李 權(quán)，黨發(fā)寧，郭振世，任 吉力

（1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西西安710048；2.金堆城鉬業(yè)集團有限公司，陜西華縣714102）

尾礦壩干灘長度確定方法及影響因素分析

李 權(quán)1，黨發(fā)寧1，郭振世2，任 吉力1

（1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西西安710048；2.金堆城鉬業(yè)集團有限公司，陜西華縣714102）

針對目前尾礦壩干灘長度無統(tǒng)一控制標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀 ，提出了根據(jù)允許水力坡降、允許最大流量、浸潤面埋深以及邊坡穩(wěn)定性等判據(jù)確定尾礦壩干灘長度的方法。分析了尾礦滲透系數(shù)、尾礦填筑速度、排滲設(shè)施以及尾礦壩壩高等因素對尾礦壩干灘長度的影響：當(dāng)尾礦的滲透系數(shù)較小、尾礦填筑速度較快、排滲設(shè)施效果較差以及尾礦壩壩高較高時，應(yīng)適當(dāng)增加尾礦壩的干灘長度。分析表明 ，依據(jù)文中所提判據(jù)可以很好地確定尾礦壩的干灘長度，相對于傳統(tǒng)方法提高了計算精度 ，該方法具有一定的可行性可靠性。

尾礦壩；干灘長度；確定方法；影響因素

尾礦壩工程中，干灘長度是指堆積壩壩頂?shù)綆靸?nèi)水邊線的距離，是評價尾礦庫安全穩(wěn)定的一個重要參數(shù)［1］?！段驳V庫安全技術(shù)規(guī)程》［2］（AQ2006－2005）明確規(guī)定了各等級尾礦庫的最小干灘長度。尾礦壩工程是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其生產(chǎn)、服務(wù)年限通常比較長，尾礦料的滲透固結(jié)特性比較復(fù)雜，壩體排滲設(shè)施的效果難以預(yù)測，浸潤線埋深受干灘長度的影響比較大。而實際工程中的干灘長度，大多是設(shè)計者在規(guī)范的基礎(chǔ)上依靠經(jīng)驗而定，由于影響壩坡穩(wěn)定性的因素很多，因此，準(zhǔn)確尺度往往很難把握。

本文在此背景下，從規(guī)范規(guī)定、壩面水力坡降、壩體滲透流量、浸潤面埋深及邊坡穩(wěn)定性等幾個方面提出了確定尾礦壩干灘長度的方法，并探討了影響尾礦壩干灘長度控制標(biāo)準(zhǔn)的影響因素，對實際工程有一定的指導(dǎo)意義。

1 干灘長度確定方法

1.1 《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》［2］（AQ2006－2005）標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)程規(guī)定二等上游式尾礦壩的最小安全超高為1.0m，最小灘長為100m。

1.2 允許水力坡降判據(jù)

滲透穩(wěn)定是尾礦壩安全控制中最重要的問題之一，在筑壩材料和排滲設(shè)施已定的情況下，干灘長度直接影響壩體的浸潤線埋深，進而影響壩體各關(guān)鍵位置的水力坡降，為了保證尾礦壩的安全穩(wěn)定，要求將尾礦料各關(guān)鍵位置的逸出水力坡降 ie限制在允許水力坡降［i］之內(nèi)［3］，即：

式中：icr為臨界水力坡降；Fs為安全系數(shù)，常取2.0～2.5。

1.3 允許最大流量判據(jù)

尾礦壩滲流量的控制以降低壩體的浸潤線為目的，但其值不宜過大，否則容易發(fā)生滲透破壞?？砂聪率焦浪銐误w的總滲流量［4］：

式中：k為尾礦料的平均滲透系數(shù)（m／s）；A為尾礦壩的最大過流斷面（m2）。

通過模型預(yù)測，對比不同干灘長度下壩體的滲流計算結(jié)果，以尾礦壩中各關(guān)鍵位置的水力坡降和壩體的總滲透流量兩個量值為判據(jù)，結(jié)合壩體內(nèi)孔隙水壓力、浸潤線埋深進行綜合分析，可給出壩體的安全干灘長度。

