大型尾礦庫下游高等級排土場的降雨入滲特性

朱君星 李躍 李從德

家重點實驗室，安徽馬鞍山243000；3. 重鋼西昌礦業(yè)有限公司，四川西昌615041）

摘要：尾礦庫和排土場都是高勢能的泥石流重大危險源，二者的降雨入滲特性均較復(fù)雜。而當(dāng)高等級排土場位于大型尾礦庫的下游時，其復(fù)雜性更不言而喻。通過對太和鐵礦的工程實例分析，計算得到尾礦庫在千年一遇洪水條件下的浸潤線分布，將其導(dǎo)入到排土場中作為初始條件，計算得到初始浸潤線；再據(jù)此分析整個研究區(qū)域的降雨條件下入滲特性。研究結(jié)果表明，尾礦庫內(nèi)的浸潤線分布對下游排土場的影響很大，入滲作用改變了排土場邊坡內(nèi)的地下水滲流場，而地下水的升高則是一個緩慢的過程。

關(guān)鍵詞：降雨入滲；非飽和滲流；尾礦庫；排土場；基質(zhì)吸力

中圖分類號：TD216文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2015）01-0045-05

收稿日期：2014-05-22

作者簡介：朱君星（1977-），男，安徽宿州人，高級工程師，碩士，研究方向：礦山巖土工程水工專業(yè)。

[JZ（〗[WT3BZ]Rainfall Infiltration Characteristics of High-class Dump Downstream of a Large-scale Tailing Pond

ZHU Jun-xing1，2，LI Yue1，2，LI Cong-de3

（1. Maanshan Institute of Mining Research， Sinosteel Group Co. Ltd.， Maanshan Anhui 243000， China； 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine， Maanshan Anhui 243000， China；3. Xichang Mining Co.， Ltd.， Chongqing Iron and Steel Group， Xichan Sichuan 615041， China）

Abstract：Both of tailing pond and waster dump is high-potential fatal danger fountainhead for debris flow， and the infiltration characteristic are all complex of them. Especially， when a high-class dump is downstream of a large-scale tailing pond， the degree of complexity is more self-evident. Based on the engineering instance analysis of Taihe Iron Mining， phreatic line under the case of the millennium of the tailing pond was obtained， which is introduced into the waster dump model as an initial condition to calculate the initial phreatic line. On the basis， the infiltration characteristic in the entire area under rainfall was analyzed. The study results showed that the phreatic line distribution in the tailing pond has great influence on the waster dump at downstream， the groundwater seepage field in the dump was changed by the infiltration， and the rise of groundwater is a slow.

Key words：Rainfall infiltration； unsaturated seepage； tailing pond； waster dump； matric suction

尾礦庫和排土場作為礦山重要的兩大附屬設(shè)施，安全性直接影響到礦山的經(jīng)濟效益。同樣作為高勢能的泥石流重大危險源，尾礦庫和排土場的性質(zhì)迥異。

作為“儲水容器”，一般尾礦庫澄清距離以內(nèi)長期存在尾礦水；而作為“儲砂介質(zhì)”，尾礦庫內(nèi)尾砂顆粒較細，滲透系數(shù)較低，同時尾礦庫下部堆積時間較長，固結(jié)程度較好，其滲透系數(shù)更偏低，這樣就導(dǎo)致尾礦庫內(nèi)浸潤線位置處于較高水平運行。

排土場也是一個滯水體，根據(jù)調(diào)查資料，因水文條件釀成排土場滑坡的例子約占事故總數(shù)50%[1]，說明排土場中水的因素對排土場穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用。

正因為此，在排土場上游建設(shè)尾礦庫，尾礦庫內(nèi)本身就有很高的浸潤線，進一步抬高了下游排土場內(nèi)的浸潤線，嚴重威脅到排土場的安全，成為懸在其上方的一把“利器”。

