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        尾礦庫壩體加高方案排水分析

        2010-05-08 12:59:38徐維生柴軍瑞李娟娟陳興周
        水土保持通報(bào) 2010年5期
        關(guān)鍵詞:尾礦庫滲透系數(shù)尾礦

        徐維生,柴軍瑞,李娟娟,白 勇,陳興周,

        (1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西西安710048;2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西西安710065)

        尾礦壩的穩(wěn)定涉及到下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、工程安全、經(jīng)濟(jì)效益,近些年國(guó)內(nèi)有些尾礦壩失事給工程帶來了嚴(yán)重的損失。排水分析是尾礦壩穩(wěn)定問題的重要組成部分[1-6]。重新建設(shè)一個(gè)尾礦壩需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力,在工程允許范圍內(nèi),有些工程單位在原尾礦庫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行加高設(shè)計(jì),以延長(zhǎng)尾礦庫的使用年限[7-8]。但是尾礦庫加高之后,必然帶來尾礦庫整體浸潤(rùn)面的提高,對(duì)穩(wěn)定是非常不利的,因此在確定加高方案之前一定要做尾礦庫排水分析[9-10]。以一實(shí)際工程鉆孔實(shí)測(cè)水位反演滲透參數(shù),進(jìn)行加高方案排水分析,以便為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

        1 基本資料

        某金礦尾礦庫1996年9月開始組織施工,屬山谷形尾礦庫,1998年6月竣工并投入運(yùn)行,1999年5月4日通過了陜西省勞動(dòng)廳組織的竣工驗(yàn)收。尾礦庫壩址選在距東溝溝口1 400 m處的狹窄地段,由兩期壩組成。初期壩為碎石土壩,用碎石土逐層碾壓筑壩,壩高28 m,壩頂寬3.5 m,壩上游坡為1∶1.7,下游坡為1∶2.2,下游坡設(shè)2條寬2 m的馬道;后期壩為尾礦堆積壩,共設(shè)6個(gè)平臺(tái),平臺(tái)寬2 m,最大堆積高度69 m,堆積外坡為1∶5.0,內(nèi)坡為自然沉積坡1∶100,平均年堆積高度2.76 m,最終總壩高97 m,總庫容為1.29×107m3,尾礦庫匯水面積10.125 km2,尾礦庫類別為三等庫,服務(wù)年限25 a。

        尾礦庫分為初期壩(28 m)和后期堆積壩(69 m)形成整個(gè)的尾礦庫,庫內(nèi)設(shè)有5個(gè)排水井、一支排洪涵洞、回水泵站一座,壩面設(shè)置有平臺(tái)、排水溝、截洪溝、簡(jiǎn)易公路(1 500 m)、馬道,在壩體上游設(shè)置攔洪壩。

        受該礦業(yè)有限責(zé)任公司委托,在《某礦業(yè)有限責(zé)任公司尾礦庫現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告》(西北有色勘測(cè)工程公司編制,2008年3月)等資料的基礎(chǔ)上,分析堆積至設(shè)計(jì)壩頂高程1 339 m后再加高20 m時(shí)對(duì)尾礦庫壩體滲流的影響。

        該尾礦壩滲流參數(shù)反演分析以該礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告為基礎(chǔ),用三維有限元法進(jìn)行了尾礦壩現(xiàn)狀(勘查時(shí))滲流參數(shù)反演分析,為該尾礦壩加高改造后堆積高程達(dá)1 359 m時(shí)的滲流分析提供依據(jù)。為了充分利用鉆孔勘探資料并突出主要問題,該尾礦壩滲流參數(shù)反演分析模型取實(shí)測(cè)鉆空1—8之間的區(qū)域。

        2 滲流參數(shù)反演分析

        表1—2分別為反演滲透系數(shù)初值和最佳擬合模型滲流參數(shù)值。

        表1 反演分析擬合模型滲透系數(shù)取值范圍和試算初值

        表2 最佳擬合模型滲流參數(shù)

        3 加高方案滲流場(chǎng)數(shù)值分析

        該尾礦庫加高后的滲流數(shù)值分析是在尾礦庫現(xiàn)狀滲流參數(shù)反演分析的基礎(chǔ)上,以該黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫加高方案為依據(jù),采用大型通用軟件ADINA中的ADINA—T模塊,對(duì)尾礦庫加高到1 359 m高程時(shí)的滲流場(chǎng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值分析。

        3.1 滲流數(shù)值分析依據(jù)

        尾礦庫加高到1 359 m高程時(shí)滲流數(shù)值分析依據(jù)為:(1)尾礦庫現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告;(2)尾礦庫現(xiàn)狀勘探點(diǎn)平面布置圖;(3)尾礦庫治理工程平面圖;(4)尾礦庫現(xiàn)狀滲流參數(shù)反演分析報(bào)告所得的最佳擬合滲透系數(shù)見表2。

        3.2 滲流數(shù)值分析模型

        3.2.1 加高方案 該礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫加高方案,即在尾礦庫現(xiàn)狀基礎(chǔ)上從8—8剖面向上游推進(jìn)300 m,然后以1∶5的坡度升高至1 359 m高程。加高方案示意圖見圖1。