1.4 浸潤面埋深判據(jù)

文獻［5］規(guī)定尾礦壩的浸潤面最小埋深為6 m～8m。為確保壩體安全穩(wěn)定，浸潤面埋深應(yīng)留有足夠的富余。浸潤面離壩坡距離越長，對壩體安全穩(wěn)定越有利，但過分追求浸潤面的埋深會增加對排滲設(shè)施的投資。

1.5 邊坡穩(wěn)定性判據(jù)

規(guī)程［2］規(guī)定尾礦初期壩與堆積壩壩坡的抗滑穩(wěn)定性計算宜采用瑞典圓弧法，當(dāng)壩基或壩體內(nèi)存在軟弱土層時，可采用改良圓弧法。

瑞典圓弧法假定滑動土體為一個剛體，當(dāng)邊坡失穩(wěn)時，土體繞一圓心發(fā)生轉(zhuǎn)動。土體的安全系數(shù)定義為抗滑力矩與滑動力矩的比值［6］，如下式所示：

式中：MR為抗滑力矩；MS為滑動力矩。

規(guī)程同時規(guī)定二等尾礦庫正常運行時的壩坡最小安全系數(shù)為1.25。

2 影響干灘長度控制標(biāo)準(zhǔn)的因素分析

2.1 尾礦滲透系數(shù)的影響

由上游式尾礦壩的沉積規(guī)律［7］可知，堆積尾礦的滲透系數(shù)呈現(xiàn)庫前大、庫尾小、壩面大、壩底小的特點。因此，尾礦庫的上部為主要滲透區(qū)，當(dāng)干灘長度較短時，尾礦放水的滲透程度高，容易抬高浸潤面，壩體趨于不穩(wěn)定。適當(dāng)增加干灘長度后，尾礦放水的入滲點位于滲透系數(shù)較小的堆料區(qū)，從而可以減小尾礦堆積壩的滲透量，也能減小壩體的平均水力坡降，壩體趨于穩(wěn)定。

2.2 尾礦壩填筑速度的影響

尾礦堆積初期，尾礦壩的填筑速度通常比較大，但此時尾礦料的滲透系數(shù)較大，壩體內(nèi)超靜孔隙水壓力下降較快，較短的干灘長度也可以滿足壩體的穩(wěn)定要求；當(dāng)尾礦堆積至中后期，壩體高度相應(yīng)增高，前期堆積的尾礦由于固結(jié)作用滲透系數(shù)有所減小，此時壩體的超靜孔隙水壓力消散較慢，在一定的干灘長度下應(yīng)適當(dāng)?shù)目刂莆驳V的填筑速度。

2.3 排滲設(shè)施的影響

排滲設(shè)施對尾礦壩浸潤面的埋深影響非常大，尾礦壩的排滲設(shè)施主要有水平排滲、豎向排滲和豎向水平組合排滲三種基本類型［8］。排滲設(shè)施排滲效果較好時，壩體的浸潤面埋深可以控制在安全范圍內(nèi)，干灘長度可以適當(dāng)減??；排滲設(shè)施的排滲效果較差時，壩體的浸潤面會有所抬高，此時只能通過增加干灘長度來增加壩體的穩(wěn)定性。

2.4 尾礦壩壩高的影響

尾礦壩壩內(nèi)的浸潤面會隨著尾礦堆積子壩的不斷堆筑而抬升，可能在堆積壩面形成滲流出口，影響壩體的穩(wěn)定［9］；另外，尾礦壩壩高越高，其上下游水頭差越大，壩體的飽和區(qū)越大，如果尾礦壩干灘長度不足，尾礦砂液化的產(chǎn)生和發(fā)展將對壩體的安全穩(wěn)定極為不利［10］。由此可見，當(dāng)尾礦壩壩高較高時，為保證壩體安全，應(yīng)適當(dāng)增加干灘長度。

