降雨條件下的尾礦庫壩滲流特性數(shù)值模擬研究

朱 蒙，佘彤彤

(江蘇省鴻源招標代理股份有限公司，南京 210000)

0 引 言

尾礦庫壩的安全穩(wěn)定評價是尾礦壩建設與管理的重要內(nèi)容，影響尾礦壩安全穩(wěn)定的影響因素較多，如地震[1-2]、庫水位變動[3-4]、人工開挖[5]及降雨[6-7]，其中降雨導致的尾礦庫的滲流破壞是其失穩(wěn)的主要因素[8-9]。降雨導致尾礦庫壩內(nèi)部的水位上升，土體參數(shù)銳減，從而引起尾礦庫壩的災害。因此，對尾礦庫壩在降雨條件下的滲流及穩(wěn)定性研究尤為重要。

國內(nèi)外學者對降雨條件下的庫壩邊坡滲流穩(wěn)定性規(guī)律進行了大量有益研究。如秦世偉等[10]、郁舒陽等[11]對降雨條件下的不同非飽和參數(shù)對邊坡滲流穩(wěn)定性的影響進行了數(shù)值模擬研究；張繼勛等[12]考慮到土工膜壩的破損特性，對其滲流穩(wěn)定性進行了定量化分析；謝旭陽[13]從4個方面的因素分析了尾礦壩的致災因素，著重建立了降雨條件下的尾礦庫區(qū)的預警指標體系；張家榮[14]對尾礦壩在降雨條件下的滲流規(guī)律及其破壞原因進行了分析。這些研究多針對降雨的某一個特定過程，其假定成分較大，而尾礦壩的滲流穩(wěn)定特性更多取決于其先期特性，如前期降雨等[15]。因此，目前針對前期降雨對尾礦壩的滲流穩(wěn)定性規(guī)律的研究較少。

本文針對現(xiàn)有研究的不足之處，以洛陽市澀草湖尾礦庫為工程背景，探討不同類型前期降雨(前鋒型前期降雨、中鋒型前期降雨、后鋒型前期降雨及平均型前期降雨)條件對后期主降雨下的尾礦壩滲透穩(wěn)定特性的影響，以期為不同類型前期降雨對尾礦壩滲透穩(wěn)定性規(guī)律的認識及其數(shù)值計算提供相應的參考。

1 計算理論

1.1 非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為：

(1)

式中：kr為透水率；kij為滲透張量；hc為水頭；Q為源匯；C(hc)為容水度；θ為水頭函數(shù)；n為孔隙率；Ss為單位貯水量。

1.2 非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論

非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論如下：

(2)

2 工程概況

澀草湖尾礦庫擬建于洛陽市欒川縣獅子廟鎮(zhèn)三聯(lián)村澀草湖下游的鉆天道與大干溝內(nèi)，位于爐場溝尾礦庫西北側(cè)，南側(cè)緊鄰爐場溝和磨溝。見圖1。

圖1 澀草湖尾礦庫衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite map of Shechao Lake tailings reservoir

該庫初期壩為碾壓堆石壩，壩頂標高約1 160.00 m，壩高79 m。初期庫容401.0×104m3，有效庫容293.0×104m3，可為30 000 t/d選廠服務0.5年。后期采用上游法堆壩，設計堆積標高1 280.00 m，平均堆積邊坡1∶5.0，尾礦堆高120 m，總壩高199 m，總庫容5 742.5×104m3，有效庫容4 708.8×104m3，可為30 000 t/d選廠服務7.6年。尾礦庫等別為二等，其主要構(gòu)造物級別為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。后期加高擴容擬在最終堆積1 280.00 m標高基礎上，繼續(xù)采用尾礦上游法加高100 m，設計最終堆積壩壩頂標高1 380.00 m，尾礦庫總壩高299 m，總庫容約13 203.4×104m3，按規(guī)范尾礦庫等級為一等庫。

3 模型及參數(shù)

選取澀草湖尾礦典型斷面，根據(jù)地質(zhì)勘測資料，其主要分為基巖、尾黏土、尾粉質(zhì)黏土、尾粉土、尾粉砂、尾細砂和初期壩，見圖2。尾礦壩由圖2所示的初期壩為基礎進行四級堆載，其中oa為110 m定水位邊界，考慮尾礦壩正常運行工況，cde為90 m正常水位下的定水位邊界，abc為降雨入滲邊界，oe為不透水邊界。

圖2 計算模型及模型網(wǎng)格Fig.2 Calculation model and model grid

降雨類型往往存在4種典型形式[16]。取平均型降雨、前鋒型降雨、中鋒型降雨及后鋒型降雨4種典型前期降雨，考慮前期降雨后的主降雨影響，其中前期降雨持續(xù)時間為5 d，控制4種不同類型降雨的總降雨量一定，為0.48 m，主降雨過程為持續(xù)8 h的強降雨，降雨總量為0.18 m，總降雨持續(xù)時間一共設置為10 d。不同降雨工況下的降雨過程曲線見圖3。

