尾礦堆積壩滲透系數(shù)比對(duì)浸潤(rùn)線的影響分析

陳星

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院，長(zhǎng)沙410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410012）

尾礦庫(kù)是一種人造的具有高勢(shì)能的泥石流，是重大危險(xiǎn)源［1］，也是礦山三大控制性工程之一［2］。它的運(yùn)營(yíng)好壞不僅影響到礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且與庫(kù)區(qū)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)及周邊環(huán)境息息相關(guān)［3］。近年來(lái)，國(guó)家十分重視尾礦庫(kù)的安全問(wèn)題，而尾礦壩是尾礦庫(kù)的主要構(gòu)筑物，其安全性直接決定了尾礦庫(kù)的安全性。

尾礦壩安全與否的主要影響因素不外乎水和土，土指的是尾礦，而水指的是尾礦庫(kù)中的水［4］。水的存在使尾礦壩的安全受到威脅，但是由于工藝要求不可能除掉水，因此這個(gè)矛盾無(wú)法避免，但可以采取措施盡量降低水對(duì)壩體的危害，那就是降低浸潤(rùn)線的位置［4］。浸潤(rùn)線是尾礦壩的生命線，其高低取決于尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度、尾礦體的滲透性、壩體的形狀與結(jié)構(gòu)、初期壩的滲水性等因素［5］。本文采用二維有限元滲流分析軟件seep／w就如何通過(guò)改變尾礦堆積壩各層尾砂滲透系數(shù)比來(lái)降低浸潤(rùn)線進(jìn)行了分析。

1 二維有限元滲流分析方法［6－7］

首先，根據(jù)滲流運(yùn)動(dòng)微分方程與邊界條件約束建立二維數(shù)學(xué)模型：

采用伽遼金加權(quán)剩余法，設(shè)ˉH（x，y）為區(qū)域Ω上地下水頭的試探解，

令基函數(shù)為權(quán)函數(shù)，代入試函數(shù)ˉH，令權(quán)剩余為零，則權(quán)剩余方程為：

上式把權(quán)剩余在整個(gè)區(qū)域上的積分化為在各個(gè)單元上的積分，然后求和，這樣得到一個(gè)線性方程組。求解此線性方程組，便可得到各節(jié)點(diǎn)的水頭值。三角形單元節(jié)點(diǎn)i、j、m按逆時(shí)針編號(hào)，則：

于是，三角形單元基函數(shù)表達(dá)式為：

滲透矩陣方程為：［Qe］＝［G］e｛H｝e－｛F｝e，其中［G］e為單元滲透矩陣，由于區(qū)域Ω是由M 個(gè)單元組成，將各單元滲透矩陣集合起來(lái)，便得到總滲透矩陣，即［G］｛H｝＝｛F｝。

在第一類邊界上的節(jié)點(diǎn)，水頭H是給定的，無(wú)需計(jì)算。在第二類邊界上的節(jié)點(diǎn)將與節(jié)點(diǎn)L有關(guān)的單元e的列向量｛F｝表示為FLe＝∫Γ2eqNLds。對(duì)于二維滲流情況：

2 滲流計(jì)算

本次滲流計(jì)算以湖南省某尾礦庫(kù)為例。該尾礦庫(kù)坐落在一山谷中，屬山谷型尾礦庫(kù)，采用上游式尾礦筑壩。初期壩為碾壓堆石壩，高40m，設(shè)計(jì)總壩高100m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容238萬(wàn)m3。截至2010年5月，已堆存尾砂約80萬(wàn)m3，全庫(kù)容超過(guò)100萬(wàn)m3，壩高66m。根據(jù)尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程［8］相關(guān)規(guī)定，屬三等庫(kù)。根據(jù)工程地質(zhì)剖面建立計(jì)算模型，工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的各巖土層滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滲透系數(shù)Table 1 Permeability coefficients

本次滲流計(jì)算采用GeoStudio軟件中最常用的三個(gè)基本模塊之一seep／w。GeoStudio系統(tǒng)軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開(kāi)發(fā)商Geo－Slope公司開(kāi)發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水利、地質(zhì)、環(huán)境工程等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一套仿真分析軟件，是全球最知名的巖土工程分析軟件之一。seep／w是一款用于分析多孔滲水材料的有限元軟件，可用于分析從簡(jiǎn)單的、飽和穩(wěn)態(tài)問(wèn)題到復(fù)雜的、飽和—非飽和時(shí)變問(wèn)題。計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computation model

圖2 計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results

圖3 浸潤(rùn)線觀測(cè)孔平面布置圖及實(shí)測(cè)水位Fig.3 Saturation line observation holes layout and water level

對(duì)比圖2和圖3可知：滲流計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線基本相符，說(shuō)明seep／w用于尾礦堆積壩的滲流計(jì)算可以滿足工程上的精度要求。

