某干式尾礦庫三維滲流分析

王振興

摘要：關于干式堆存尾礦庫防滲方式與三維滲流分析之間的研究很少。某干式尾礦庫設計采用初期壩內(nèi)坡及庫區(qū)整體防滲，碎石排滲井及排滲褥墊排滲，使用Autobank_3d建立三維模型，進行有無排滲褥墊條件下的浸潤面及浸潤線分析。結果表明：未布設排滲褥墊時，下游壩坡右岸拐彎處浸潤面埋深較淺，并有出逸區(qū)域出現(xiàn)；布設排滲褥墊后，浸潤面的埋深能達到12 m以上，即排滲褥墊對滲流影響顯著。

關鍵詞：干式尾礦庫；防滲；三維滲流；排滲褥墊；浸潤線

中圖分類號：TD926.4文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）05-0088-04doi：10.11792/hj20230519

引言

近年來，隨著新的環(huán)保政策及GB 18599—2020《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標準》［1］的實施，庫區(qū)防滲成為大多數(shù)尾礦庫設計的基本要求。尾礦庫庫區(qū)防滲又分為內(nèi)坡防滲和壩底防滲，內(nèi)坡防滲即防滲體位于初期壩內(nèi)坡及尾礦庫庫區(qū)，壩底防滲即防滲體位于初期壩底部及尾礦庫庫區(qū)。

對于濕排尾礦庫，通常情況下多采用壩底防滲，因為內(nèi)坡防滲會導致浸潤線從堆積壩壩面溢出，嚴重影響壩體穩(wěn)定性。若要控制浸潤線埋深，保證壩體安全，運營期堆積壩排滲設施至關重要［2］。對于近年來因環(huán)保政策嚴格而逐漸興起的干式尾礦庫［3］，多數(shù)仍采用壩底防滲，但初期壩壩底防滲層清基平整工程量大，防滲體施工難度大，造成工程投資增加。目前，少數(shù)干式尾礦庫采用內(nèi)坡防滲，實際運行效果良好，壩體安全可以保證，但缺少相應的理論支撐。

某干式尾礦庫壩高190 m，初期壩高40 m，堆積壩高150 m，初期壩內(nèi)坡及庫區(qū)整體防滲（由下至上依次敷設4 800 g/m2膨潤土防水毯+1.5 mm HDPE膜）［4-6］。本文通過對某干式尾礦庫的三維滲流研究，分析了庫區(qū)排滲褥墊和浸潤線之間的關系，為初期壩內(nèi)坡及庫區(qū)整體防滲的干式尾礦庫防滲方式設計提供相應的理論支撐。

1工程概況

某干式尾礦庫位于豫西某縣，主要用來堆存金礦尾礦，尾礦脫水選擇5臺800 m2板框壓濾機（4用1備）。脫水后尾礦采用槽式皮帶機輸送至尾礦庫庫區(qū)堆存。尾礦庫設計總壩高190 m，其中，初期壩高40 m，堆積壩高150 m，總庫容約1 707.24萬m3，屬于二等庫。

初期壩為不透水土石壩，筑壩材料采用庫區(qū)爆破土石料。壩頂標高640 m，壩底標高600 m，最大壩高40 m，壩長127 m，壩頂寬5 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.75。為滿足環(huán)保要求，在初期壩內(nèi)坡設防滲層，該防滲層與庫區(qū)防滲層連為一體，防滲層由下至上依次為：300 mm厚砂礫石保護層，4 800 g/m2膨潤土防水毯和1.5 mm HDPE膜。

尾礦庫采用上游式尾礦筑壩，最終堆積標高790 m，堆積壩高150 m，平均堆積坡度1∶4.0。每級子壩高10 m，每級子壩頂部布置5 m寬的馬道。

由于初期壩內(nèi)坡及庫區(qū)整體敷設防滲層，為降低庫區(qū)浸潤線埋深，設計在初期壩壩踵附近布置一座分期實施的直徑3 m的碎石排滲井，碎石層外側布置300 mm厚的砂礫石，砂礫石采用500 g/m2土工布包裹。排滲井底部標高610 m，頂部標高640 m，排滲井滲水通過滲流支排水隧洞排至主排水隧洞。

