尾礦庫(kù)壩體加高方案排水分析

徐維生，柴軍瑞，李娟娟，白 勇，陳興周，

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西西安710048;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710065)

尾礦壩的穩(wěn)定涉及到下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、工程安全、經(jīng)濟(jì)效益，近些年國(guó)內(nèi)有些尾礦壩失事給工程帶來(lái)了嚴(yán)重的損失。排水分析是尾礦壩穩(wěn)定問(wèn)題的重要組成部分[1-6]。重新建設(shè)一個(gè)尾礦壩需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，在工程允許范圍內(nèi)，有些工程單位在原尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行加高設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)尾礦庫(kù)的使用年限[7-8]。但是尾礦庫(kù)加高之后，必然帶來(lái)尾礦庫(kù)整體浸潤(rùn)面的提高，對(duì)穩(wěn)定是非常不利的，因此在確定加高方案之前一定要做尾礦庫(kù)排水分析[9-10]。以一實(shí)際工程鉆孔實(shí)測(cè)水位反演滲透參數(shù)，進(jìn)行加高方案排水分析，以便為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 基本資料

某金礦尾礦庫(kù)1996年9月開(kāi)始組織施工，屬山谷形尾礦庫(kù)，1998年6月竣工并投入運(yùn)行，1999年5月4日通過(guò)了陜西省勞動(dòng)廳組織的竣工驗(yàn)收。尾礦庫(kù)壩址選在距東溝溝口1 400 m處的狹窄地段，由兩期壩組成。初期壩為碎石土壩，用碎石土逐層碾壓筑壩，壩高28 m，壩頂寬3.5 m，壩上游坡為1∶1.7，下游坡為1∶2.2，下游坡設(shè)2條寬2 m的馬道;后期壩為尾礦堆積壩，共設(shè)6個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)寬2 m，最大堆積高度69 m，堆積外坡為1∶5.0，內(nèi)坡為自然沉積坡1∶100，平均年堆積高度2.76 m，最終總壩高97 m，總庫(kù)容為1.29×107m3，尾礦庫(kù)匯水面積10.125 km2，尾礦庫(kù)類別為三等庫(kù)，服務(wù)年限25 a。

尾礦庫(kù)分為初期壩(28 m)和后期堆積壩(69 m)形成整個(gè)的尾礦庫(kù)，庫(kù)內(nèi)設(shè)有5個(gè)排水井、一支排洪涵洞、回水泵站一座，壩面設(shè)置有平臺(tái)、排水溝、截洪溝、簡(jiǎn)易公路(1 500 m)、馬道，在壩體上游設(shè)置攔洪壩。

受該礦業(yè)有限責(zé)任公司委托，在《某礦業(yè)有限責(zé)任公司尾礦庫(kù)現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告》(西北有色勘測(cè)工程公司編制，2008年3月)等資料的基礎(chǔ)上，分析堆積至設(shè)計(jì)壩頂高程1 339 m后再加高20 m時(shí)對(duì)尾礦庫(kù)壩體滲流的影響。

該尾礦壩滲流參數(shù)反演分析以該礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫(kù)現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告為基礎(chǔ)，用三維有限元法進(jìn)行了尾礦壩現(xiàn)狀(勘查時(shí))滲流參數(shù)反演分析，為該尾礦壩加高改造后堆積高程達(dá)1 359 m時(shí)的滲流分析提供依據(jù)。為了充分利用鉆孔勘探資料并突出主要問(wèn)題，該尾礦壩滲流參數(shù)反演分析模型取實(shí)測(cè)鉆空1—8之間的區(qū)域。

2 滲流參數(shù)反演分析

表1—2分別為反演滲透系數(shù)初值和最佳擬合模型滲流參數(shù)值。

表1 反演分析擬合模型滲透系數(shù)取值范圍和試算初值

表2 最佳擬合模型滲流參數(shù)

