伊敏露天礦蓄水池壩體滲流及穩(wěn)定性分析

柏 淼

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天礦生產(chǎn)調(diào)節(jié)蓄水池作為煤礦冬儲夏用的存儲水源的重要設(shè)施，必須保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，從結(jié)構(gòu)物本身角度出發(fā)，其根本就是蓄水池壩體邊坡的穩(wěn)定性問題。柴賀軍等[1]研究了天然土石壩發(fā)生滲流管涌、壩體失穩(wěn)、浸水漫壩等幾種破壞的誘因機(jī)理。寸春發(fā)等[2]人以粉煤灰為壩體填料為背景，研究了壩體邊坡在現(xiàn)狀自然條件下、荷載條件下、地震條件下等因素的穩(wěn)定性問題；王紹平等[3]以凹山采坑改建尾礦坑邊坡為例，采用節(jié)點(diǎn)虛流量法對西北幫邊坡地下水滲流進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)極限平衡法理論，探討了凹山采坑西北幫邊坡的穩(wěn)定性。

考慮到大部分露天礦區(qū)蓄水壩主要為場地附近的第四系土挖填平整填筑而成，壩體的填料及防滲措施較常規(guī)水利工程壩存在一定差距，以往對此類填筑非飽和黏性土壩體滲流穩(wěn)定性問題的研究不多，但蓄水壩做為礦區(qū)生產(chǎn)的主要附屬設(shè)施，其在水位變化條件下的安全穩(wěn)定問題值得研究。

1 礦山概況

伊敏露天礦生產(chǎn)調(diào)蓄水池總面積101 萬m2，現(xiàn)庫存容量109 萬m3，最深儲水5.6 m，最高壩高8.2 m。蓄水池壩體為黏性土堆砌而成梯形壩，坡頂上頂寬約4 m，內(nèi)外坡均采用毛石護(hù)坡，內(nèi)側(cè)迎水坡坡角約22°，外側(cè)背水坡坡角約26°?？紤]到現(xiàn)狀下壩體邊坡已存在裂縫及局部毛石坡面被水浪沖蝕的現(xiàn)象，確保壩體安全運(yùn)行存在很多需要解決的問題。

1）地質(zhì)條件。為了調(diào)查壩體及壩基地層情況，在壩體頂部、下游壩基位置布置鉆孔進(jìn)行了勘察，地層結(jié)構(gòu)主要由填土、耕土、黏性土、砂土等構(gòu)成［4］。地層自壩頂由上而下為：①雜填土：褐色為主，稍濕，松散，主要由黏性土、礫石構(gòu)成，含植物根系，該層普遍分布于壩基頂部；②素填土（粉質(zhì)黏土）：黃褐色為主，局部夾黑色，可塑，主要由硬塑狀粉質(zhì)黏土構(gòu)成，混少量礫石，該層系壩基主要建筑材料；③素填土（礫砂）：黃褐色，稍濕，密實(shí)，長石、石英質(zhì)，該層呈透鏡體狀分布于下游壩基處，系壩基建筑材料之一，為壩基設(shè)置的水平排滲墊層；④黏土：黃褐色，硬塑，夾粉質(zhì)黏土層，局部與粉土互層；⑤細(xì)砂：黃褐色為主，稍濕～飽和，中密，主要由石英和長石組成，顆粒均勻，級配差。局部混黏性土；⑥圓礫：黃褐色為主，局部灰褐色，稍濕～飽和，中密～密實(shí)，主要由石英和長石組成，級配良好。

2）安全隱患情況。蓄水池壩體主要為就地取材的粉質(zhì)黏土和黏土，經(jīng)分層碾壓堆砌而成，在蓄水池西南側(cè)池底有巖性出露，為粉質(zhì)黏土地層，但未見池底的土工膜防滲層。蓄水池壩體的上游迎水面鋪設(shè)毛石護(hù)坡，坡面較平整，個別部位出現(xiàn)護(hù)坡面凹陷，水池毛石護(hù)坡未滿鋪至壩體頂部，距離壩體頂部約1.5 m。壩頂面鋪設(shè)0.5 m 砂礫石路渣，可供小型車輛和人通行，下游壩基處設(shè)置水平排滲砂礫石墊層。從蓄水池壩體整體看，壩體外觀完整性較好，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)蓄水池壩體存在裂縫、鼠洞蟻穴、植物生長、毛石護(hù)坡塌陷、岸坡侵蝕淘空、局部地段未設(shè)置場外護(hù)欄等威脅壩體安全的隱患。