        3.2.2 模型剖面 計(jì)算模型共取18個(gè)橫剖面作為建模的控制剖面,模型的前8個(gè)控制剖面(剖面1—1至剖面8—8)是以《某尾礦庫現(xiàn)狀巖土工程勘察報(bào)告》提供的尾礦庫工程地質(zhì)剖面圖1—1至8—8為依據(jù);模型的后8個(gè)控制剖面(剖面12—12至剖面19—19)依據(jù)該黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司提供的尾礦庫治理工程平面圖得出。

        3.2.3 計(jì)算模型 尾礦庫加高方案的計(jì)算模型包含初期堆石壩、尾礦壩體、風(fēng)化碎石層,模型區(qū)域選取初期壩壩趾斷面到19—19橫剖面之間的區(qū)域。

        3.3 滲流數(shù)值分析工況

        滲流數(shù)值分析將尾礦壩體加高到1 359 m高程后,干灘長(zhǎng)度為0 m時(shí)作為第一種計(jì)算工況;尾礦壩體加高到1 359 m高程后,干灘長(zhǎng)度為50 m時(shí)作為第2種計(jì)算工況。

        圖1 尾礦庫加高方案示意圖(注:圖中數(shù)據(jù)為剖面編號(hào))

        3.4 滲流分析計(jì)算

        尾礦庫加高到1 359 m高程時(shí)的滲流計(jì)算采用三維有限元法,應(yīng)用大型通用軟件ADINA中的ADINA—T模塊對(duì)加高后的尾礦壩體進(jìn)行計(jì)算分析。

        3.4.1 邊界條件 滲流計(jì)算模型的邊界條件為

        (1)第1類邊界條件。將初期堆石壩的壩趾斷面和19—19橫剖面作為已知水頭邊界條件,其上水頭分別為1 242 m(初期壩壩趾高程)和1 359 m(尾礦壩體加高后最高水位)。

        (2)第2類邊界條件。將風(fēng)化碎石層和基巖的交界面作為已知流量邊界條件,通過此交界面的滲流量為0。

        (3)在初期堆石壩的壩趾斷面和19—19橫剖面之間存在一個(gè)具體位置待定的滲流自由面(包括溢出線),通過此滲流自由面的滲流量為0,且其上各點(diǎn)的水頭等于相應(yīng)點(diǎn)的位置高程。

        3.4.2 計(jì)算參數(shù) 計(jì)算模型中各分區(qū)滲透參數(shù)采用表2的最佳擬合計(jì)算值。

        3.4.3 計(jì)算結(jié)果 2種工況下計(jì)算的自由面溢出點(diǎn)局部放大圖見圖2—3。

        圖2 工況1溢出點(diǎn)局部放大圖

        圖3 工況2溢出點(diǎn)局部放大圖

        (1)尾礦庫加高到1 359 m高程后,工況1與工況2的計(jì)算結(jié)果均表明,滲流自由面及滲流溢出點(diǎn)的位置很高,這與尾礦庫在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上從8—8橫剖面向上游推進(jìn)300 m后,增加了日排放量,再以1∶5的坡度升高到1 359 m高程有較大關(guān)系。

        (2)尾礦庫加高到1 359 m高程后,若仍采用現(xiàn)狀排滲方案,高水位可能導(dǎo)致整個(gè)尾礦堆積體處于飽和狀態(tài)。因此,尾礦庫加高到1 359 m高程后必須加強(qiáng)排滲設(shè)施。

        4 結(jié)論

        (1)尾礦庫加高到1 359 m高程后,在進(jìn)行靜力分析與穩(wěn)定分析時(shí),尾礦壩體滲流自由面位置(或滲流浸潤(rùn)線位置)應(yīng)采用工況1的情況。

        (2)建議該尾礦庫加高方案設(shè)計(jì)中,在尾礦壩體中布設(shè)排滲管等排滲設(shè)施,排滲管的周圍要設(shè)置過渡層和反濾層,并嚴(yán)格要求施工質(zhì)量以保證排滲設(shè)施良好的工作狀態(tài)。

        (3)最佳擬合模型尾礦砂(擬合滲透系數(shù)2.0×10-6m/s)滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于室內(nèi)測(cè)試平均值9.26×10-8m/s(0.008 m/d)。最佳擬合模型滲透系數(shù)中已等效反映了排滲措施的作用。

        (4)東溝尾礦壩加高擴(kuò)容改造后堆積高程達(dá)1 259 m,滲流分析時(shí)尾礦砂﹑風(fēng)化巖體和初期壩堆石的模型滲透系數(shù)可分別取為 2.0×10-6,4.0×10-6和 1.0×10-4m/s。

        (5)加高后尾礦壩浸潤(rùn)線變高,必須加強(qiáng)防滲排水措施,最好在加高后加設(shè)浸潤(rùn)線觀測(cè)措施。

        [1] 趙堅(jiān),紀(jì)偉,劉志敏.尾礦壩地質(zhì)剖面概化及其對(duì)滲流場(chǎng)計(jì)算的影響[J].金屬礦山,2003(12):24-28.

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