高勢(shì)能尾礦壩三維滲流穩(wěn)定分析

陳天鐳，秦 婧，汪 軍，冒海軍

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

某尾礦庫始建于1985年，1987年7月建成投入運(yùn)行，其庫型為基本對(duì)稱的V～U峽谷。尾礦庫設(shè)計(jì)最終標(biāo)高1510m，壩高163m（其中：初期壩高83m，堆積壩高80m），總庫容為1901×104m3。按尾礦庫設(shè)計(jì)總庫容、壩高及構(gòu)筑物級(jí)別劃分，該尾礦庫為Ⅱ等庫。

初期壩采用定向爆破一次筑壩，初期壩壩頂標(biāo)高1396.88m，壩軸底標(biāo)高1353m，壩高43.88m，寬16m，壩型為不透水壩。此后分五次對(duì)壩體進(jìn)行了加高，加高后最終初期壩頂標(biāo)高為1435 m，上游坡比1∶1.5，上游坡面鋪設(shè)了土工布，下游坡比為自然堆積坡，增高的壩體均為透水堆石壩。

尾礦庫后期堆積壩設(shè)計(jì)采用上游法尾砂筑壩。從2002年5月至2013年10月，共實(shí)施了28次上游尾砂筑壩。目前堆積壩標(biāo)高約為1485m，總壩高138m，尾砂堆積壩壩高53m，壩長(zhǎng)500m，壩頂寬3m，沉積灘坡度l%，正?；厮趲靸?nèi)水位標(biāo)高1481m，沉積灘長(zhǎng)度500m，沉積干灘長(zhǎng)度150m，安全超高4.0m。

在現(xiàn)狀尾礦庫壩體滲透穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行尾礦庫繼續(xù)采用濕排方式至1515m高程、尾礦壩下游增設(shè)干尾礦加固體，濕排方式至1553m高程的三維滲流計(jì)算分析，計(jì)算工況包括正常工況和洪水工況，并考慮尾礦放礦的影響，進(jìn)行尾礦庫壩體滲透穩(wěn)定性計(jì)算分析及評(píng)價(jià)。

在滲流模擬分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算各運(yùn)行工況尾礦庫浸潤線分布、滲透穩(wěn)定性、滲漏量大小等用于指導(dǎo)加固及排滲設(shè)計(jì)是十分必要的。

1 三維滲流有限元網(wǎng)格模型建立

1.1 尾礦庫沉積地層分區(qū)

開展尾礦壩三維滲流分析，首先要根據(jù)放礦方式來確定其尾礦沉積規(guī)律。尾礦庫至目前為止（尾礦壩1500m高程以下）為濕排生產(chǎn)方式，尾礦砂漿液采用管道輸送入尾礦庫后，沿運(yùn)動(dòng)路徑逐漸實(shí)現(xiàn)固相沉積，同時(shí)也完成了礦物顆粒按大小和密度而形成的自然分選。

在這沉積過程中，會(huì)形成若干不同尾礦土層帶，一般包括以下幾個(gè)基本帶：①?zèng)_積灘的干灘段；②沖積灘的過渡段；③沖積灘的水下沉積段；④沉淀區(qū)。依據(jù)尾礦沉積規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取樣分析成果，對(duì)尾礦沉積層進(jìn)行了概化和歸并，主要?jiǎng)澐譃椋何卜凵皩?、尾粉土層、尾粉質(zhì)黏土層和尾黏土層。

1.2 三維滲流有限元網(wǎng)格劃分

結(jié)合尾礦庫原設(shè)計(jì)1500m及濕排至1515m、1553m高程堆積方案，本次主要說明堆積壩壩頂高程1553m運(yùn)行工況的三維滲流有限元模型：

其主要用于計(jì)算分析擴(kuò)能采用干尾礦加固壩體后濕排到1553m高程時(shí)尾礦庫三維滲流場(chǎng)分布情況，該模型考慮加壓棱體等擴(kuò)能措施。模型由66個(gè)建模剖面控制自動(dòng)剖分生成，共生成48952個(gè)有限元單元和48765個(gè)節(jié)點(diǎn)，其整體三維有限元網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 尾礦庫三維有限元網(wǎng)格整體模型圖（壩頂高程1553m）

由于三維滲流場(chǎng)難以清晰表達(dá)壩體內(nèi)滲流場(chǎng)的分布情況，研究通過對(duì)三維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值的方式給出若干典型剖面的滲流場(chǎng)分布圖。

