某尾礦庫三維滲流安全分析與探討

張娟 李玉雷 喬燕飛

（1.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院 河北石家莊 050021; 2.中核第四研究設(shè)計工程有限公司 河北石家莊 050021）

某尾礦庫三維滲流安全分析與探討

張娟1李玉雷2喬燕飛1

（1.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院 河北石家莊 050021; 2.中核第四研究設(shè)計工程有限公司 河北石家莊 050021）

本文基于有限元理論建立了某尾礦庫最終維積標(biāo)高時的三維滲流模型，計算了該尾礦庫空間形態(tài)的孔隙水壓力及滲透坡降，給出了該尾礦庫的最大滲透坡降及典型剖面浸潤線，分析了該尾礦庫的滲流安全性并對尾礦庫的安全運(yùn)行提出了建議。

尾礦庫 三維滲流 浸潤面 滲透坡降

1 概況

某尾礦庫區(qū)域溝谷發(fā)育，斷面呈“V”字型。區(qū)內(nèi)植被以灌木為主，無耕地，局部基巖裸露。庫區(qū)基巖為侏羅紀(jì)白旗組火山巖、早古生代石英閃長巖和均質(zhì)混合巖，庫區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)活動斷裂構(gòu)造。庫區(qū)水文條件簡單，存在季節(jié)性溪流。擬建尾礦庫為山谷型，采用上游法進(jìn)行堆積筑壩。

該尾礦庫主要包括的初期壩、尾礦堆積壩、排洪設(shè)施、排滲設(shè)施、觀測設(shè)施及其它輔助設(shè)施等?？値烊菁s為13280萬m3，設(shè)計總壩高176m，屬二等庫。

初期壩：根據(jù)尾礦庫區(qū)地形，初期壩位于溝口狹窄處。初期壩采用透水堆石壩，壩底標(biāo)高594m，壩頂標(biāo)高650m，壩頂寬4m，壩高56m，壩軸線長450m，初期壩內(nèi)坡坡比為1;1.6，外坡坡比為1:1.8，壩體外坡每隔10m高差設(shè)一寬2m的馬道。

堆積壩：根據(jù)庫區(qū)地形條件確定尾礦最終堆積標(biāo)高為770m，總壩高176m，堆積壩平均外坡比1:5。

為使后期尾礦壩能均勻上升，要求采用上游式分散放礦方法的筑壩工藝進(jìn)行筑壩。采用人工及機(jī)械方法堆筑子壩。每期子壩高度為2m，頂寬6m，子壩外邊坡為1:2.0，內(nèi)邊坡為1:2.0，每期子壩向內(nèi)位移寬度為3.5m，每10m高差留一寬6m的坡面平臺。

排滲設(shè)施：每堆積10m高差設(shè)置水平排滲設(shè)施。水平排滲設(shè)施距坡面距離約80m，在770平臺中部為保證尾礦庫浸潤線埋深滿足規(guī)范要求，增加一道排滲體。壩體與山坡相交處設(shè)置貼坡排滲體。

觀測設(shè)施：尾礦庫為二等庫，應(yīng)設(shè)置在線安全監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容包括壩體位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、庫內(nèi)水位觀測等。

2 三維滲流模型的建立

在目前的分析方法中，由于有限元方法能有效的處理復(fù)雜的邊界條件、材料的非均質(zhì)性、材料的各向異性，并能方便的求解三維問題，因此在工程中廣泛應(yīng)用。

根據(jù)尾礦庫總平面圖及剖面圖，建立三維有限元數(shù)值計算模型。依據(jù)勘察報告，尾礦庫庫區(qū)基巖及周圍山體為微透水或不透水材料，滲流穩(wěn)定性計算主要針對壩體堆積的尾礦及初期壩透水堆石料而進(jìn)行。對尾礦庫三維滲流計算模型的邊界條件確定如下：

庫區(qū)尾礦沉積灘頂、沉積灘面、堆積壩坡面、初期壩頂部及其下游坡面確定為透水邊界；庫區(qū)底部基巖及周圍山體為不透水邊界。排滲體根據(jù)

設(shè)計確定，庫內(nèi)水位按最高洪水位767m計算。

三維滲流模擬計算時，假定尾礦堆積壩體內(nèi)只發(fā)生水的運(yùn)移，并假設(shè)水的流動符合達(dá)西滲流定律，壩體滲流為穩(wěn)定流。

滲流計算時不考慮尾礦顆粒的運(yùn)移，同時不考慮壩體的位移及變形情況。

尾礦排放于壩前分段交替作業(yè)，壩體均勻上升，粗粒尾礦沉于壩前，細(xì)粒尾礦排至庫內(nèi)。

經(jīng)上述簡化后，建立尾礦庫堆至最終770m標(biāo)高的三維實(shí)體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 尾礦壩堆至770m標(biāo)高時三維網(wǎng)格劃分圖

壩體滲流穩(wěn)定計算中各尾礦層的滲透指標(biāo)參照勘察報告有關(guān)參數(shù)進(jìn)行選取。

表1 尾礦庫壩體各巖土層滲透系數(shù)

3 尾礦庫770m標(biāo)高時三維滲流計算結(jié)果

三維滲流計算結(jié)果以彩色云圖形式給出。在浸潤面云圖中，孔隙水壓力為零處即為浸潤面，孔隙水壓力為負(fù)的區(qū)域?yàn)榉秋柡蛥^(qū)，孔隙水壓力為正的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。在滲透比降云圖中，位于浸潤面以上的非飽和區(qū)域不會發(fā)生滲透破壞。

3.1 尾礦庫浸潤面（線）

圖2 尾礦庫浸潤面右視云圖（孔隙水壓力為0值）

圖3 尾礦庫浸潤線左視云圖

圖4 尾礦庫孔隙水壓力剖面云圖

圖5 B剖面浸潤線示意圖（孔隙水壓力為0值）

根據(jù)圖2～圖5所示，770m標(biāo)高洪水工況時，浸潤面在排滲體位置處降低，尾礦堆積壩坡浸潤面最小埋深約為12.6m，滿足設(shè)計浸潤線控制埋深10m的要求。

3.2 尾礦庫滲流坡降

770標(biāo)高壩體及庫區(qū)滲流坡降分布見下圖。

圖6 尾礦庫滲流坡降右視云圖

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.021

TV698

B

1672-2469(2014)12-0059-02

張娟（1983年—），女，工程師。