3 加高方案滲流場(chǎng)數(shù)值分析

該尾礦庫(kù)加高后的滲流數(shù)值分析是在尾礦庫(kù)現(xiàn)狀滲流參數(shù)反演分析的基礎(chǔ)上，以該黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫(kù)加高方案為依據(jù)，采用大型通用軟件ADINA中的ADINA—T模塊，對(duì)尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程時(shí)的滲流場(chǎng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值分析。

3.1 滲流數(shù)值分析依據(jù)

尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程時(shí)滲流數(shù)值分析依據(jù)為:(1)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告;(2)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀勘探點(diǎn)平面布置圖;(3)尾礦庫(kù)治理工程平面圖;(4)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀滲流參數(shù)反演分析報(bào)告所得的最佳擬合滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 滲流數(shù)值分析模型

3.2.1 加高方案 該礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫(kù)加高方案，即在尾礦庫(kù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上從8—8剖面向上游推進(jìn)300 m，然后以1∶5的坡度升高至1 359 m高程。加高方案示意圖見(jiàn)圖1。

3.2.2 模型剖面 計(jì)算模型共取18個(gè)橫剖面作為建模的控制剖面，模型的前8個(gè)控制剖面(剖面1—1至剖面8—8)是以《某尾礦庫(kù)現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告》提供的尾礦庫(kù)工程地質(zhì)剖面圖1—1至8—8為依據(jù);模型的后8個(gè)控制剖面(剖面12—12至剖面19—19)依據(jù)該黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫(kù)治理工程平面圖得出。

3.2.3 計(jì)算模型 尾礦庫(kù)加高方案的計(jì)算模型包含初期堆石壩、尾礦壩體、風(fēng)化碎石層，模型區(qū)域選取初期壩壩趾斷面到19—19橫剖面之間的區(qū)域。

3.3 滲流數(shù)值分析工況

滲流數(shù)值分析將尾礦壩體加高到1 359 m高程后，干灘長(zhǎng)度為0 m時(shí)作為第一種計(jì)算工況;尾礦壩體加高到1 359 m高程后，干灘長(zhǎng)度為50 m時(shí)作為第2種計(jì)算工況。

圖1 尾礦庫(kù)加高方案示意圖(注:圖中數(shù)據(jù)為剖面編號(hào))

3.4 滲流分析計(jì)算

尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程時(shí)的滲流計(jì)算采用三維有限元法，應(yīng)用大型通用軟件ADINA中的ADINA—T模塊對(duì)加高后的尾礦壩體進(jìn)行計(jì)算分析。

3.4.1 邊界條件 滲流計(jì)算模型的邊界條件為

(1)第1類邊界條件。將初期堆石壩的壩趾斷面和19—19橫剖面作為已知水頭邊界條件，其上水頭分別為1 242 m(初期壩壩趾高程)和1 359 m(尾礦壩體加高后最高水位)。

(2)第2類邊界條件。將風(fēng)化碎石層和基巖的交界面作為已知流量邊界條件，通過(guò)此交界面的滲流量為0。

(3)在初期堆石壩的壩趾斷面和19—19橫剖面之間存在一個(gè)具體位置待定的滲流自由面(包括溢出線)，通過(guò)此滲流自由面的滲流量為0，且其上各點(diǎn)的水頭等于相應(yīng)點(diǎn)的位置高程。

3.4.2 計(jì)算參數(shù) 計(jì)算模型中各分區(qū)滲透參數(shù)采用表2的最佳擬合計(jì)算值。

3.4.3 計(jì)算結(jié)果 2種工況下計(jì)算的自由面溢出點(diǎn)局部放大圖見(jiàn)圖2—3。

圖2 工況1溢出點(diǎn)局部放大圖

圖3 工況2溢出點(diǎn)局部放大圖

(1)尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程后，工況1與工況2的計(jì)算結(jié)果均表明，滲流自由面及滲流溢出點(diǎn)的位置很高，這與尾礦庫(kù)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上從8—8橫剖面向上游推進(jìn)300 m后，增加了日排放量，再以1∶5的坡度升高到1 359 m高程有較大關(guān)系。