2 堆積壩1553m運(yùn)行工況下尾礦壩滲流場(chǎng)分析結(jié)果

尾礦庫采用濕排方式運(yùn)行至1553m高程尾礦壩的滲流場(chǎng)分布、浸潤線埋深、滲透梯度等情況分析如下。

2.1 庫區(qū)滲流場(chǎng)分布

當(dāng)尾礦壩濕排至1553m高程時(shí)，假設(shè)干灘長(zhǎng)度為100m，沉積灘坡度按1%考慮。按照設(shè)計(jì)，初期壩下游建有廢石攔砂壩設(shè)置反坡加壓棱體，在反坡加壓棱體下游建有截滲壩，模型計(jì)算中按照截滲池內(nèi)有1m深的蓄水考慮下游水位。模型中其它垂直截取邊界設(shè)為隔水邊界。

圖2給出了堆積壩壩頂標(biāo)高1553m運(yùn)行工況（濕排方式）的庫區(qū)整體滲流場(chǎng)的地下水位等勢(shì)線分布情況。

圖2 堆積壩1553m壩高運(yùn)行工況下整體滲流場(chǎng)分布圖

從總體上看，在濕排至1553m運(yùn)行條件下，尾礦庫滲流場(chǎng)在堆積壩壩體部位與現(xiàn)狀運(yùn)行高程（1500m）、濕排至1515m運(yùn)行高程的滲流場(chǎng)分布較為相似，只是浸潤線埋深有一定差別。從圖中可以看出：

（1）在堆積壩壩軸線（1553m）上游側(cè)，庫盆水位1552m，庫區(qū)和周邊山體的地下水位較高，地下水水位基本上在1530m以上。在堆積壩壩軸線下游側(cè)山體內(nèi)，地下水等勢(shì)線分布較為均勻，庫水通過壩體、壩基和兩岸山體向下游滲透，最后通過干尾砂加固體底部導(dǎo)水盲溝排泄至下游截滲池或通過山體排泄至下游山谷。

（2）在尾礦堆積壩部位，地下水位等勢(shì)線分布比較均勻，堆積壩壩坡部位的地下水位在1530m～1390m之間，埋深較大（一般大于20m）。

（3）在初期壩下游設(shè)置反坡加壓棱體部位，上游庫區(qū)滲水通過干尾砂加固體底部導(dǎo)水盲溝排泄，由于防滲膜作用，滲水不進(jìn)入干尾砂加固體，因此初期壩下游反坡加壓棱體部位的浸潤線與防滲膜重合。

總體上看，濕排至1553m壩高運(yùn)行工況下尾礦堆積壩中的浸潤線埋深也較大（埋深均超過17m），且下游反坡加壓棱體部位沒有滲流出逸點(diǎn)，地下水位線分布比較均勻，滿足規(guī)范對(duì)尾礦壩滲流浸潤線埋深的要求。

2.2 典型剖面滲流場(chǎng)特點(diǎn)

為進(jìn)行尾礦庫滲流場(chǎng)分析，選取三個(gè)典型剖面進(jìn)行滲流場(chǎng)分布分析，3個(gè)典型剖面編號(hào)分別為：滲流監(jiān)測(cè)剖面1、2、3（位置見圖3）。

圖3 滲流場(chǎng)典型剖面位置設(shè)置圖

為描述堆積壩頂標(biāo)高1553m運(yùn)行工況下尾礦壩滲流場(chǎng)分布特點(diǎn)，經(jīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果整理分析，將其繪制滲流場(chǎng)分布圖。從這些典型剖面的滲流場(chǎng)分布情況可以看出以下特點(diǎn)：①尾礦壩的地下水浸潤線起始于庫區(qū)灘面淹沒線上，在堆積壩內(nèi)基本上沿著尾粉質(zhì)粘土與尾粘土分界線下行。浸潤線在越過初期壩上游壩面防滲膜頂部進(jìn)入初期壩內(nèi)而迅速降低，初期壩內(nèi)浸潤線基本上位于初期壩堆石區(qū)底部或山溝的砂礫石覆蓋層中，因此滲流浸潤線在初期壩中的埋深普遍都很大，在下游廢石攔砂壩腳處逸出或經(jīng)山谷覆蓋層滲入下游溪谷中；②尾礦壩浸潤線埋深較大，剖面1其浸潤線埋設(shè)最小為17.5m，剖面2其浸潤線埋設(shè)最小為26.1m，剖面3其浸潤線埋設(shè)最小為26.2m。尾礦壩的中間壩段剖面（剖面2）上的滲流浸潤線埋深更大些，而在靠近兩岸壩頭的剖面（剖面1、3）上滲流場(chǎng)浸潤線埋深稍小些。