3）蓄水水量損失情況。為了掌握蓄水池水量損失情況，對照分析計(jì)算滲流量，于2021 年5 月期間進(jìn)行了為期18 d 的水位觀測工作，觀測的內(nèi)容包括蓄水池內(nèi)水位、水深、池內(nèi)水面面積、現(xiàn)狀庫容量變化趨勢等數(shù)據(jù)，測量蓄水池庫容量由1 098 661 m3減至963 030 m3，水位呈動態(tài)下降趨勢，平均水量損失值為7 000 m3/d，觀測期間，露天礦和伊敏電廠排水均為不定時和不定量的斷續(xù)性排放，排水量估值2 000 m3/d，預(yù)計(jì)蓄水池的多日平均總損失水量約為9 000 m3/d。

2 蓄水池壩體邊坡的滲流及穩(wěn)定性分析

2.1 壩體邊坡滲流分析

本次計(jì)算的巖土體的本構(gòu)模型應(yīng)用Mohr－Coulomb 彈塑性模型，該模型所涉及到的參數(shù)有：巖土體的密度、相關(guān)彈性模量、巖土體強(qiáng)度參數(shù)和泊松比等，如涉及到滲流變形時還需要巖土體的滲透系數(shù)；巖土體截面屬性均為實(shí)體，采用soils 穩(wěn)態(tài)分析步，由于巖土體的本構(gòu)模型為Mohr－Coulomb 模型，采用非對稱unsymmetric 法分析計(jì)算。

邊界約束方面將底部邊界設(shè)置為x、y 2 個方向的約束，上、下游邊界只設(shè)置x 方向的約束，坡頂及坡面不設(shè)置任何約束。上游總水頭邊界條件由池內(nèi)各剖面水位高度確定，下游總水頭邊界由鉆孔勘察穩(wěn)定水位高度確定，坡面和坡腳設(shè)置為自由滲出段邊界，底部邊界設(shè)為不透水邊界[5]。

巖土物理力學(xué)參數(shù)通常從以下2 個途徑獲?。孩偈覂?nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)；②從規(guī)范和類似工程中得到相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值。結(jié)合上述2 種方法得出的各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，綜合選取典型剖面為計(jì)算剖面，模擬計(jì)算中對模型的左、下2 個方向邊界拓展。模擬計(jì)算模型的左、右邊界至坡趾的距離取2 倍的壩高，坡底向下延伸也為2 倍的壩高。典型剖面處壩頂面處高程676.8 m 水平，壩高達(dá)到8.1 m。典型剖面孔隙水壓力分布如圖1。典型剖面壩體滲流流速如圖2。

圖1 典型剖面孔隙水壓力分布云圖

圖2 典型剖面壩體滲流流速云圖

由圖1 可知，壩體孔隙水壓力為0 的線為浸潤線的位置，可以看出2 種水位標(biāo)高的浸潤線變化趨勢基本一致，浸潤線均在壩體表面以下，且埋深較大，最高可儲水位工況浸潤線較現(xiàn)狀水位工況浸潤線有所上升，最大孔隙水壓力上升2.1 kPa。

由圖2 可知，由于下游壩基附近鋪設(shè)水平排滲砂礫石墊層，礫砂層滲透系數(shù)較大，該層流速相對較大，壩體上游向下游滲流路徑有2 個方向：①蓄水池壩體內(nèi)部的滲流路徑為水流從上游坡面進(jìn)入，由下游壩基的砂礫石層向下游壩腳處匯集，如水池內(nèi)水位繼續(xù)上升，壩體浸潤線有繼續(xù)上升穿過壩坡坡腳的趨勢；②從蓄水池底部透過隔水層向下部含水層滲流。經(jīng)計(jì)算不同工況下壩體滲流量為現(xiàn)狀水位工況0.233 2 m3/d，最高可儲水位工況0.267 5 m3/d，根據(jù)壩體周長求得蓄水池總滲流量1 084 m3/d。