3 滲透系數(shù)比對(duì)浸潤(rùn)線的影響分析

為了分析尾砂滲透系數(shù)比對(duì)尾礦堆積壩浸潤(rùn)線的影響，以圖1為基本剖面，對(duì)以下兩種情況共14個(gè)工況進(jìn)行分析：情況一，僅改變最上層尾砂滲透系數(shù)；情況二，僅改變次上層尾砂滲透系數(shù)。各層滲透系數(shù)比見(jiàn)表2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

表2 滲透系數(shù)比Table 2 Permeability coefficient ratios

圖4 僅改變最上層尾砂滲透系數(shù)堆積壩浸潤(rùn)線Fig.4 Saturation line when permeability coefficient is changed only in the first upper layer

由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)k1︰k2︰k3在1︰100︰1至10 000︰100︰1和100︰10︰1至100︰100︰1間變化時(shí)，隨著上下層尾砂滲透系數(shù)比的不斷增大，浸潤(rùn)線有所降低，但滲出點(diǎn)變化不大；隨著尾砂滲透系數(shù)比的進(jìn)一步增大，當(dāng)k1︰k2︰k3在10 000︰100︰1至80 000︰100︰1和100︰100︰1至100︰800︰1間變化時(shí)，浸潤(rùn)線起初繼續(xù)有所降低，但從堆積壩中間部位附近開(kāi)始變化較平緩，延伸至初期壩壩前，使?jié)B出點(diǎn)有明 顯抬升。

圖5 僅改變次上層尾砂滲透系數(shù)堆積壩浸潤(rùn)線Fig.5 Saturation line when permeability coefficient is changed only in the second upper layer

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為：當(dāng)上下層尾砂滲透系數(shù)比大于100時(shí)，下層尾砂相對(duì)于上層尾砂而言透水性較小，從而顯現(xiàn)出較強(qiáng)的阻水作用，隨著滲透系數(shù)比的進(jìn)一步增大，浸潤(rùn)線由堆積壩進(jìn)入初期壩的滲出點(diǎn)進(jìn)一步抬升，而且這種抬升趨勢(shì)自滲出點(diǎn)往庫(kù)尾方向延伸。

4 結(jié)論與建議

采用二維有限元滲流seep／w對(duì)湖南某尾礦庫(kù)進(jìn)行了滲流計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線數(shù)據(jù)基本相符，表明seep／w用于尾礦堆積壩滲流計(jì)算符合工程精度的要求。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變尾砂滲透系數(shù)比，分析了滲透系數(shù)比對(duì)浸潤(rùn)線的影響。結(jié)果分析表明：在尾砂堆積壩壩高及分層條件相同的工況下，當(dāng)上下層尾砂的滲透系數(shù)比大于100時(shí)，下層尾砂顯現(xiàn)出較強(qiáng)的阻水作用，浸潤(rùn)線滲出點(diǎn)在初期壩前有明顯抬升，而且這種抬升趨勢(shì)自滲出點(diǎn)往庫(kù)尾方向延伸，從而使浸潤(rùn)線得到抬升，不利于壩體的穩(wěn)定。

因此，為使尾礦壩更加穩(wěn)定安全，在尾砂堆積過(guò)程中，應(yīng)注意放礦工藝及壩體內(nèi)排水、排滲設(shè)施的選擇，努力控制好各級(jí)尾砂的堆存位置，加強(qiáng)排放管理，避免出現(xiàn)軟弱夾層；同時(shí)采取合理的壩內(nèi)排水、排滲設(shè)施以降低滲透系數(shù)不均勻度，組合出合理的滲透系數(shù)比，從而降低尾礦堆積壩浸潤(rùn)線，進(jìn)而提高尾礦壩的整體穩(wěn)定性。

［1］ 田文旗，薛劍光.尾礦庫(kù)安全技術(shù)與管理［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

［2］ 魏作安，尹光志，沈樓燕，等.探討尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中存在的問(wèn)題［J］.有色金屬（礦山部分），2002，54（4）：44－45.

［3］ 沈樓燕，魏作安.探討礦山尾礦庫(kù)閉庫(kù)的一些問(wèn)題［J］.金屬礦山，2002（6）：47－48.

［4］ 楊春和，張超.尾礦壩安全評(píng)價(jià)與病患治理［M］.武漢：湖北人民出版社，2006.

［5］ 晏興榮，王全明，李志榮.尾礦壩植被種草的實(shí)踐和意義［J］.冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，1998，30（6）：62－63.

［6］ 劉北辰.工程計(jì)算力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［7］ 魏作安.細(xì)粒尾礦及其堆壩穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2004.

［8］ 中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究院.尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程（AQ2006—2005）［S］.2005.