圖3 不同降雨工況下的降雨過程曲線Fig.3 Rainfall process curves under different rainfall conditions

尾礦壩的計算力學參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗及現(xiàn)場勘測綜合確定，見表1。

表1 不同材料物理力學性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of different materials

4 計算成果

4.1 尾礦壩表層孔壓變化

為監(jiān)測尾礦壩的表層孔壓變化，設置典型監(jiān)測點(圖2)——上部監(jiān)測點A與下部監(jiān)測點B進行監(jiān)測，其孔壓變化規(guī)律見圖4。

圖4 不同表層孔壓監(jiān)測點孔壓變化Fig.4 Changes of pore pressure at different surface pore pressure monitoring points

由圖4可知，對于主降雨過程中，孔壓有個突然升高的過程，這是因為主降雨的降雨強度較大，屬于“短歷時，強降雨”過程，這時孔壓達到計算時間內(nèi)的最大值。對下部監(jiān)測點B來說，不同前期降雨后經(jīng)歷主降雨過程，最大孔壓趨于一致，即不同類型前期降雨對主降雨過程中的峰值孔壓無影響；而對于上部監(jiān)測點A而言，不同類型前期降雨對主降雨下的孔壓峰值大小有影響，即后鋒型前期降雨>平均型前期降雨>中鋒型前期降雨>前鋒型前期降雨。

對于停雨后，不同類型前期降雨對停雨后的孔壓影響不大，即不同類型前期降雨在停雨后尾礦壩壩坡不同位置的孔壓變化一致，但是上部監(jiān)測點、中部監(jiān)測點與下部監(jiān)測點的孔壓變化則較為不同。對于上部監(jiān)測點A來說，停雨后孔壓呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且降幅較大；而下部監(jiān)測點B則在停雨后孔壓迅速平穩(wěn)保持不變，孔壓降幅較小。

4.2 尾礦壩縱深孔壓變化

為監(jiān)測尾礦壩的縱深孔壓變化，設置典型監(jiān)測面(圖2)——上部監(jiān)測面A與下部監(jiān)測面B進行監(jiān)測，其孔壓變化規(guī)律見圖5。

圖5 不同縱深孔壓監(jiān)測面孔壓變化Fig.5 Changes of face pressure in different depth hole pressure monitoring

由圖5可見，初始狀態(tài)下，上部監(jiān)測面A在一定高程孔壓保持不變，而下部監(jiān)測面B則一直保持線性增大的規(guī)律。隨著時間的推移，表層孔壓逐漸增大，而下部高程的孔壓增幅則相對較小。降雨結(jié)束后，表層的孔壓則緩慢回落，而“濕潤鋒”逐漸向尾礦壩深部發(fā)展。值得注意的是，尾礦壩內(nèi)部距離庫水位區(qū)越近，尾礦壩整體上的孔壓也越大。

4.3 尾礦壩安全穩(wěn)定變化規(guī)律

不同工況下的尾礦壩穩(wěn)定系數(shù)變化見圖6。

圖6 安全系數(shù)變化Fig.6 Change in safety factor

前期降雨條件下，尾礦壩安全系數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降的規(guī)律。在主降雨過程中，安全系數(shù)降幅更大，最終安全系數(shù)降幅逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定?？傮w而言，前鋒型降雨下降速度最快，其次是平均型降雨與中鋒型降雨，最后是后鋒型降雨。在停雨后，計算時間結(jié)束后的不同類型前期降雨安全系數(shù)降幅：(平均型前期降雨、前鋒型前期降雨、中鋒型前期降雨及后鋒型前期降雨)分別為12.15%、13.98%、18.87%及25.12%?？梢姡踩禂?shù)降幅在逐漸增大的同時，不同類型前期降雨下的安全系數(shù)降幅差異也在逐漸增大，呈現(xiàn)出不同類型前期降雨影響尾礦壩長期安全穩(wěn)定性的規(guī)律。

5 結(jié) 論

本文依據(jù)飽和-非飽和原理，利用巖土分析專業(yè)軟件Geostudio，對尾礦壩在前期降雨及主降雨條件下的滲流穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：

1) 前期降雨過程中，不同前期降雨影響了孔壓最先達到最大的時刻，“短歷時，強降雨”下主降雨過程中，孔壓有個突然升高的過程。停雨后，不同類型前期降雨對停雨后的孔壓影響不大，但是邊坡不同位置表層孔壓變化具有差異。

2) 隨著時間的推移，表層孔壓逐漸增大，而下部高程的孔壓增幅則相對較小。降雨結(jié)束后，表層的孔壓則緩慢回落，而“濕潤鋒”逐漸向尾礦壩深部發(fā)展。

3) 前期降雨條件下，尾礦壩安全系數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降的規(guī)律。在主降雨過程中，安全系數(shù)降幅更大，然后安全系數(shù)降幅逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。前鋒型降雨下降速度最快，其次是平均型降雨與中鋒型降雨，最后是后鋒型降雨。