由于各種條件所限，重鋼集團太和鐵礦小麻柳地區(qū)規(guī)劃一座尾礦庫和一座排土場，兩者均是相互獨立和完整的系統(tǒng)單元。但小麻柳尾礦庫下游最終將與排土場連成一個整體，兩者將形成一個相互制約和影響的復(fù)雜系統(tǒng)。一般情況下，排土場對尾礦庫的安全整體上是有利的，但前提是尾礦庫和排土場自身安全可靠，尾礦庫不能因為自身失穩(wěn)而對下游排土場構(gòu)成威脅，排土場也不能因為場底排滲不暢使得尾礦庫滲水無法外排降低壩坡穩(wěn)定性。此外，兩者之間的正常作業(yè)不能相互干擾和影響，必須有序規(guī)劃、統(tǒng)一管理。endprint

針對排土場處于尾礦庫下游，在降雨入滲的情況下，對排土場的穩(wěn)定性進行了較為細致的分析，根據(jù)研究結(jié)果，對排土場進行了再次規(guī)劃，從安全和經(jīng)濟兩個角度進行雙重把控。

1工程概況

小麻柳排土場位于小麻柳溝，為常年流水溝，雨季流量約為100～180 m3/d。干季流量約為30～60 m3/d。其西分水嶺最高點超過+1 850 m，低點約+1 540 m，高差約310 m。東面的安寧河為區(qū)域的最低侵蝕基準面，谷中的地表水流入安寧河，為長年流水性溝谷。排土場地表水系不發(fā)育，地下水主要靠大氣降水補給。

區(qū)內(nèi)日照時間長，熱量豐富，年均日照時數(shù)2 4314小時，年降雨量1 043 mm，5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季，其中93%以上降雨集中在雨季，旱季降雨量僅全年的7%。

場地地層主要由第四系沖洪積及殘坡積土層、上更新統(tǒng)冰水堆積層，晚第三系“昔格達”半膠結(jié)粘土巖、未膠結(jié)粉砂巖、細砂巖、礫巖等組成。

區(qū)內(nèi)地下水分為兩種類型：第四系覆蓋層中的孔隙潛水和西部基巖中的裂隙承壓水，孔隙潛水受大氣降水補給，承壓水受大氣降水及潛水補給。地下水滲流方向為由西向東徑流。

小麻柳尾礦庫位于排土場上游，其設(shè)計堆積標高1 750 m，庫容5 801831萬m3，總壩高1520 m，為二等庫，防洪標準相應(yīng)按1 000年一遇考慮。尾礦庫初期壩體與下游排土場連成一個整體（見圖1）。因此排土場的地下水受到尾礦庫的制約，其上游水力邊界條件較為復(fù)雜。

圖1工程布置平面圖

2 非飽和入滲特性

基質(zhì)吸力的量測比較困難，一般多通過間接方式進行研究，土水特征曲線法最為常見。許多試驗表明，當(dāng)土的含水量趨近0%時，基質(zhì)吸力可達620～980 MPa限值[2]。土水特征曲線獲取的基本理論雖不復(fù)雜，卻需要花費大量的時間、精力、設(shè)備等，而土體的顆分曲線卻很容易得到?；诖?，一些學(xué)者提出土水特征曲線的擬合模型[3-8]，這些模型或以已有的顆分試驗成果為基礎(chǔ)，或從數(shù)學(xué)角度進行嚴密推導(dǎo)以解析解的形式呈現(xiàn)。其中以文獻[3]和文獻[4]所提出的擬合模型最為常見。例如，文獻[3]提出含有4個參數(shù)控制的方程如下：

θw=θr+θs-θr[1+（Ψa）n]m（1）

式中：θw為體積含水量；θr為殘余含水量；θs為飽和體積含水量；Ψ為基質(zhì)吸力；a、n、m為曲線擬合參數(shù)，a的單位為kPa，n、m無量綱。

21尾礦庫的非飽和入滲特性

尾礦庫內(nèi)沉積的尾砂多為非飽和，因沉積特點及規(guī)律的不同，導(dǎo)致庫內(nèi)尾砂各分層的非飽和特性存在差異。土工試驗結(jié)果表明：與灘頂距離越遠，尾礦砂的含水量越大，顆粒越細，其孔隙比越大[9]。