尾礦庫右岸山坡及溝底布置排滲褥墊，底寬1.5 m，高1.0 m，頂寬3.0 m，其末端與碎石排滲井相連。

2計算方法及參數(shù)

2.1計算模型

尾礦庫庫區(qū)及壩體具有明顯三維特征，建立較為真實的三維模型對滲流場的準確模擬具有重要意義。本次計算使用Autobank_3d建立計算模型。Autobank_3d是河海大學研發(fā)的一款三維滲流計算軟件，能根據(jù)等高線及壩體設計斷面生成三維地形、壩體及材料分區(qū)。內(nèi)核計算模塊采用有限元計算模塊。尾礦庫三維模型見圖1，排滲井位置見圖2。尾礦庫庫區(qū)縱斷面見圖3。

2.2計算方法

2.2.1達西定律

假定尾礦庫滲透水流的運動符合達西定律，即水的滲流速度與水力坡度成正比，其數(shù)學表達式為：

v=kJ（1）

式中：v為平均滲流速度（m/s）；k為介質的滲透系數(shù)（m/s）；J為水力坡度。

在實際的地下水流中，水力坡度往往各處不同，此時達西定律的一般性表達式為：

v=-kdHds（2）

式中：-dHds為水力坡降。

2.2.2壩坡滲流破壞判別

地下水在土體內(nèi)流動過程中，作用在土體中的滲流作用力有2種，靜水壓力（浮容重）和動力壓力（滲透力），均為體積力。

位于自由水面以下壩坡表面層的單位土體，只有當靜水壓力與動水壓力的合力克服了土體顆粒對其的摩擦阻力時，土體才可能沿斜坡下滑。若滲流的流線與水平面之間的夾角為θ，壩坡坡角為β，則斜坡表面單位土體力的極限平衡方程式為：

γ′sin β+γwJccos（β-θ）=

γwJcsin（β-θ）］tan φ+C（3）

式中：γ′為靜水壓力（kN/m3）;γw為水容重（kN/m3）；Jc為臨界水力坡度;φ為土體的內(nèi)摩擦角（°）;C為內(nèi)聚力（kPa）。

在壩體浸潤線與壩坡交點處，由于浸潤線與壩坡面相切，此處的流線平行于壩坡面向下，即θ= β，由極限平衡方程式得臨界水力坡度為：

Jc=γ′γwcos β（tan φ-tan β）+Cγw（4）

因沿壩坡面，水力坡度Jc=sin β。假定γ′＝γw，則得tan β=12tan φ，即為邊坡保持穩(wěn)定的臨界狀態(tài)數(shù)學表達式。此式可作為判斷壩坡在滲流出逸時發(fā)生滲流破壞的標準，當tan β<12tan φ時，壩坡在滲流出逸時將不會發(fā)生滲流破壞；當tan β=12tan φ時，壩坡處于極限平衡狀態(tài)；而當tan β>12tan φ時，則壩坡將發(fā)生滲流破壞。

對于尾礦庫內(nèi)堆存的尾砂，由于其內(nèi)聚力C一般較小，內(nèi)摩擦角一般在25°～30°。如果堆積壩平均堆積坡比高于1∶3，則會出現(xiàn)壩坡出逸；若未布置貼坡反濾，壩坡滲流破壞的風險比較大，因此應該盡量避免壩坡出逸。

2.3計算參數(shù)

為了防止尾礦庫庫內(nèi)尾砂滲濾液污染環(huán)境，依據(jù)GB 18599—2020 《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標準》［1］和HJ 943—2018 《黃金行業(yè)氰渣污染控制技術規(guī)范》［7］，設計在尾礦庫庫底至初期壩內(nèi)坡由下至上整體敷設4 800 g/m2膨潤土防水毯及1.5 mm HDPE膜，庫區(qū)整體不透水。因此，本次計算的滲流發(fā)生在干堆尾砂中，計算模型的材料包括初期壩（不透水）、干堆尾砂、碎石排滲井及排滲褥墊，各計算分區(qū)滲透系數(shù)由工程經(jīng)驗確定，見表1。最高洪水位控制為787.49 m。

