基于三維滲流場(chǎng)下的某尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容安全穩(wěn)定性分析

□張 娟 楊文潤(rùn)

用以貯存金屬、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場(chǎng)所。對(duì)于入庫(kù)尾礦具有自然流動(dòng)性，采用水力輸送排放尾礦的濕式尾礦庫(kù)，其對(duì)地形和環(huán)境的要求較為特殊，受選址及征地困難等諸多因素的影響，在保障安全的前提下，對(duì)現(xiàn)有的尾礦庫(kù)進(jìn)行加高擴(kuò)容，確保礦山持續(xù)生產(chǎn)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的思路。對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行加高擴(kuò)容會(huì)導(dǎo)致其安全風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增大，因此必須對(duì)其壩體穩(wěn)定性和排洪系統(tǒng)是否滿足加高擴(kuò)容需要進(jìn)行充分論證。

在尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定計(jì)算中，尾礦庫(kù)壩體浸潤(rùn)線的埋深是尾礦壩安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是直接影響壩體穩(wěn)定安全的一個(gè)非常重要的因素。通常認(rèn)為控制浸潤(rùn)線就是尾礦壩的“生命線”，如尾礦壩運(yùn)行期間的浸潤(rùn)線如果高于控制浸潤(rùn)線，壩體極易產(chǎn)生滲透破壞。本文基于尾礦庫(kù)三維滲流分析，對(duì)某尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析論證，并根據(jù)分析結(jié)果提出尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后的運(yùn)行建議。

1.概況

圖6 正常運(yùn)行工況下B剖面浸潤(rùn)線云圖

圖7 正常運(yùn)行工況下C剖面浸潤(rùn)線云圖

某尾礦庫(kù)位于河北省承德市，坐落于燕山山地，尾礦庫(kù)所在溝谷，溝長(zhǎng)約1.5km，溝谷橫斷面呈“U”字型，溝底寬15m～105m，最低點(diǎn)約650m，最高點(diǎn)約845m，縱坡加權(quán)平均坡比約10.2%。

現(xiàn)狀初期壩為透水堆石壩，壩高22m，壩底標(biāo)高663m，壩頂標(biāo)高685m，壩頂寬4m，外坡比為1∶1.8，內(nèi)坡比約為1∶1.6，原設(shè)計(jì)尾礦堆積壩頂標(biāo)高760m，壩坡比為1∶3.5，尾礦庫(kù)總庫(kù)容約1450×104m3，其安全等別為三等庫(kù)。

尾礦堆積壩采用人工配合機(jī)械的上游法分級(jí)堆筑，放礦方式采用水力充填向庫(kù)內(nèi)分散放礦，加高前尾礦庫(kù)堆積壩壩頂標(biāo)高約731m，堆積壩高度46m，總壩高68m，堆積壩平均外坡比約1∶3.5。庫(kù)區(qū)內(nèi)最小干灘長(zhǎng)度為220m，水區(qū)長(zhǎng)度約400m。為降低尾礦庫(kù)運(yùn)行期浸潤(rùn)線，原設(shè)計(jì)尾礦堆積壩采取預(yù)埋排滲的措施，即自初期壩頂開(kāi)始每隔10m標(biāo)高置一道水平排滲設(shè)施，排滲體采用DN200排滲盲管，外包塑料排水網(wǎng)，排滲體通過(guò)集水管連接，將滲水導(dǎo)入壩面排水溝內(nèi)。

為增加尾礦庫(kù)庫(kù)容，擬將尾礦庫(kù)堆積壩壩頂標(biāo)高由原設(shè)計(jì)760m增高至775m，增高擴(kuò)容后尾礦庫(kù)總庫(kù)容為2005×104m3，總壩高112m。加高后尾礦壩760m～775m標(biāo)高堆積壩外邊坡平均坡比為1∶3.5。

2 .加高后尾礦庫(kù)等級(jí)及運(yùn)行控制參數(shù)

尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)等別為三等，擴(kuò)容后尾礦庫(kù)總庫(kù)容為2005×104m3，總壩高112m，按照《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB39496-2020），尾礦庫(kù)為等別為二等庫(kù)，主要構(gòu)筑物的等級(jí)為2級(jí)；加高擴(kuò)容的尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高一等，經(jīng)綜合考慮，尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)按洪水重現(xiàn)期1000年考慮，要求最小安全超高不小于1.5，最小干灘長(zhǎng)度不小于150m。

根據(jù)該尾礦庫(kù)地形條件及調(diào)洪演算，加高到775m標(biāo)高時(shí)，尾礦庫(kù)正常運(yùn)行條件下水位為769m，灘長(zhǎng)為300m；洪水運(yùn)行工況下，最高洪水位為769.8m，安全超高為5.2m，最小干灘長(zhǎng)度為260m。