22排土場的非飽和入滲特性

排土場成分復(fù)雜，粒徑分布范圍很大，不同的排土工藝、堆置方式對入滲特性影響很大。一般而言，對于單臺階式排土場，由于多采用汽車運輸排土，大塊廢石壓在坡腳處，滲透系數(shù)很大，上部較為密實；對于覆蓋式排土場，各分級臺階從下到上的分選性類似，滲透性均由強到弱，整體而言，其滲透特性較為復(fù)雜；對于壓坡腳式排土場，排土臺階由內(nèi)向外推進，大塊廢石壓在底部，細顆粒同樣匯集于各臺階頂，其滲透特性與單臺階式有一定程度的相似之處（見圖2）。一般而言，巖土密實度越大，大孔隙相對越少，小孔隙相對比較多。吸力相同時，干容重大的土相應(yīng)的含水率一般也越大。

（a） 單臺階排土 （b） 覆蓋式排土 （c）壓坡腳式排土

圖2排土場的典型堆置方式

小麻柳排土場采用覆蓋式排土堆置方式，考慮到每個臺階高度都不超過15～20 m，為簡化計算，將每個排土臺階自上而下分為兩層，各分層的土水特征曲線采用式（1）擬合，再據(jù)非飽和土水分運動的基本方程式（2）得到各主要巖土層滲透系數(shù)函數(shù)（見圖3）。

x[kwx（θw）hx]+y[kwy（θw）hy]+z[kwz（θw）hz]=mwγw（H-y）t（2）

式中：kwx（θw）， kwy（θw）， kwz（θw）為x， y， z方向的滲透系數(shù)，是關(guān)于體積含水量θw的函數(shù)； mw=-θw（ua-uw）為土水特征曲線斜率絕對值，（ua-uw）為基質(zhì)吸力；γw為水的容重；H為總水頭；y為位置水頭；t為時間，當(dāng)t=0時，為穩(wěn)定滲流。

基質(zhì)吸力/kPa

1. 排土物料下層；2. 排土物料上層；3. 尾砂

圖3主要巖土層滲透系數(shù)函數(shù)

3入滲條件下數(shù)值模擬計算與分析

31幾個關(guān)鍵性問題

小麻柳排土場的等級較高，安全風(fēng)險較大，加之其處在尾礦庫的下游，尾礦庫的使用無疑給排土場帶來安全隱患。因此，必須要確保尾礦庫、排土場的雙重穩(wěn)定。

1） 尾礦庫是二等庫，其防洪標準為1 000年一遇，需要考察尾礦庫在千年一遇洪水條件下的最高洪水位；在此條件下，考慮降雨入滲對尾礦庫非飽和帶的影響，研究其浸潤線變化規(guī)律。

2） 在上述情況下，尾礦庫浸潤線變化對下游排土場的影響，同時還需兼顧排土場的降雨入滲特性。

32計算過程及結(jié)果

在GeoStudio軟件中建模并劃分網(wǎng)格，計算模型如圖4所示。

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圖4計算剖面圖

非飽和土體滲流邊界條件有三種形式。第一類為Dirichlet邊界，給定邊界上水頭分布或勢函數(shù)，亦稱水頭邊界，考慮與時間t有關(guān)的過程中，水頭邊界是不斷變化的，可表示為hΓ1=f（x，y，x，t）；第二類為Neumann邊界，在邊界上給出位勢函數(shù)或水頭的法向?qū)?shù)，或稱流量邊界，涉及與時間t有關(guān)的邊界時，hnΓ2=-vnk=f（x，y，z，t）；第三類是前兩種條件的組合，含水層邊界的內(nèi)外水頭差和交換的流量之間保持一定的線性關(guān)系，即h+αhnΓ3=β，前述各式中h為等勢面，Γi（i=1，2，3）為積分區(qū)域邊界，vn為單面面積邊界上穿過的流量。對于降雨入滲和蒸發(fā)，文中均考慮流量邊界條件。計算得千年一遇洪水工況下尾礦庫的浸潤線情況如圖5所示。endprint

