尾礦壩滲透穩(wěn)定性分析

賈志獻(xiàn)，于明明

(1.中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710000;2.西北綜合勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710000)

尾礦壩滲透穩(wěn)定性分析

賈志獻(xiàn)1，于明明2

(1.中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710000;2.西北綜合勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710000)

尾礦壩是礦山的控制性建設(shè)工程之一，滲透作用對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響具有特殊性。浸潤(rùn)線過高或滲透作用過強(qiáng)是造成上游式尾礦壩失事的主要原因。本文針對(duì)白巖尾礦運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析其在現(xiàn)狀、加高3.5、7.0及10.5 m 4種壩高工況下，正常水位、洪水水位運(yùn)行2種水位工況下地下水滲流場(chǎng)及浸潤(rùn)線的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:洪水位工況較正常水位工況浸潤(rùn)線明顯抬高，滲流溢出點(diǎn)升高，發(fā)生滲透破壞的可能性增大;正常水位工況下堆積壩越高浸潤(rùn)線抬升越明顯。建議后期施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)尾礦壩壩內(nèi)浸潤(rùn)線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

尾礦壩 滲流 浸潤(rùn)線 穩(wěn)定性

1 工程概況

白巖尾礦壩位于貴州省福泉市牛場(chǎng)鎮(zhèn)西北街村白巖寨，始建于1990年，設(shè)計(jì)尾礦庫堆積20期子壩(壩頂高程1 250 m)，壩高95 m，庫容1 918.75萬m3。初始?jí)螇涡蜑槟雺菏蕉咽瘔危O(shè)計(jì)標(biāo)高1190.0 m，壩高35.0 m，由主壩、副壩和庫區(qū)組成。主壩現(xiàn)已堆至9期子壩，壩高66.5 m，壩頂高程1 221.5 m。副壩現(xiàn)已堆積至2期子壩。

白巖尾礦壩從1990年至2010年3月22日各個(gè)時(shí)期的施工情況見表1。

表1 白巖尾礦壩概況

后續(xù)工程將繼續(xù)加高壩體，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求的壩高。本文主要分析滲透作用及浸潤(rùn)線對(duì)壩體的影響，為后續(xù)工程的安全實(shí)施提供理論依據(jù)。

2 地層結(jié)構(gòu)及巖性特征

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪、野外鉆探、探井揭露，尾礦庫區(qū)區(qū)域內(nèi)地層主要有人工填積層(Qml)、人工沖填積層、第四系殘坡積層、寒武系中統(tǒng)石冷水組

通過勘察獲得巖土物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

3 水文地質(zhì)條件

白巖尾礦壩所在地區(qū)處于中緯度，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫?zé)岫嘤辍?jù)福泉市近年來氣象資料，當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅? 167.53 mm，主要集中于4月中旬到8月中旬(雨季)，約占全年降雨量的59%。年平均蒸發(fā)量1 102.8 mm，年最大蒸發(fā)量1 192.2 m，年最小蒸發(fā)量1 020.5 mm。

庫區(qū)內(nèi)的地下水主要為潛水，主要賦存于庫區(qū)的尾礦堆積體中。排礦口排出的礦漿水和大氣降水是其主要補(bǔ)給來源，水位受排礦位置影響較大。主要以地下徑流及下滲方式通過尾礦體和壩體內(nèi)設(shè)置的排滲設(shè)施流向初期壩。

勘察測(cè)得尾礦堆積體初見水位埋深為0.40～5.10 m，穩(wěn)定浸潤(rùn)線埋深為1.80～15.40 m，相當(dāng)于標(biāo)高1 184.72～1 216.87 m，主壩壩頂?shù)慕?rùn)線埋深12.40～14.70 m，副壩壩頂?shù)慕?rùn)線埋深5.20～5.80 m。

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

4 滲流場(chǎng)分析

4.1 滲流影響因素分析

1)沉積干灘長(zhǎng)度［1］。尾礦庫內(nèi)水體是尾礦滲流的物質(zhì)來源，在不考慮生產(chǎn)排出漿體的直接下滲影響下，尾礦庫水位高低及干灘長(zhǎng)度成為影響滲流場(chǎng)分布的決定性因素。

2)橫向和垂向尾礦物質(zhì)變化。尾礦物質(zhì)在壩后重力分選堆積的差異是影響上游式尾礦壩地下水位高低的第2個(gè)重要因素［2］。不同堆積物組成和粒徑分布直接形成了不同的滲透變化區(qū)域，堆積物寬度和滲透性質(zhì)的變化成為影響滲流場(chǎng)分布的重要因素［3］。白巖尾礦庫橫向上尾礦物質(zhì)由尾粉土過渡到尾礦砂，滲透性逐漸增強(qiáng)。這種二元結(jié)構(gòu)使得地下水容易向壩前排泄，有利于降低浸潤(rùn)線的凸度。