滲流分析結(jié)果顯示，典型剖面浸潤線均在壩體表面以下，且由于壩體下游基底范圍內(nèi)設(shè)有水平排滲礫砂石墊層，該層滲透系數(shù)較大，流速較大，若池內(nèi)水位超過674.7 m 水位標(biāo)高繼續(xù)上升，可能發(fā)生滲透破壞。

2.2 壩體邊坡穩(wěn)定性分析

壩體邊坡潛在破壞面的確定有2 種方法[6]：一是根據(jù)位移場分布；二是根據(jù)塑性應(yīng)變的分布。典型剖面壩體失穩(wěn)時等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D3。典型剖面壩體失穩(wěn)時水平增量位移如圖4。

圖3 典型剖面壩體失穩(wěn)時等效塑性應(yīng)變云圖

圖4 典型剖面壩體失穩(wěn)時水平增量位移云圖

由圖3 可知，現(xiàn)狀水位工況（674.0 m 水平）、最高可儲水位工況（674.7 m 水平）下壩體斷面等效塑性應(yīng)變在上游側(cè)毛石頂與下游壩基之間形成貫通區(qū)，預(yù)示著上游壩坡將會沿該面發(fā)生整體滑移破壞，2 種水位工況的塑性應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在壩底礫砂層，因?yàn)橛赏杆阅茌^差的區(qū)域（粉質(zhì)黏土）流入透水性能相對較好的區(qū)域（礫砂）時，產(chǎn)生較大的滲透動水壓力，增大水力坡降，造成土體顆粒移動，故最大塑性應(yīng)變值出現(xiàn)在該區(qū)域。

由圖4 可知，現(xiàn)狀水位工況（674.0 m 水平）、最高可儲水位工況（674.7 m 水平）下壩體斷面最大增量位移的分布形成了明顯的圓弧形滑動面，這與對應(yīng)塑性區(qū)位置相同，預(yù)示著上游壩坡將會沿該面向壩外滑動破壞，最高可儲水位相較現(xiàn)狀水位工況最大增量水位位移增大明顯。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀水位工況下，壩坡的安全系數(shù)為1.32，最高可儲水位工況下，壩坡的安全系數(shù)在1.28。

穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示，典型剖面安全系數(shù)為1.32、1.28，均大于規(guī)定的安全系數(shù)1.25[7]，即在現(xiàn)狀地形、地層厚度和各地層巖土參數(shù)條件下，按最高可儲水位標(biāo)高考慮時，壩體不會發(fā)生滑動失穩(wěn)破壞。

3 防治建議

1）對于壩體安全儲備較低的地段，在保證蓄水池安全的前提下，不改變原有壩高，應(yīng)對其進(jìn)行加固處理。建議采取重新分層碾壓或注漿堵縫的方式進(jìn)行加固處理，使壩體變成均勻、密實(shí)、連續(xù)的構(gòu)筑物，并消除前文提及的其他危害壩體安全的隱患。

2）考慮到壩體邊坡受池內(nèi)水體的沖刷侵蝕作用，建議對壩體邊坡進(jìn)行安全監(jiān)測和雨水情監(jiān)測[8]，其中安全監(jiān)測包括滲流量、滲透壓力、揚(yáng)壓力、壩體表面變形等參數(shù)；雨水情監(jiān)測包括降雨量、水位、氣溫、風(fēng)向和風(fēng)力、蒸發(fā)量等。

4 結(jié)語

1）壩基下游附近鋪設(shè)水平排滲砂礫石墊層，礫砂層滲透系數(shù)較大，造成流速相對較大，滲流量損失主要發(fā)生在該層。

2）滲流分析表明，蓄水池內(nèi)水位上升，壩體浸潤線有繼續(xù)上升穿過壩坡坡腳的趨勢，若壩體內(nèi)水位超過674.7 m 水平標(biāo)高繼續(xù)上升，可能發(fā)生滲透破壞。

3）穩(wěn)定性分析表明，壩體內(nèi)水位抬升會造成壩體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降低，但按最高可儲水位標(biāo)高考慮時，壩體安全性尚有一定儲備。