(2)尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程后，若仍采用現(xiàn)狀排滲方案，高水位可能導(dǎo)致整個(gè)尾礦堆積體處于飽和狀態(tài)。因此，尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程后必須加強(qiáng)排滲設(shè)施。

4 結(jié)論

(1)尾礦庫(kù)加高到1 359 m高程后，在進(jìn)行靜力分析與穩(wěn)定分析時(shí)，尾礦壩體滲流自由面位置(或滲流浸潤(rùn)線位置)應(yīng)采用工況1的情況。

(2)建議該尾礦庫(kù)加高方案設(shè)計(jì)中，在尾礦壩體中布設(shè)排滲管等排滲設(shè)施，排滲管的周圍要設(shè)置過(guò)渡層和反濾層，并嚴(yán)格要求施工質(zhì)量以保證排滲設(shè)施良好的工作狀態(tài)。

(3)最佳擬合模型尾礦砂(擬合滲透系數(shù)2.0×10-6m/s)滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于室內(nèi)測(cè)試平均值9.26×10-8m/s(0.008 m/d)。最佳擬合模型滲透系數(shù)中已等效反映了排滲措施的作用。

(4)東溝尾礦壩加高擴(kuò)容改造后堆積高程達(dá)1 259 m，滲流分析時(shí)尾礦砂﹑風(fēng)化巖體和初期壩堆石的模型滲透系數(shù)可分別取為 2.0×10-6，4.0×10-6和 1.0×10-4m/s。

(5)加高后尾礦壩浸潤(rùn)線變高，必須加強(qiáng)防滲排水措施，最好在加高后加設(shè)浸潤(rùn)線觀測(cè)措施。

[1] 趙堅(jiān)，紀(jì)偉，劉志敏.尾礦壩地質(zhì)剖面概化及其對(duì)滲流場(chǎng)計(jì)算的影響[J].金屬礦山，2003(12):24-28.

[2] 胡明鑒，陳守義，郭愛(ài)國(guó)，等.某上游法尾礦壩抗滑穩(wěn)定性淺析[J].巖土力學(xué)，2003，24(S2):254-258.

[3] 蔣衛(wèi)東，李夕兵.尾礦壩浸潤(rùn)線時(shí)空混沌模型及反分析[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，34(6):704-707.

[4] Wu Jun，Wu Yanqin，Lu Jian.Laboratory study of the clogging process and factors affecting clogging in a tailings dam[J].Environmental Geology，2008，54(5):1067-1074.

[5] Li Xi Bing，Jiang We Dong.Monitoring technique for seepage line of tailings dam[J].Journal of Central South University of Technology，2003 ，10(2):130-133.

[6] Liu Hou Xiang，Li Ning，Liao Xue，et al.New technique of combining accretion by cyclone separator and scattertube for tailings dams[J].Journal of Central South University of Technology，2004，11(2):185-191.

[7] 柳厚祥，宋軍，陳克軍.尾礦壩二維固結(jié)穩(wěn)定滲流分析[J].礦冶工程，2002，22(4):8-11.

[8] 李康宏，鄧祥輝，何萌，等.基于鉆孔資料的某尾礦壩滲透系數(shù)反演分析有限元模型建立[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(S1):4329-4332.

[9] 樊躍武，信文山，周志廣.鐵嶺柴河1#尾礦壩數(shù)值模擬及其穩(wěn)定性分析[J].地質(zhì)論評(píng)，2009，55(6):892-896.

[10] 信文山，周志廣.鞍鋼礦業(yè)風(fēng)水溝尾礦壩壩體滲流場(chǎng)數(shù)值分析[J].礦業(yè)工程研究，2009，24(4):30-33.