根據(jù)《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB39496-2000），尾礦庫(kù)應(yīng)滿足滲流控制要求。濕式尾礦庫(kù)1、2級(jí)尾礦壩的滲流應(yīng)按三維數(shù)值模擬計(jì)算或物理模型試驗(yàn)確定。

加高擴(kuò)容的尾礦堆積壩的控制浸潤(rùn)線埋深不小于通過(guò)計(jì)算確定的控制浸潤(rùn)線的1.2倍，經(jīng)初步計(jì)算，確定壩體的控制浸潤(rùn)線埋深不小于6.6m。

圖12 洪水工況下B剖面浸潤(rùn)線云圖

圖13 洪水工況下C剖面浸潤(rùn)線云圖

3 .尾礦庫(kù)各土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，庫(kù)區(qū)內(nèi)地層自上而下劃分為5層，各土層的物理力學(xué)參數(shù)數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

4 .壩體滲流三維數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 基本方程

在滲流數(shù)值模擬分析計(jì)算中，有限元方法能有效處理復(fù)雜的邊界條件、材料的非均質(zhì)性及各向異性，并能方便的求解三維問(wèn)題，因此在工程中得以廣泛應(yīng)用。

根據(jù)不可壓縮流體的假設(shè)和水流連續(xù)條件，假定整個(gè)尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)符合達(dá)西定律，其三維穩(wěn)定滲流的基本微分方程為:

式中：

h—水頭函數(shù);

kx、ky、kz—x、y、z方向的滲透系數(shù)。

4.2 計(jì)算邊界條件

對(duì)尾礦庫(kù)堆至775m，正常運(yùn)行條件及洪水條件下的滲流進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，從而確定尾礦庫(kù)加高后在最大壩高時(shí)的滲流面，分析尾礦庫(kù)的滲透穩(wěn)定性，并將滲流計(jì)算得到的浸潤(rùn)面作為壩體穩(wěn)定分析的計(jì)算依據(jù)。

滲流計(jì)算模型將整個(gè)尾礦庫(kù)作為分析區(qū)域，基于固定網(wǎng)格求解尾礦庫(kù)內(nèi)孔隙水壓力分布，孔隙水壓力為零處即為求解的浸潤(rùn)面。

根據(jù)勘察報(bào)告，該尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)底部基巖及周圍山體為微透水或不透水層，滲流算主要針對(duì)尾礦堆積壩體、庫(kù)內(nèi)沉積的尾礦及初期壩透水堆石料，結(jié)合庫(kù)區(qū)及周圍巖土材料的滲透特性，計(jì)算模型的邊界條件簡(jiǎn)化如下：

一是庫(kù)區(qū)尾礦沉積灘面、堆積壩及初期壩下游坡面、排滲體內(nèi)表面為透水邊界；庫(kù)區(qū)底部基巖及周圍山體為不透水邊界。

二是滲流計(jì)算時(shí)，假設(shè)只發(fā)生水的運(yùn)移，不考慮尾礦壩體的位移和變形。

三是尾礦排放在沿壩頂分段交替進(jìn)行，放礦水不形成穩(wěn)定滲流。

尾礦庫(kù)平面示意圖見(jiàn)圖1，根據(jù)庫(kù)區(qū)1∶2000地形圖及加高擴(kuò)容方案建立尾礦庫(kù)三維實(shí)體模型見(jiàn)圖2，為分析尾礦庫(kù)的壩體穩(wěn)定情況，對(duì)尾礦庫(kù)最大壩高及兩側(cè)剖面進(jìn)行剖分，獲取相應(yīng)剖面（剖面編號(hào)：A、B、C、D）的浸潤(rùn)線用于壩體穩(wěn)定分析。

圖1 尾礦庫(kù)平面示意圖

圖2 尾礦庫(kù)三維實(shí)體模型圖

4.3 三維滲流數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)尾礦庫(kù)正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行工況下的水位標(biāo)高及干灘長(zhǎng)度，基于有限元分析理論，采用MidasGTSNX軟件進(jìn)行尾礦庫(kù)三維滲流數(shù)值模擬分析，計(jì)算結(jié)果以云圖形式給出，其中孔隙水壓力為零處為計(jì)算浸潤(rùn)面，孔隙水壓力為負(fù)的區(qū)域?yàn)榉秋柡蛥^(qū)，孔隙水壓力為正的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。

正常工況下模擬結(jié)果。壩頂堆至775m標(biāo)高時(shí)，正常運(yùn)行工況下，計(jì)算出的壩體浸潤(rùn)面左視云圖見(jiàn)圖3，右視云圖見(jiàn)圖4，各剖面相應(yīng)浸潤(rùn)線位置（剖面彩色云圖頂部為該剖面浸潤(rùn)線位置）見(jiàn)圖5～圖8。

