尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)浸潤線預(yù)警閾值計算方法研究

王 莎，梅國棟，謝旭陽

(1.礦冶科技集團有限公司，北京102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

我國現(xiàn)有尾礦庫8 869座[1]，隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開采，尾礦排放規(guī)模持續(xù)增長，受土地資源的限制，不少尾礦庫在達到設(shè)計高程后加高等，這造成了巨大的安全隱患[2]。尾礦庫的安全關(guān)系到礦山生產(chǎn)的整體安全性，尾礦潰壩事故的特點是，發(fā)展迅速、沖擊力強、變形量大、流動特性復(fù)雜[3]，尤其當尾礦庫下游存在村莊或重要設(shè)施時，潰壩事故將造成更加嚴重的后果，這使得尾礦庫的安全預(yù)警工作顯得尤為重要。

對于上游式尾礦庫，庫內(nèi)水持續(xù)向下游滲透，產(chǎn)生滲透壓力并降低筑壩料自身的抗剪強度，滲流作用不僅降低壩坡的抗滑穩(wěn)定性[4-5]，若從堆積壩面逸出，還會產(chǎn)生滲流破壞，如管涌、流土等，破壞壩體局部結(jié)構(gòu)。因此，浸潤線的監(jiān)測及準確預(yù)警工作對尾礦庫的安全運行起到?jīng)Q定性的作用。

目前，浸潤線預(yù)警閾值的計算缺乏統(tǒng)一標準，若單純依靠規(guī)范所規(guī)定的浸潤線最小埋深來確定預(yù)警閾值，不考慮壩體浸潤線隨壩高等因素的變化，與實際工程差異較大，空報、誤報率較高，對實際工程不具備指導(dǎo)作用。基于此，本文開展了尾礦庫浸潤線預(yù)警閾值的確定方法研究，為尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)中浸潤線預(yù)警值設(shè)計提供了工程借鑒。

1 浸潤線紅色預(yù)警閾值計算方法

尾礦庫浸潤線預(yù)警閾值計算方法詳見圖1。首先，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)[6]確定尾礦庫等級，確定尾礦庫的最小干灘長度、最小安全超高、最小浸潤線埋深、穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求；其次，建立滲流計算模型，設(shè)置合理的邊界條件進行浸潤線計算，計算結(jié)果應(yīng)同時滿足最小干灘長度、安全超高、浸潤線埋深及穩(wěn)定安全系數(shù)的要求，從而確定臨界控制浸潤線；最后，對應(yīng)臨界控制浸潤線及測點的空間位置，獲得各測點的各級預(yù)警閾值。

圖1 尾礦庫浸潤線預(yù)警閾值計算方法邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Logical structure diagram of the phreatic line warning threshold calculation method

2 浸潤線邊界條件及計算工況的要求

尾礦庫浸潤線計算水位邊界條件，首先應(yīng)滿足最小安全超高與最小干灘長度的要求，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)，上游式尾礦堆積壩最小安全超高與及干灘長度要求應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 上游式尾礦堆積壩的最小安全超高與最小干灘長度

尾礦壩浸潤線的確定還應(yīng)分析放礦、雨水和地震等因素對尾礦壩浸潤線的影響，尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深除應(yīng)滿足壩坡抗滑穩(wěn)定的條件外，為了防止?jié)B透破壞的發(fā)生，浸潤線的埋深應(yīng)同時滿足表2的要求。

表2 尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深

尾礦壩應(yīng)滿足靜力、動力穩(wěn)定要求，根據(jù)確定的浸潤線，進行尾礦壩穩(wěn)定性計算，不同計算方法要求的最小安全系數(shù)不同，以畢肖普法為例，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應(yīng)小于表3規(guī)定的數(shù)值，位于地震區(qū)的尾礦庫，尾礦壩應(yīng)采取可靠的抗震措施。

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)

3 化引干灘長度法計算壩體浸潤線

滲流計算中邊界條件的選取，直接決定了尾礦壩中浸潤線的分布形式。若按照干灘長度紅色預(yù)警閾值，不考慮放礦水對浸潤線的影響，則計算浸潤線較實際監(jiān)測浸潤線偏低，基于此，本文提出采用化引干灘長度作為庫內(nèi)滲流邊界條件來計算壩體浸潤線，即根據(jù)紅色預(yù)警的干灘長度進行換算，獲得化引灘長和化引庫水位。從下游坡浸潤線上端點至計算庫水位水邊線用對數(shù)曲線連接成光滑曲線，作為沉積灘部分的浸潤線。

放礦水覆蓋絕大部分灘面時，化引干灘長度為：

Lh=3.3L0.48

(1)

放礦水覆蓋部分灘面時，化引干灘長度為：

Lh=2.26L0.645

(2)