上述尾礦壩滲流場(chǎng)浸潤線分布規(guī)律與本工程的初期壩和堆積壩設(shè)計(jì)特點(diǎn)有密切關(guān)系。①最早的初期壩為定向爆破堆石壩，上游側(cè)內(nèi)坡鋪設(shè)有一層聚乙烯防滲膜，并在上游壩腳處覆蓋層進(jìn)行了粘土截滲處理，在壩高1392m以下壩體上游側(cè)形成一個(gè)不透水層。之后采用堆石廢料先后進(jìn)行了六次加高擴(kuò)建，這部分的堆石加高初期壩的透水性較大，為透水壩。這樣的初期壩結(jié)構(gòu)使得浸潤線進(jìn)入初期壩的位置高于1392m以上，但進(jìn)入初期壩體后迅速降低至壩底位置（初期壩滲透性很大，計(jì)算中其滲透系數(shù)設(shè)為5×10-3cm/s）。②在尾礦堆積壩上，在標(biāo)高1438m、1450m、1454m處鋪設(shè)有軟式透水管（Sh-50）和集水管（PE80-90）作為堆積壩的水平排滲設(shè)施，在1470m往上，每升高5m鋪設(shè)一層軟式透水管和集水管，因此在這樣的壩坡滲流控制系統(tǒng)作用下，尾礦堆積壩中間壩段的滲水就由水平透水管排出，有效地降低了壩體浸潤線埋深。③按照設(shè)計(jì)，堆積壩濕排加高至1553.0m，在初期壩下游設(shè)置反坡加壓棱體，反壓至1480.0m。采用干尾砂分層堆筑、碾壓而成，在干尾砂加固體底部鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝并用防滲膜將其覆蓋，以保證尾礦壩滲水由導(dǎo)水盲溝排出而不進(jìn)入干尾砂加固體。因此，初期壩下游側(cè)的浸潤線就沿著干尾砂底部防滲膜導(dǎo)出。

結(jié)合尾礦壩滲流場(chǎng)分布規(guī)律、壩體和干尾砂加固體滲流浸潤線埋深，尾礦壩在壩頂標(biāo)高1553m運(yùn)行工況下，尾礦壩滲流滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)尾礦壩滲流控制要求的。

2.3 壩體及透水管滲流量計(jì)算分析

在三維滲流場(chǎng)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算了尾礦庫庫水通過初期壩體和周邊山體滲向下游的總滲流量。計(jì)算結(jié)果顯示，在堆積壩壩頂標(biāo)高1553m運(yùn)行工況下，通過初期壩壩軸線處總的滲流量為Q=876.1方/天。

2.4 庫區(qū)各沉積地層滲透梯度計(jì)算分析

由于該工況下尾礦堆積壩體的浸潤線埋深非常大，壩坡上部的尾粉砂層、尾粉土層及初期壩堆石區(qū)大都位于浸潤線以上，所以，只需對(duì)尾粉質(zhì)粘土層和尾粘土層中的滲透梯度分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在所統(tǒng)計(jì)的剖面中，尾粉質(zhì)粘土層的最大滲透梯度值約為0.963，尾粘土層的最大滲透梯度值約為0.378。這些地層的最大滲透梯度值小于其相應(yīng)的允許梯度，且位于壩體內(nèi)部，因此，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，滿足壩體滲透穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語

分析堆積壩堆積至1553.0m時(shí)尾礦壩滲流場(chǎng)結(jié)果如下：

（1）濕排至1553m壩高運(yùn)行工況下尾礦堆積壩中的浸潤線埋深也較大（埋深均超過17m），且下游反坡加壓棱體部位沒有滲流出逸點(diǎn)，地下水位線分布比較均勻，滿足規(guī)范對(duì)尾礦壩滲流浸潤線埋深的要求。

（2）在堆積壩壩頂標(biāo)高1553m運(yùn)行工況下，通過初期壩壩軸線處總的滲流量為Q=876.1m3/d，根據(jù)總滲流量可以進(jìn)行后續(xù)滲水收集設(shè)計(jì)。

（3）尾粉質(zhì)粘土層的最大滲透梯度值約為0.963，尾粘土層的最大滲透梯度值約為0.378。這些地層的最大滲透梯度值小于其相應(yīng)的允許梯度，且位于壩體內(nèi)部，因此，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，滿足壩體滲透穩(wěn)定要求。

通過模型建立及數(shù)值計(jì)算，可以確定尾礦壩的滲流場(chǎng)分布、浸潤線埋深、滲透梯度等情況，通過計(jì)算結(jié)果我們可以人工干預(yù)，進(jìn)行尾礦壩防排滲設(shè)計(jì)，對(duì)尾礦庫設(shè)計(jì)及后期運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。