圖3 正常運(yùn)行工況下尾礦庫(kù)浸潤(rùn)面左視圖

圖4 正常運(yùn)行工況下尾礦庫(kù)浸潤(rùn)面右視圖

圖5 正常運(yùn)行工況下A剖面浸潤(rùn)線云圖

圖8 正常運(yùn)行工況下D剖面浸潤(rùn)線云圖

由于初期壩體為透水壩，且堆積壩埋設(shè)了排滲體，在正常運(yùn)行工況下，灘面入滲點(diǎn)距壩頂約300m，尾礦堆積壩頂位置處浸潤(rùn)線埋藏較深，壩體浸潤(rùn)線埋深較小的位置位于堆積壩體700m～720m之間，浸潤(rùn)線受初期壩及排滲體影響，在相應(yīng)位置處有所降低。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩體浸潤(rùn)線（面）最小埋深約8.4m，滿足控制浸潤(rùn)線埋深6.6m的要求。

洪水工況下模擬結(jié)果。洪水工況下計(jì)算出的壩體浸潤(rùn)面左視云圖見(jiàn)圖9，右視云圖見(jiàn)圖10，各剖面相應(yīng)浸潤(rùn)線位置（剖面彩色云圖頂部為該剖面浸潤(rùn)線位置）見(jiàn)圖11～圖14。

圖9 洪水工況下尾礦庫(kù)浸潤(rùn)面左視圖

圖10 洪水工況下尾礦庫(kù)浸潤(rùn)面右視圖

圖11 洪水工況下A剖面浸潤(rùn)線云圖

圖14 洪水工況下D剖面浸潤(rùn)線云圖

洪水工況下，尾礦庫(kù)入滲點(diǎn)距壩頂約260m，較正常運(yùn)行工況靠近壩頂方向，滲水補(bǔ)給面積加大，浸潤(rùn)面（線）位置較正常運(yùn)行工況時(shí)有所升高。受入滲位置影響，堆積壩頂位置處浸潤(rùn)線上升較為明顯。壩體浸潤(rùn)線埋深最小的位置仍位于堆積壩體700m～720m之間。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩體浸潤(rùn)線（面）最小埋深約8.3m，滿足控制浸潤(rùn)線埋深6.6m的要求。

5 .加高擴(kuò)容后壩體安全穩(wěn)定分析

壩體安全穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），尾礦庫(kù)所在區(qū)域?yàn)棰龆鹊卣饏^(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，此工程按Ⅵ度地震進(jìn)行抗震驗(yàn)算。尾礦物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，壩體浸潤(rùn)線采用不同工況下滲流分析計(jì)算得到的浸潤(rùn)線位置，采用簡(jiǎn)化畢肖普法，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

W—土條重量，kN；

V—垂直地震慣性力，kN；

u—作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m；

α—條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，（°）；

b—土條寬度，m；

c＇—土條底面的凝聚力，kPa；

φ＇—土條底面的內(nèi)摩擦角，（°）；

Mc—水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；

R—圓弧半徑，m。

尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后，正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行工況下壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，壩體抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)及滑弧位置圖見(jiàn)圖15、圖16。

表2 堆積壩加高擴(kuò)容至775m后壩體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖15 775m標(biāo)高正常運(yùn)行工況下尾礦庫(kù)壩坡滑弧位置圖

圖16 775m標(biāo)高洪水及特殊工況下尾礦庫(kù)壩坡滑弧位置圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，尾礦庫(kù)正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行及特殊運(yùn)行工況下壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

6 .結(jié)語(yǔ)

三維滲流數(shù)值分析結(jié)果表明，一是尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后，在正常生產(chǎn)及洪水工況下，尾礦堆積壩下游壩坡浸潤(rùn)面最小埋深滿足規(guī)范控制要求。二是根據(jù)三維滲流獲取的浸潤(rùn)線進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果表明，不同工況下，尾礦壩體安全穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求的最小安全穩(wěn)定系數(shù)。三是在尾礦壩體設(shè)置的排滲設(shè)施可有效降低壩體浸潤(rùn)線，為確保尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后的安全穩(wěn)定，堆積壩體內(nèi)應(yīng)按要求埋設(shè)排滲體并確保其安全有效。四是尾礦庫(kù)運(yùn)行期間應(yīng)加強(qiáng)浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制浸潤(rùn)線埋深。當(dāng)發(fā)現(xiàn)壩體浸潤(rùn)線埋深小于控制浸潤(rùn)線埋深時(shí)，應(yīng)及時(shí)增設(shè)或更新排滲設(shè)施?！?/p>