0.95。實驗器材與土樣制備如圖1～4，數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析方法得物理力學參數(shù)見表1。

圖1 直剪實驗儀器

圖2 制備土樣

圖3 變水頭實驗裝置

圖4 滲透系數(shù)測定

表1 物理力學參數(shù)

2 模型建立

2.1 數(shù)值計算模型與邊界條件

尾礦壩壩體高度h18 m，壩長l185.2 m，有限元網(wǎng)格劃分單元尺寸為2 m×2 m。依據(jù)工程地質(zhì)條件，計算模型有限元網(wǎng)格按6個區(qū)域劃分，分別為初期壩、尾細砂、尾中砂、尾粉砂、尾粉土和地基風化砂巖，如圖5所示。分析模型采用Geostudio的seep/w分析模塊，對壩體降雨入滲和洪水邊界條件進行設(shè)置。降雨入滲量計算范圍10～25 mm/h，洪水邊界高度計算范圍16.5～17.3 m。壩體土物理力學計算參數(shù)按表1。

圖5 數(shù)值模型網(wǎng)格

2.2 計算工況

采用三種計算工況。

(1)工況一。分析降雨入滲條件下，不同降雨強度，壩體孔隙水壓力、安全系數(shù)隨時間的變化。

(2)工況二。分析洪水水位升降，壩體干灘長度、安全系數(shù)隨時間的變化。

(3)工況三。分析洪汛期最高水位時，降雨入滲與洪水最高水位共同作用，壩體安全系數(shù)隨時間的變化。

2.3 土水特征曲線確定

非飽和土-水特征曲線獲得方法主要有，實驗測定法和經(jīng)驗擬合法[9-13]。數(shù)值計算一般采用函數(shù)擬合法。尾礦壩分析模型的6個區(qū)域，即初期壩、尾細砂、尾中砂、尾粉砂、尾粉土和壩基。非飽和土層主要以粉質(zhì)黏土與尾細砂為主。經(jīng)對不同擬合函數(shù)模型和工程地質(zhì)特征分析，穆陵尾礦壩降雨入滲作用分析中，非飽和土的土水特征曲線宜采用Fredlunt-Xing函數(shù)擬合法獲得，最終的擬合曲線如圖6所示。

圖6 非飽和土層基質(zhì)吸力與體積含水率曲線

3 計算結(jié)果與分析

3.1 降雨強度對孔隙水壓力與安全系數(shù)的影響

3.1.1 孔隙水壓力

采用Geostudio中的seep/w模塊，分析壩體孔降水強度p隨降雨強度r和持時t的變化，圖7和8分別是降雨強度為10和25 mm/h的壩體孔隙水壓力隨降雨持時的變化情況。

由圖7、8計算分析表明，降雨強度為10 mm/h時，坡面流徑隨降雨持時的增加而加強，降雨持時較短時，壩體邊坡表面為負孔隙水壓力，坡面流徑在第2、4、6 d時并不明顯，在第8 d時徑流明顯加快；當降雨強度為25 mm/h時，坡面徑流速率與范圍明顯強于降雨強度較小時，坡面孔隙水壓力逐漸從負孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?，孔隙水壓力的增大會造成土體抗剪強度降低，同時壩體內(nèi)部的徑流作用和強降雨對邊坡的沖刷，導致壩體穩(wěn)定性降低。

圖7 降雨強度10 mm/h時孔隙水壓力

3.1.2 安全系數(shù)

分別對降雨強度γ為10、15、20、25 mm/h的壩體穩(wěn)定系數(shù)進行計算，得出安全系數(shù)α隨時間變化曲線如圖9所示。

圖8 降雨強度25 mm/h時孔隙水壓力

圖9 不同降雨強度下安全系數(shù)隨時間的變化

由圖9曲線可知，總體上不同降雨強度壩體安全系數(shù)均隨降雨時間的增加而降低，但變化規(guī)律存在差異。降雨強度10 mm/h時，壩體的安全系數(shù)在第1～4 d緩慢下降，由于壩體內(nèi)空隙水壓力變化影響，第5 d甚至有所回升，隨后繼續(xù)緩慢下降；降雨強度15 mm/h時，壩體的安全系數(shù)在第1～4 d時基本保持不變，之后出現(xiàn)較快速率降低；降雨強度20和25 mm/h時，壩體安全系數(shù)隨降雨持時持續(xù)降低，而且變化速率快于較低雨強。綜上，不同雨強壩體安全系數(shù)隨降雨持時的增加而降低，且雨強越大降低速率越快。

3.2 洪水水位對干灘長度與安全系數(shù)的影響

3.2.1 干灘長度

采用Geostudio軟件中的seep/w模塊，對壩體水位變化進行模擬分析，得出不同水位h1干灘長度lg隨時間的變化曲線如圖10所示。

圖10 不同水位干灘長度隨時間的變化曲線

圖10可以看出，不同洪水水位，干灘長度均隨作用時間的增加而縮短；干灘長度變化速率隨洪水水位的升高而降低。

3.2.2 安全系數(shù)

采用Geostudio中的slope/w模塊，對壩體水位變化進行模擬分析，得出不同水位壩體安全系數(shù)隨時間的變化曲線如圖11所示。

圖11 不同水位壩體安全系數(shù)隨時間的變化曲線

由圖11可知，在正常蓄水水位16.5 m時，隨作用時間壩體安全系數(shù)比較緩慢的降低，且在第4～5 d、與7～8 d有較小幅度地回升；當水位升高到16.8、17.3 m時，壩體安全系數(shù)隨作用時間下降速率明顯大于正常蓄水水位；當水位上漲到洪汛期最高水位時，壩體的安全系數(shù)降低速率進一步加快。綜上，壩體安全系數(shù)隨水位的升高而降低，且降低速率與洪水水位正相關(guān)。

3.3 降雨入滲與洪水共同作用對安全系數(shù)的影響

采用Geostudio對壩體在降雨入滲和洪水共同作用進行分析，得到降雨洪水作用壩體安全系數(shù)隨時間的變化曲線，并與25 mm/h單降雨作用和汛期最高洪水水位單作用進行比較，如圖12所示。

圖12 降雨洪水作用下壩體安全系數(shù)隨時間的變化曲線

由圖12可知，在單一邊界條件下，降雨入滲對壩體安全系數(shù)的降低作用大于洪水作用；在二者共同作用下，壩體安全系數(shù)隨作用時間的增加而降低，同一時點壩體安全系數(shù)均低于降雨入滲或洪水單一作用情況。

3.4 壩體穩(wěn)定性評價

通過上述對壩體在不同邊界條件下孔隙水壓力、干灘長度及安全系數(shù)的研究，取最不利截面結(jié)合簡化Bishop法，計算壩體抗滑穩(wěn)定性的最小安全系數(shù)見表2。

表2 簡化Bishop法計算結(jié)果

表2計算結(jié)果表明，穆棱尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)在降雨入滲、洪水運行以及降雨洪水共同作用情況下均符合五等庫安全標準。

4 結(jié) 論

(1)壩體孔隙水壓力隨降雨強度和持時的增加而增大，壩體安全系數(shù)隨降雨持時快速下降并最終趨于穩(wěn)定。

(2)壩體干灘長度、安全系數(shù)隨洪水水位升高和作用時間增加而線性降低。

(3)降雨洪水共同作用是易引起壩體失穩(wěn)的不利組合，壩體安全系數(shù)降低速率大于降雨、洪水單一作用。

(4)按照五等尾礦壩安全運行的穩(wěn)定系數(shù)要求，穆棱尾礦庫在降雨、洪水單一作用和共同作用下，評定為穩(wěn)定級。