3)尾礦物質(zhì)各向異性。尾礦物質(zhì)整體上水平向和垂向上的滲透性存在差異。這對(duì)整體滲流場(chǎng)的分布產(chǎn)生了不同程度的影響［4］。

4)庫壩流場(chǎng)邊界條件。滲流邊界條件特別是基礎(chǔ)的滲透性對(duì)地下水位有顯著影響。

4.2 滲流計(jì)算模型

考慮到計(jì)算剖面應(yīng)能反映出壩體穩(wěn)定性最不利的情況，根據(jù)庫區(qū)地形和尾礦堆積壩形狀沿主溝選擇剖面進(jìn)行滲流分析。該剖面共劃分了2 749個(gè)單元，1 471個(gè)節(jié)點(diǎn)，為三角形和四邊形的混合單元。整個(gè)尾礦庫壩劃分為12類材料區(qū)，即初期壩堆石體、子壩堆石體、壩底、尾粉砂、尾粉土、黏土含碎石等［5］。數(shù)值模擬時(shí)巖土物理力學(xué)參數(shù)參照表2選取。

4.3 工況及邊界條件

計(jì)算工況:考慮正常水位運(yùn)行和洪水水位運(yùn)行2種工況。正常水位運(yùn)行時(shí)干灘長(zhǎng)度取150 m，洪水水位運(yùn)行時(shí)干灘長(zhǎng)度取100 m，據(jù)此確定相應(yīng)的庫水位進(jìn)行滲流計(jì)算［6］。

滲流邊界條件:對(duì)于后部邊界，可將庫水位以下設(shè)為定水頭邊界，庫水位以上設(shè)為0流量邊界;對(duì)于前部邊界，由于初期壩底部前端設(shè)有排水通道，常年有水，故可將初期壩壩底以下設(shè)為定水頭邊界［7］;對(duì)于底部邊界，假定壩基白云巖裂隙被尾礦細(xì)粒充填，視為隔水邊界;壩坡臨空面為自由逸出面邊界。

4.4 滲流場(chǎng)模擬分析

對(duì)上述滲流計(jì)算模型，運(yùn)用SEEP/W軟件［8］，經(jīng)穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算得到白巖尾礦庫壩在現(xiàn)狀條件、加高3.5，7.0，10.5 m共4種壩高工況下的地下水滲流分布規(guī)律和浸潤(rùn)線位置，如圖1所示。不同工況下溢出點(diǎn)標(biāo)高及滲流量計(jì)算結(jié)果見表3。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

由圖1可知，兩種工況下浸潤(rùn)線大致為二次拋物線分布，在初期壩排滲設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)，溢出點(diǎn)均位于初期壩壩坡部位，沒有出現(xiàn)在堆積壩壩坡部位的情況［9］;相對(duì)于正常水位運(yùn)行工況，洪水水位運(yùn)行工況的浸潤(rùn)線位置明顯抬高，滲流溢出點(diǎn)位置也隨之升高，滲徑變短，滲透力變大，發(fā)生滲透破壞的可能性增加。由表3可見:兩種計(jì)算工況下，隨著堆積壩的增高，溢出點(diǎn)標(biāo)高有升高趨勢(shì)，同時(shí)滲流量也相應(yīng)增加;正常水位運(yùn)行工況下堆積壩每加高1.0 m，溢出點(diǎn)上升約0.40 m，滲流量增加約0.07×10-4m3/s;洪水水位運(yùn)行工況下堆積壩每加高1.0 m，溢出點(diǎn)上升約0.26 m，滲流量增加約0.05×10-4m3/s。由此可見，相對(duì)于洪水水位運(yùn)行工況，正常水位運(yùn)行工況下堆積壩加高對(duì)浸潤(rùn)線抬升影響更明顯，其原因主要是④3層尾粉土的滲透性較差，在一定程度上阻隔了地下水的排滲通道。

表3 不同工況下溢出點(diǎn)標(biāo)高及滲流量

5 結(jié)論及建議

本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析白巖尾礦庫在不同壩高和水位下地下滲流場(chǎng)及浸潤(rùn)線的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著壩體高度的增加溢出點(diǎn)逐漸升高，壩體增高對(duì)浸潤(rùn)線抬升的影響明顯大于洪水水位運(yùn)行對(duì)浸潤(rùn)線的影響。對(duì)于后期工程的施工，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)堆場(chǎng)及尾礦壩內(nèi)浸潤(rùn)線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并應(yīng)進(jìn)行必要的變形監(jiān)測(cè)。

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(責(zé)任審編李付軍)

TU751+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.39

1003-1995(2015)02-0141-03

2014-05-10;

2014-10-16

賈志獻(xiàn)(1986—)，男，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，碩士。