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圖5千年一遇洪水工況下尾礦庫的浸潤線

將尾礦庫的浸潤線計算結(jié)果導(dǎo)入到排土場模型中，計算降雨入滲初期，排土場內(nèi)的初始浸潤線（見圖6）。施加降雨，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，設(shè)定降雨強度350 mm/d，持時1天，采用流量邊界條件，來不及入滲的雨水經(jīng)由底部平臺宣泄。計算得降雨結(jié)束初期尾礦庫及排土場的浸潤線分布情況（見圖7）。

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圖6尾礦庫千年一遇洪水工況影響下的排土場初始浸潤線圖

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圖7降雨結(jié)束初期排土場浸潤線分布（持時1天）

33計算結(jié)果分析

根據(jù)計算可知，尾礦庫在千年一遇洪水狀態(tài)下的浸潤線很高（見圖5），從初期壩出露的地下水進入排土場中，抬高了排土場中的地下水位（見圖6）。

在降雨一天后（見圖7），尾礦庫和排土場內(nèi)部浸潤線未發(fā)生明顯變化，但在其表面均形成較大規(guī)模的暫態(tài)飽和區(qū)，其深度從5～20 m不等。在庫內(nèi)，由于地勢較為平緩，其徑流能力偏弱，濕潤峰向下推移的距離較大，入滲深度較大；而在排土場邊坡的表面，坡度的存在使得降雨徑流速度遠遠大于入滲速度，其入滲能力較之于庫內(nèi)偏弱，決定了其暫態(tài)飽和帶多分布在邊坡的淺層位置。

降雨結(jié)束后的一段時期內(nèi)（見圖8），由于滯后效應(yīng)，入滲作用仍在持續(xù)，濕潤峰進一步向下推移，相應(yīng)地，暫態(tài)飽和區(qū)逐步下移；與此同時，雨后蒸發(fā)效應(yīng)不斷增強，邊坡內(nèi)部的淺層地下水部分進入大氣，淺層部位的暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消失。

到雨后第10天（見圖8b），邊坡淺層位置的暫態(tài)飽和區(qū)進一步減少，重新轉(zhuǎn)換為非飽和帶；到第15天，淺層暫態(tài)飽和區(qū)范圍繼續(xù)減小，同時，內(nèi)部的雨水持續(xù)下滲，飽和帶繼續(xù)往下推移。到了第20天左右，邊坡體內(nèi)的暫態(tài)飽和區(qū)已漸消失，濕潤峰已移至地下水處，抬高了排土場內(nèi)的地下水?？梢?，降雨對排土場內(nèi)部浸潤線的影響是中長期的。

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（a） 第2天

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（b） 第10天

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（c） 第15天

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（d） 第20天

圖8降雨結(jié)束后排土場浸潤線分布

4結(jié)論

通過對太和鐵礦的工程實例分析，將尾礦庫在千年一遇洪水條件下的浸潤線分布導(dǎo)入到下游排土場中，計算得到初始浸潤線；再分析整個研究區(qū)域降雨條件下的入滲特性，為后期的整體穩(wěn)定性研究及排土場經(jīng)濟規(guī)劃打下基礎(chǔ)。

研究結(jié)果表明，尾礦庫內(nèi)的浸潤線分布對該排土場的影響很大；降雨結(jié)束初期，排土場邊坡表面暫態(tài)飽和區(qū)范圍很大，隨著時間推移， 蒸發(fā)效應(yīng)和

入滲效應(yīng)的進一步作用，淺層的暫態(tài)飽和區(qū)逐步消失，深層的濕潤峰不斷下移；經(jīng)過20天左右，降雨對排土場地下水位的影響開始逐漸顯現(xiàn)?？梢姡涤耆霛B作用改變了排土場邊坡內(nèi)的地下水滲流場，而地下水的升高則是一個緩慢的過程。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）endprint