曹紀剛 樂 陶

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

尾礦庫是堆存金屬及非金屬等礦山選礦廢棄物的構筑物，其數(shù)量隨國家對礦產(chǎn)資源的巨大需求而快速增加。我國現(xiàn)有尾礦庫1 500余座［1］，尾礦庫的重大事故時有發(fā)生，對下游居民的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅，也給企業(yè)帶來不可估量的損失，在社會上造成極壞的影響。因此，需要做好尾礦壩的安全管理工作，提高壩體的穩(wěn)定性，而尾礦庫滲流場作為影響其穩(wěn)定性的一個主要因素也就顯得尤為重要。

1 三維滲流場有限元原理［2-4］

非均質各向異性多孔隙介質中的穩(wěn)定飽和滲流連續(xù)微分控制方程為

式中，xi為橫坐標，i=1，2，3;kij為二階對稱的達西滲透系數(shù)張量，描述巖體的滲透各向異性;h=x3+p/γ為總水頭，x3為位置水頭，p/γ為壓力水頭;Q為滲流域中的源或匯項。

邊界條件:

式中，h1為已知水頭函數(shù);ni為滲流邊界面外法線方向余弦，i=1，2，3;Γ1、Γ2分別為已知水頭的第一類、第二類滲流邊界條件;Γ3為位于滲流域中滲流實區(qū)和虛區(qū)之間的滲流自由面;Γ4為滲流逸出面; qn為邊界面法向流量，流出為正。式(1)～(5)均采用張量記法。

2 工程應用

2.1 工程概況

某尾礦庫三面環(huán)山，屬低山丘陵地帶，坡腳較陡。庫區(qū)總匯水面積0.3 km2，地下水的補給受大氣降水和尾礦庫蓄水的影響和控制，影響尾礦壩穩(wěn)定性的地下水因素主要來自尾礦堆積體中的地下水徑流因素。庫區(qū)內主要地層為新近沖填尾礦堆積體、第四系全新—更新統(tǒng)天然土層、三疊系地層。第四系土層透水性微弱，不具有統(tǒng)一的水力坡度，是相對的隔水層。

2.2 參數(shù)選取

滲透試驗中得出的滲透系數(shù)為垂直滲透系數(shù)值，且尾砂中含有諸多細粒夾層，故表現(xiàn)出較強的各向異性，一般將水平滲透系數(shù)設成垂直滲透系數(shù)的10倍來進行考慮。材料三向滲透系數(shù)取值見表1。

表1 各材料三向滲透系數(shù)取值 cm/s

2.3 有限元建模和計算方案

為了盡可能正確地模擬拐沖尾礦庫庫區(qū)范圍內的滲流場，本次計算以庫區(qū)初期壩及尾礦堆積的實際情況、巖體水文地質特性結果及山體地形地貌狀況等為依據(jù)，對地質剖面進行簡單概化［5］，合理地選擇庫區(qū)滲流場計算域大小以及確定其滲流的邊界條件，對材料進行合理分區(qū)。對預埋排滲盲溝，則將其表面看作可能浸出面來進行處理。

網(wǎng)格單元主要是八結點六面體空間等參單元，同時輔以六節(jié)點五面體空間等參單元，從而最終形成疏密有致的、質量較高的三維滲流場有限元計算網(wǎng)格。圖1為現(xiàn)狀模型，圖2為最終堆積標高時的模型。

3 計算方案

包括現(xiàn)狀以及最終堆高在正常水位與洪水位等4種工況下的三維滲流場分析。見表2。

表2 不同標高下的計算工況 m

4 結果分析

由于篇幅限制，本文僅選取中間最高剖面的計算來進行分析。

由圖3～圖6可以看出，滲流場的規(guī)律基本類似，等水頭線分布均勻，相比尾礦而言初期壩的滲透系數(shù)比較大，故在初期壩與尾礦接觸位置水位有一定的陡降趨勢。

圖3為現(xiàn)狀堆積標高下正常水位時的主剖面等水頭線分布情況。由此可知，浸潤線埋深較大，最高位置位于壩頂位置，預埋的排滲盲溝沒有發(fā)揮排水降壓作用。

圖4為現(xiàn)狀堆積標高下最高洪水位時的主剖面等水頭線分布情況。由于庫內干灘長度的減小，該情況下的浸潤線整體升高，在壩頂位置變化最大，升高了約5 m，變化最小的地方為初期壩上游側的位置，大約升高了1 m，排滲盲溝仍然處于失效狀態(tài)。

圖5為最終堆積標高正常水位時的等水頭線，此時的浸潤線埋深較大，但最小埋深相比圖3小了1m，這是由于堆積的坡面陡于尾礦壩內部浸潤線的坡度，隨著尾礦壩的上升，其下游位置處的浸潤線會有一定程度的上升，此時的排滲盲溝沒有發(fā)揮作用。

圖6為最終堆積標高最高洪水位時的等水頭線，與圖5相比，任意位置的浸潤線都有不同程度的升高，該工況下的下層排滲盲溝發(fā)揮其排滲作用，使得該局部的浸潤線受到了一定程度的控制。

表3為各種工況下的浸潤線埋深。

表3 各工況浸潤線埋深 m

5 結論

(1)計算結果表明，干灘的長度越長，對上游浸潤線降低效果越明顯，而對下游降低效果則不是很明顯;因此，對該尾礦庫，運行期中通過對干灘長度的控制可有效限制壩體內浸潤線的高低，從而保證壩體的安全。

(2)運行期間要注意觀測沉積坡度的變化情況，當發(fā)現(xiàn)沉積坡度變緩時，則要嚴格保證干灘長度、安全超高等符合規(guī)范和設計，同時應對其調洪能力進行演算。

(3)計算表明，在相同干灘長度的前提下，隨著尾礦堆積高度的升高，壩體內下游處浸潤線的不斷上升。故在尾礦庫后期堆壩的運行過程中，應加強對浸潤線的觀測，而且在運行過程中應注意保證排滲盲溝的暢通性，保證其在浸潤線較高時能發(fā)揮其排滲排水的作用。

［1］ 騰志國.關于尾礦壩地震穩(wěn)定性的分析及評價［J］.河北冶金，2003(1):16-17.

［2］ 薛禹群.地下水動力學原理［M］.北京:地質出版社，1986.

［3］ 毛昶熙.滲流計算分析與控制［M］.北京:中國水利電力出版社，1990.

［4］ 陳建余.非穩(wěn)定飽和－非飽和滲流場數(shù)值計算關鍵技術及其應用研究［D］.南京:河海大學，2003.

［5］ 趙 堅，紀 偉，等.尾礦壩地質剖面概化及其對滲流場計算的影響［J］.金屬礦山，2003(12):24-27.