式中：Lh—化引干灘長，m；L—計算灘長，m。

4 浸潤線預(yù)警閾值設(shè)置

根據(jù)監(jiān)測斷面在平面布置圖上的具體位置，對原始地形圖和壩體同時進行切割，獲得壩體穩(wěn)定性和滲流計算的剖面。結(jié)合浸潤線實測值、滲流計算結(jié)果及穩(wěn)定性計算結(jié)果，獲得控制浸潤線。參照控制浸潤線及堆積壩外坡測點的坐標位置，獲得各監(jiān)測點的浸潤線埋深紅色預(yù)警閾值。根據(jù)《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51108—2015)[7]，尾礦庫堆積壩外坡浸潤線埋深的橙色預(yù)警閾值取紅色預(yù)警閾值的1.1倍。尾礦庫堆積壩外坡浸潤線埋深的黃色預(yù)警閾值取紅色預(yù)警閾值的1.2倍。

5 計算案例

本文所研究尾礦庫設(shè)計總壩高125.0 m，堆積壩壩高96.0 m，初期壩壩高29.0 m，總庫容約5 588.0萬m3，屬于二等庫，因此，按照規(guī)范要求，該尾礦庫最小安全超高為1.0 m，最小干灘長度為100.0 m，浸潤線最小埋深為6.0 m。

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)浸潤線監(jiān)測點平面布置詳見圖2。該工程在主壩位置設(shè)置3個監(jiān)測斷面，在各級子壩及初期壩頂端共計埋設(shè)15個浸潤線監(jiān)測孔。

根據(jù)規(guī)范要求，該等級尾礦庫采用畢肖普法的允許安全系數(shù)為1.35；特殊工況允許安全系數(shù)為1.15。庫區(qū)各巖土層抗剪強度及滲流計算參數(shù)詳見表4。

圖2 尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)中浸潤線監(jiān)測點平面布置圖Fig.2 The location map of the phreatic line monitoring points in tailings pond online monitoring system

表4 尾礦庫庫區(qū)各巖土層抗剪強度及滲流計算參數(shù)

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，該尾礦庫的紅色預(yù)警干灘長度為300 m。本工程放礦水覆蓋絕大多數(shù)灘面，因此，采用公式(1)計算的化引干灘長度，結(jié)果為51.0 m，相應(yīng)的水位為624.7 m。

根據(jù)化引干灘長度確定的水位，設(shè)置滲流計算的水位邊界條件，進行穩(wěn)定滲流場計算，獲得壩體浸潤線，并與實測值進行復(fù)核，獲得基準浸潤線。然后開展壩體滲流-應(yīng)力耦合分析，獲得壩體在不同工況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，并與規(guī)范值進行對比，若安全系數(shù)值大于規(guī)范要求，則將上述基準浸潤線向上平移，直至安全系數(shù)小于或等于規(guī)范值，此時的浸潤線為臨界浸潤線。若在上述移動過程中，浸潤線最小埋深小于或等于規(guī)范要求時(本工程為6.0 m)，則停止搜索，此時的浸潤線即為臨界浸潤線。

按照上述過程，最終確定的尾礦庫臨界浸潤線如圖3所示，由穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，在此浸潤線下，正常工況的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.66，大于規(guī)范要求的1.35；地震工況的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.37，大于規(guī)范要求的1.15。根據(jù)結(jié)果可知，在此計算案例中，穩(wěn)定性對浸潤線并不起到控制作用。

圖3 尾礦壩臨界浸潤線及穩(wěn)定性結(jié)果(正常工況和地震工況)Fig.3 The critical position of the phreatic line and the stability calculation result (normal and seismic working condition)

根據(jù)上文計算的臨界浸潤線，對應(yīng)各測點的高程位置，可獲得各個測點位置處的浸潤線紅色預(yù)警、橙色預(yù)警和黃色預(yù)警閾值，詳見表5所示。

表5 尾礦庫浸潤線監(jiān)測點各級預(yù)警閾值

6 結(jié)論

本文梳理了尾礦庫相關(guān)規(guī)范中有關(guān)浸潤線的控制要求，整理了尾礦壩控制浸潤線計算的邏輯結(jié)構(gòu)，并結(jié)合某尾礦庫實際工程，對計算方法進行了驗證，得出了如下結(jié)論：

1)尾礦庫壩坡浸潤線預(yù)警閾值的確定需考慮諸多因素，如壩坡穩(wěn)定性、干灘長度、最小安全超高、受力狀態(tài)等，同時與微觀因素如尾礦顆粒級配、塑限、液限值等有關(guān)，限于篇幅，本文不做微觀因素的研究。考慮到浸潤線是壩坡穩(wěn)定性的主要影響因素，提出采用壩坡穩(wěn)定性計算及相關(guān)規(guī)范要求來綜合確定控制浸潤線高度。

2)由于采用干灘長度紅色預(yù)警值作為滲流邊界條件時計算的浸潤線埋深較實際值偏大，本文提出了采用化引干灘長度計算公式確定壩體臨界浸潤線的方法。同時，考慮到該工況水位一般高于洪水工況，因此，不再復(fù)核洪水工況的壩坡穩(wěn)定性，因此，在浸潤線預(yù)警閾值計算中，僅考慮正常工況和地震工況兩種情況。

3)尾礦庫臨界浸潤線埋深的確定，宜根據(jù)滲透破壞試驗，綜合調(diào)洪演算、穩(wěn)定性分析等因素綜合決定，僅考慮單一因素將產(chǎn)生較大的誤差。