3 數(shù)值計算驗證

3.1 工程背景

該尾礦壩為上游式山谷型尾礦壩，初期壩為透水堆石壩，壩底標(biāo)高1 012.0m，壩頂標(biāo)高1 080.0m，初期壩高68.0m，尾礦最終堆積標(biāo)高1 203.0m，尾礦堆壩高度123.0m，總壩高191.0 m，堆積壩平均外坡比為1∶5.0，沉積灘平均坡比為3∶100，設(shè)計庫容為2.35×108m3，設(shè)計有效庫容為2.0×108m3，服務(wù)年限24.3 a。為二等尾礦庫，構(gòu)筑物級別為二級，其平面位置布置圖如圖1所示。

圖1 某尾礦壩平面位置布置圖

該尾礦壩壩高較高，庫容較大，為保證大壩的穩(wěn)定安全，欲聯(lián)合采用沿壩體鋪設(shè)水平豎直排滲管和控制干灘長度的措施。排滲管受施工技術(shù)、顆粒淤堵［11］等的影響，其效果常常難以預(yù)測，本文即在此基礎(chǔ)上探索該尾礦壩的干灘長度控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 材料分布與計算參數(shù)

本文根據(jù)上游式尾礦壩的沉積規(guī)律，按分區(qū)選取尾礦料滲透系數(shù)的方法［12－14］，自下游至上游依次將尾礦分為尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉土和尾粉粘五種材料，將上述五種尾礦料按沉積時間的不同，又各自分為A、B、C、D四個區(qū)。計算模型的材料分區(qū)和滲透系數(shù)見圖2和表1。

圖2 典型剖面及材料分區(qū)示意圖

表1 滲透系數(shù)選取表

3.3 排滲管的處理

本文按面積等效原則［15］，將圓形的排水孔簡化為矩形截面在模型中進行實體建模，為了真實地反映排滲管的排水效果，采取賦予較大滲透系數(shù)的方法，本文取1 cm／s。

3.4 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

利用Seep－3D有限元滲流計算軟件按圖1及剖面詳圖建立數(shù)值計算模型，按六面體八節(jié)點單元進行網(wǎng)格剖分，共劃分單元95 446個，節(jié)點105 546個，計算模型與網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 計算模型與網(wǎng)格劃分圖

3.5 干灘長度結(jié)果分析

本文在三維有限元滲流計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用強度折減法計算了該尾礦壩在不同干灘長度下的邊坡最小安全系數(shù)。尾礦壩堆積至1 203 m高程時各種計算參數(shù)隨干灘長度的變化規(guī)律如圖4所示。

（1）隨著干灘長度的增加，尾礦壩坡面的最大水力坡降有明顯的減小。為保證大壩的安全穩(wěn)定，本文的允許水力坡降按0.12考慮。干灘長度為100 m時，壩面最大水力坡降為0.14，壩體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；干灘長度超過150 m后最大水力坡降小于0.12，壩體處于穩(wěn)定水平，說明干灘長度超過150m后均能滿足滲透穩(wěn)定性要求；

（2）按表2取各尾礦料的平均滲透系數(shù) k為2.88×10－4cm／s，允許水力坡降［i］按0.12考慮，尾礦壩沉積灘最大過流斷面進行地形概化后斷面面積A為3.80×105m2，按式（2）估算的壩體總流量為：

圖4 各計算參數(shù)隨干灘長度的變化曲線

由圖4（b）可以看出，隨干灘長度的增加，壩坡的總滲流量有明顯的減小。干灘長度為100m時滲流量為174.26 L／s，滲透流量偏大；干灘長度為150 m時滲流量為155.04 L／s，略大于估算值，認(rèn)為干灘長度應(yīng)控制在150m以上；

