降雨條件下尾砂干式堆存穩(wěn)定性研究
——以陜西鳳縣三里河尾礦庫(kù)為例

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(西北有色勘測(cè)工程公司，陜西 西安 710054)

尾砂干式堆存技術(shù)初現(xiàn)于1960年前后，由于技術(shù)不成熟等原因發(fā)展較為緩慢，直至2000年前后，其經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)才逐漸被重視，進(jìn)而被各大企業(yè)應(yīng)用。“干式堆存”指尾礦砂經(jīng)脫水至不可泵送的濕度下，產(chǎn)生的高濃度膏體尾砂，堆存于地表，通過(guò)后期壓實(shí)形成致密穩(wěn)固的尾砂堆。這種方法投資少、維護(hù)簡(jiǎn)單、提高土地利用率，綜合成本低[1]。

如今尾砂干式堆存筑壩工藝已逐漸成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)日益豐富，因此對(duì)干式堆存的尾礦壩在強(qiáng)降雨條件下形成地表徑流入滲使壩體穩(wěn)定性降低的研究具有一定的實(shí)際意義。

本文參照傳統(tǒng)筑壩工藝工況，考慮降雨對(duì)干式堆存尾礦庫(kù)的影響，將干式堆存尾礦庫(kù)運(yùn)行工況分為正常運(yùn)行、降雨運(yùn)行和特殊運(yùn)行。本文只對(duì)正常運(yùn)行和降雨運(yùn)行兩種工況進(jìn)行穩(wěn)定分析。

1 數(shù)學(xué)耦合模型確定

尾砂是一種多相多孔介質(zhì)，干式堆存尾砂降雨下屬非飽和狀態(tài)，傳統(tǒng)達(dá)西滲流定律不再適用，對(duì)此，通過(guò)多孔介質(zhì)多相滲流理論，引出適用于尾砂的滲流耦合數(shù)學(xué)方程[2][3]

(1)

(2)

(3)

式中：c為存儲(chǔ)系數(shù)；n為孔隙率；kF水的體積模量；J是孔隙壓力P的函數(shù)，其計(jì)算方程為[4]

(4)

s=1，(p≥0)

式中：s為最小殘余飽和率；α為參數(shù)。

滲流場(chǎng)中流速滿(mǎn)足達(dá)西定律：

(5)

考慮非飽和時(shí)滲透系數(shù)隨孔隙水壓的變化，其計(jì)算方程為：

(6)

(7)

式中：kij為完全飽和時(shí)滲透系數(shù)。

計(jì)算過(guò)程中定解條件可以為固定水頭或恒定水流及降雨量。已知水位觀(guān)測(cè)孔的水位可作為定流量邊界[5]。結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)的力與位移邊界條件，可用離散滲流與應(yīng)力的耦合方程。

2 穩(wěn)定分析方法

干式堆存尾礦庫(kù)在壩體填筑時(shí)尾砂含水率約為10%～20%，尾砂處于飽和狀態(tài)，隨著尾砂固結(jié)，孔隙水逐漸排除，尾砂由飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)?，F(xiàn)有大多數(shù)實(shí)際工程中對(duì)干式堆存尾礦庫(kù)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)將壩坡看做干坡進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果偏于不安全，因此，本文將尾礦砂作為非飽和狀態(tài)介質(zhì)考慮。采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行分析，降雨作用下，水力浸入引起土條的容重增加，計(jì)算使用土的濕容重，計(jì)算過(guò)程中需要對(duì)土條進(jìn)行分層處理，使每層土的容重為一固定值，依據(jù)每一個(gè)土條的重量來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而分析坡體穩(wěn)定性。

3 工程分析

二里河鉛鋅礦三里河尾礦庫(kù)位于陜西省鳳縣，庫(kù)區(qū)位于秦嶺腹地。年降水量超過(guò)600 mm。周邊區(qū)域無(wú)大的活動(dòng)斷裂帶，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害作用。由于尾礦庫(kù)所在溝道下游有礦山生產(chǎn)設(shè)施，為保證安全最終選擇干式堆存筑壩。 依據(jù)尾礦壩設(shè)計(jì)資料，采用有限元數(shù)值軟件Geostudio對(duì)該尾礦壩壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，共劃分單元17 546單元，筑壩材料參數(shù)見(jiàn)表1, 滲透系數(shù)取值見(jiàn)圖1。