3計算結果

如果只考慮排滲井，不考慮排滲褥墊，在最高洪水位下滲流計算結果見圖4、圖5。滲流結果顯示，滲透水流主要從排滲井排出，但由于尾礦庫體積增大及體型的特殊（受溝谷自然地面影響，壩坡下游走向拐彎），壩體下游右岸與山體結合處及靠近初期壩內(nèi)側有水位壅高現(xiàn)象，浸潤面埋深較淺，出現(xiàn)一定面積的出逸區(qū)域，尾礦庫存在滲流破壞的風險。

由圖4、圖5可知：在最高洪水位工況下出現(xiàn)一定面積的浸潤面埋深較小區(qū)域及出逸區(qū)域，尾礦庫存在滲流破壞的風險，可能危及壩體穩(wěn)定性，因此設計在庫區(qū)右岸至初期壩內(nèi)坡腳布置碎石排滲褥墊（見圖6）?？紤]排滲褥墊，最高洪水位下滲流計算結果見圖7、圖8。

對比圖7、圖8與圖4、圖5可知：在庫區(qū)布置排滲褥墊后，滲透水流通過排滲褥墊導入排滲井排出尾礦庫。庫區(qū)浸潤線明顯降低，壩體下游右岸的出逸區(qū)域基本消失，浸潤面埋深較淺區(qū)域減少，下游壩坡絕大部分區(qū)域埋深達到12 m以上，排滲效果良好。尾礦庫不存在滲流破壞的風險，壩體穩(wěn)定性可以保證。

4 結論

1）運用滲流理論對初期壩內(nèi)坡及庫區(qū)整體防滲的干式尾礦庫進行了三維滲流分析計算，壩頂標高達790 m時，下游初期壩內(nèi)坡附近即下游壩坡右岸拐彎處浸潤面埋深較淺，并有出逸區(qū)域出現(xiàn)。采取排滲褥墊措施后，滲流狀態(tài)得到較大改善，浸潤面的埋深能達到12 m以上。

2）對于干式尾礦庫防滲，建議采用內(nèi)坡防滲，并采取適當?shù)呐艥B措施，既可保證壩體安全，又可降低防滲層施工難度，降低項目投資。

3 ）該工程設計方案可行，尾礦壩滲透穩(wěn)定性有保證。但是，由于尾礦壩尾砂滲透規(guī)律的不確定性等多種因素，計算結果和實際情況有差別。因此，生產(chǎn)過程中的滲流安全監(jiān)測非常重要。需要觀測、記錄、整理各個監(jiān)測斷面的浸潤線高度，并與理論計算結果對照分析，總結浸潤線變化規(guī)律。如果與理論結果有很大差距，需要及時分析原因，必要時根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行尾礦壩滲流反饋分析。

［參 考 文 獻］

［1］生態(tài)環(huán)境部，國家市場監(jiān)督管理總局.一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標準：GB 18599—2020［S］.北京：中國環(huán)境出版集團，2020.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.尾礦設施設計規(guī)范：GB 50863—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［3］國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.尾礦庫安全規(guī)程：GB 39496—2020［S］.北京：中國標準出版社，2020.

［4］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.天然鈉基膨潤土防滲襯墊：JC/T 2054—2020［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2020.

［5］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.土工合成材料聚乙烯土工膜：GB/T 17643—2011［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.土工合成材料應用技術規(guī)范：GB/T 50290—2014［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［7］環(huán)境保護部.黃金行業(yè)氰渣污染控制技術規(guī)范：HJ 943—2018［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2018.

3D seepage analysis of a dry stacking tailings pondWang Zhenxing

（Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.）

Abstract：Few pieces of research are carried out on the anti-seepage mode of dry stacking tailings ponds and 3D seepage analysis .A dry stacking tailings pond was designed to carry out early dam internal breaking and overall anti-seepage within the pond area，and discharge seepage with gravel discharge wells and discharge pads.Autobank 3D is used to establish a 3D model and analyze the seepage face and seepage line in the absence of seepage discharge pads.The results show that without seepage discharge pads，the seepage face is buried shallow at the turning of the right bank of the downstream dam slope and runaway areas appear;with seepage discharge pads，the burial depth of the seepage face can reach over 12 m，which means that the seepage discharge pads have a great influence on seepage.

Keywords：dry stacking tailings pond;anti-seepage;3D seepage;seepage discharge pad;seepage line