（3）干灘長度由小到大變化時，尾礦中的浸潤線至大壩坡面的距離由10.41m增加到65.06m，說明干灘長度對浸潤線的位置影響很大，浸潤線的退后對大壩的穩(wěn)定安全有利；干灘長度為50m、100m、150m時的浸潤面埋深分別為10.41 m、13.86 m、18.70m，均能滿足文獻［5］規(guī)定的6 m～8 m的要求，但浸潤面的埋深應(yīng)留有一定的富余，如按15 m埋深考慮，該尾礦壩的干灘長度應(yīng)控制在150 m左右；

（4）邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果說明，危險滑弧面位于初期壩與堆積壩接觸部位，由于堆積壩壩面坡度較緩，其安全系數(shù)較高。干灘長度由小變大時，尾礦壩最小安全系數(shù)變化不是很大，均大于規(guī)程［2］規(guī)定的1.25，主要是因為初期壩部位的浸潤面埋深較深，孔隙水壓力對壩坡的失穩(wěn)貢獻值不是很大。說明邊坡穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)不是確定該尾礦壩干灘長度的控制性標(biāo)準(zhǔn)。

由以上分析可知，不同的判據(jù)所確定的干灘長度有所差別，這充分說明了尾礦壩工程的復(fù)雜性。結(jié)合規(guī)程［2］規(guī)定，確定該尾礦壩的干灘長度為150m。

4 結(jié) 論

（1）本文提出了根據(jù)允許水力坡降、允許最大流量、浸潤面埋深以及邊坡穩(wěn)定性等判據(jù)確定尾礦壩干灘長度的方法。

（2）研究了尾礦滲透系數(shù)、尾礦填筑速度、排滲設(shè)施以及尾礦壩壩高等因素對尾礦壩干灘長度控制的影響。當(dāng)尾礦的滲透系數(shù)較小、尾礦填筑速度較快、排滲設(shè)施效果較差以及尾礦壩壩高較高時，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾游驳V壩的干灘長度。

（3）通過一個實例工程驗證了本文方法的可行性和可靠度。根據(jù)本文提出的方法，確定該尾礦壩的干灘長度為150m；根據(jù)規(guī)程［2］規(guī)定，該尾礦壩最小干灘長度100 m。為保證壩體穩(wěn)定，確定該尾礦壩的干灘長度為150m。建議采用本文方法確定尾礦壩的干灘長度。

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Determination Method for Beach W idth of Tailings Dams and Its Influence Factors

LIQuan1，DANG Fa－ning1，GUO Zhen－shi2，REN Jie1
（1.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an，Shaanxi 710048，China；2.Jinduicheng Molybdenum Group Co.，Ltd.，Huaxian，Shaanxi714102，China）

At present，there is no unified standard for beach width of the tailings dams.Taking the allowing hydraulic gradient，allowingmaximum flow，depth of the saturation and slope stability into account，amethod was put forward to determine the beach width.The influences of the permeability coefficient，the filling speed，the drainage facilities and the tailings dam heightof the beachwidthwere analyzed.The resultsof this study showed that the beachwidth should be expandedwhen the permeability coefficient is smaller，tailing filling is faster，effect of the drainage facilities is poor or the heightof the tailings dam is higher.The resultof example analysis indicates that themethod suggested by this study is feasible and reliable.Comparingwith the conventionalmethod，it ismore accurate at determining the beachwidth.

tailings dam；beach width；determinationmethod；influence factors

TV649

A

1672—1144（2014）04—0014—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.003

2014－04－03

2014－04－25

水利部公益性行業(yè)科研專項（201201053－03）；陜西省黃土力學(xué)與工程重點實驗室重點科研計劃項目（09JS103）

李 權(quán)（1989—），男 ，陜西西安人 ，碩士研究生 ，研究方向為巖土及水利工程數(shù)值仿真分析。