某山谷型尾礦庫(kù)三維滲流場(chǎng)模擬分析

曹紀(jì)剛 樂(lè) 陶

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

尾礦庫(kù)是堆存金屬及非金屬等礦山選礦廢棄物的構(gòu)筑物，其數(shù)量隨國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源的巨大需求而快速增加。我國(guó)現(xiàn)有尾礦庫(kù)1 500余座［1］，尾礦庫(kù)的重大事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，也給企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失，在社會(huì)上造成極壞的影響。因此，需要做好尾礦壩的安全管理工作，提高壩體的穩(wěn)定性，而尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)作為影響其穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素也就顯得尤為重要。

1 三維滲流場(chǎng)有限元原理［2-4］

非均質(zhì)各向異性多孔隙介質(zhì)中的穩(wěn)定飽和滲流連續(xù)微分控制方程為

式中，xi為橫坐標(biāo)，i=1，2，3;kij為二階對(duì)稱(chēng)的達(dá)西滲透系數(shù)張量，描述巖體的滲透各向異性;h=x3+p/γ為總水頭，x3為位置水頭，p/γ為壓力水頭;Q為滲流域中的源或匯項(xiàng)。

邊界條件:

式中，h1為已知水頭函數(shù);ni為滲流邊界面外法線方向余弦，i=1，2，3;Γ1、Γ2分別為已知水頭的第一類(lèi)、第二類(lèi)滲流邊界條件;Γ3為位于滲流域中滲流實(shí)區(qū)和虛區(qū)之間的滲流自由面;Γ4為滲流逸出面; qn為邊界面法向流量，流出為正。式(1)～(5)均采用張量記法。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某尾礦庫(kù)三面環(huán)山，屬低山丘陵地帶，坡腳較陡。庫(kù)區(qū)總匯水面積0.3 km2，地下水的補(bǔ)給受大氣降水和尾礦庫(kù)蓄水的影響和控制，影響尾礦壩穩(wěn)定性的地下水因素主要來(lái)自尾礦堆積體中的地下水徑流因素。庫(kù)區(qū)內(nèi)主要地層為新近沖填尾礦堆積體、第四系全新—更新統(tǒng)天然土層、三疊系地層。第四系土層透水性微弱，不具有統(tǒng)一的水力坡度，是相對(duì)的隔水層。

2.2 參數(shù)選取

滲透試驗(yàn)中得出的滲透系數(shù)為垂直滲透系數(shù)值，且尾砂中含有諸多細(xì)粒夾層，故表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，一般將水平滲透系數(shù)設(shè)成垂直滲透系數(shù)的10倍來(lái)進(jìn)行考慮。材料三向滲透系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 各材料三向滲透系數(shù)取值 cm/s

2.3 有限元建模和計(jì)算方案

為了盡可能正確地模擬拐沖尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的滲流場(chǎng)，本次計(jì)算以庫(kù)區(qū)初期壩及尾礦堆積的實(shí)際情況、巖體水文地質(zhì)特性結(jié)果及山體地形地貌狀況等為依據(jù)，對(duì)地質(zhì)剖面進(jìn)行簡(jiǎn)單概化［5］，合理地選擇庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)計(jì)算域大小以及確定其滲流的邊界條件，對(duì)材料進(jìn)行合理分區(qū)。對(duì)預(yù)埋排滲盲溝，則將其表面看作可能浸出面來(lái)進(jìn)行處理。

網(wǎng)格單元主要是八結(jié)點(diǎn)六面體空間等參單元，同時(shí)輔以六節(jié)點(diǎn)五面體空間等參單元，從而最終形成疏密有致的、質(zhì)量較高的三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格。圖1為現(xiàn)狀模型，圖2為最終堆積標(biāo)高時(shí)的模型。

3 計(jì)算方案

包括現(xiàn)狀以及最終堆高在正常水位與洪水位等4種工況下的三維滲流場(chǎng)分析。見(jiàn)表2。

表2 不同標(biāo)高下的計(jì)算工況 m

4 結(jié)果分析

由于篇幅限制，本文僅選取中間最高剖面的計(jì)算來(lái)進(jìn)行分析。

由圖3～圖6可以看出，滲流場(chǎng)的規(guī)律基本類(lèi)似，等水頭線分布均勻，相比尾礦而言初期壩的滲透系數(shù)比較大，故在初期壩與尾礦接觸位置水位有一定的陡降趨勢(shì)。

圖3為現(xiàn)狀堆積標(biāo)高下正常水位時(shí)的主剖面等水頭線分布情況。由此可知，浸潤(rùn)線埋深較大，最高位置位于壩頂位置，預(yù)埋的排滲盲溝沒(méi)有發(fā)揮排水降壓作用。

圖4為現(xiàn)狀堆積標(biāo)高下最高洪水位時(shí)的主剖面等水頭線分布情況。由于庫(kù)內(nèi)干灘長(zhǎng)度的減小，該情況下的浸潤(rùn)線整體升高，在壩頂位置變化最大，升高了約5 m，變化最小的地方為初期壩上游側(cè)的位置，大約升高了1 m，排滲盲溝仍然處于失效狀態(tài)。

圖5為最終堆積標(biāo)高正常水位時(shí)的等水頭線，此時(shí)的浸潤(rùn)線埋深較大，但最小埋深相比圖3小了1m，這是由于堆積的坡面陡于尾礦壩內(nèi)部浸潤(rùn)線的坡度，隨著尾礦壩的上升，其下游位置處的浸潤(rùn)線會(huì)有一定程度的上升，此時(shí)的排滲盲溝沒(méi)有發(fā)揮作用。

圖6為最終堆積標(biāo)高最高洪水位時(shí)的等水頭線，與圖5相比，任意位置的浸潤(rùn)線都有不同程度的升高，該工況下的下層排滲盲溝發(fā)揮其排滲作用，使得該局部的浸潤(rùn)線受到了一定程度的控制。

表3為各種工況下的浸潤(rùn)線埋深。

表3 各工況浸潤(rùn)線埋深 m

5 結(jié)論

(1)計(jì)算結(jié)果表明，干灘的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)上游浸潤(rùn)線降低效果越明顯，而對(duì)下游降低效果則不是很明顯;因此，對(duì)該尾礦庫(kù)，運(yùn)行期中通過(guò)對(duì)干灘長(zhǎng)度的控制可有效限制壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的高低，從而保證壩體的安全。

(2)運(yùn)行期間要注意觀測(cè)沉積坡度的變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積坡度變緩時(shí)，則要嚴(yán)格保證干灘長(zhǎng)度、安全超高等符合規(guī)范和設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)對(duì)其調(diào)洪能力進(jìn)行演算。

(3)計(jì)算表明，在相同干灘長(zhǎng)度的前提下，隨著尾礦堆積高度的升高，壩體內(nèi)下游處浸潤(rùn)線的不斷上升。故在尾礦庫(kù)后期堆壩的運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)浸潤(rùn)線的觀測(cè)，而且在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)注意保證排滲盲溝的暢通性，保證其在浸潤(rùn)線較高時(shí)能發(fā)揮其排滲排水的作用。

［1］ 騰志國(guó).關(guān)于尾礦壩地震穩(wěn)定性的分析及評(píng)價(jià)［J］.河北冶金，2003(1):16-17.

［2］ 薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1986.

［3］ 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，1990.

［4］ 陳建余.非穩(wěn)定飽和－非飽和滲流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.南京:河海大學(xué)，2003.

［5］ 趙 堅(jiān)，紀(jì) 偉，等.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):24-27.