表1 筑壩材料及參數(shù)

圖1 尾砂和堆石滲透系數(shù)曲線(xiàn)

3.1 坡面滲流分析

根據(jù)《寶雞地區(qū)水文手冊(cè)》，降雨入滲強(qiáng)度取值為當(dāng)?shù)刈畲?4 h均值雨量，強(qiáng)度為60 mm/h。每?jī)尚r(shí)進(jìn)行一次瞬態(tài)滲流分析，列出成果見(jiàn)圖2、圖3。分析如下：

(1)初始狀態(tài)下，未進(jìn)行降雨時(shí)尾礦庫(kù)內(nèi)尾砂及壩體含水量較小，有較大的基質(zhì)吸力，有較大的負(fù)孔隙水壓力，未見(jiàn)明顯浸潤(rùn)線(xiàn)。

(2)開(kāi)始降雨后，分析可見(jiàn)上部尾砂尾砂含水量逐漸增大，下部尾砂趨于飽和，初期壩壩體底部出現(xiàn)明顯的浸潤(rùn)線(xiàn)，分析初期壩底部濾水系統(tǒng)水壓力變大，水流流速隨之增大，這一趨勢(shì)隨著降雨時(shí)間的增加而愈加明顯。

(3)一段時(shí)間后，隨著降雨的持續(xù)，庫(kù)區(qū)內(nèi)尾礦砂含水量逐步達(dá)到飽和狀態(tài)，壩體浸潤(rùn)線(xiàn)持續(xù)提高直至淹沒(méi)整個(gè)庫(kù)區(qū)。

圖2 初始狀態(tài)壩體孔隙水壓力云圖

3.2 壩坡穩(wěn)定性分析

將滲流分析結(jié)果與穩(wěn)定性計(jì)算耦合，即可分析得出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)。隨降雨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。分析可知：

(1)初始狀態(tài)下，干堆尾礦壩安全系數(shù)為1.512，穩(wěn)定性較好，在進(jìn)行降雨計(jì)算的初期，尾礦砂的含水量增大，一定程度上提高了部分粘聚力，壩體安全系數(shù)最大提高至1.519，短期的降雨對(duì)整個(gè)壩體的穩(wěn)定性起到積極作用。

(2)隨著降雨作用持續(xù)進(jìn)行，尾砂含水量的增加，壩體安全系數(shù)增大至一定水平后開(kāi)始減小，主要是因?yàn)樗Φ慕雽?dǎo)致尾礦砂之間粘聚力下降，庫(kù)內(nèi)尾礦砂自重增大。

(3)降雨一段時(shí)間后，尾礦庫(kù)內(nèi)尾礦將進(jìn)入飽和狀態(tài)，壩體浸潤(rùn)線(xiàn)不斷抬高，壩體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，安全系數(shù)發(fā)生驟減。

圖3 降雨24h后壩體孔隙水壓力云圖

圖4 安全系數(shù)隨降雨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)具體的工程實(shí)例，對(duì)干式堆存尾礦庫(kù)的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，通過(guò)控制降雨進(jìn)行研究，結(jié)果表明：降雨作用導(dǎo)致的尾礦含水量、容重的變化會(huì)直接引起尾礦砂孔隙水壓力、粘聚力之間的變化，進(jìn)而對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性造成影響，少量降雨對(duì)尾礦的穩(wěn)定性起積極作用，降雨量超過(guò)一定限度后尾礦壩的安全系數(shù)將會(huì)迅速降低。

由此可見(jiàn)，對(duì)于干式堆存尾礦庫(kù)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)考慮降雨入滲的影響，防止由于降雨入滲引起壩體浸潤(rùn)線(xiàn)的升高而出現(xiàn)大面積的失穩(wěn)。