曹紀(jì)剛 毛權(quán)生 吳鵬程

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

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磷石膏高堆積場(chǎng)三維滲流模擬及滲流穩(wěn)定性分析

曹紀(jì)剛1，2，3毛權(quán)生1，2，3吳鵬程1，2，3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

磷石膏的沉積規(guī)律與一般尾礦差別較大，其堆場(chǎng)的滲流特性也區(qū)別于一般尾礦庫(kù)。針對(duì)國(guó)內(nèi)某一大型磷石膏堆場(chǎng)的實(shí)際情況，運(yùn)用三維滲流有限元方法，分析了磷石膏堆積壩現(xiàn)狀及最終工況下的滲流場(chǎng)及滲流穩(wěn)定性。結(jié)果表明，最終堆積標(biāo)高時(shí)浸潤(rùn)線從坡面溢出，且下游部分坡面水力坡降大于允許滲透坡降或者余量較小，后期運(yùn)行過程中應(yīng)采取措施進(jìn)行治理。

磷石膏高堆積場(chǎng) 三維滲流 滲流穩(wěn)定性

我國(guó)現(xiàn)有尾礦庫(kù)8 540座[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)尾礦堆存總量已超過70億t，每年產(chǎn)出的尾礦量約3億t。尾礦庫(kù)的重大事故不僅對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅,也將給企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和極壞的社會(huì)影響。而尾礦庫(kù)地下水分布作為影響整個(gè)壩體穩(wěn)定性的主要因素也顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)磷石膏渣場(chǎng)滲流研究成果相對(duì)較少，特別是高堆積場(chǎng)的。徐晗等[2]根據(jù)磷石膏渣壩滲流場(chǎng)的分布特征以及壩坡的穩(wěn)定性，提出在初期壩上游以及磷石膏下游底部設(shè)置排滲棱體的方案；郭茜等[3]對(duì)大峪口磷石膏尾礦壩進(jìn)行了多種工況下的滲流場(chǎng)分析，認(rèn)為干灘長(zhǎng)度變化以及排滲墊層的淤堵程度對(duì)浸潤(rùn)線的影響十分明顯，干灘長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壩體浸潤(rùn)線越低；排滲墊層淤堵越重，浸潤(rùn)線越高。以國(guó)內(nèi)某一大型磷石膏高堆積場(chǎng)為例，運(yùn)用三維滲流有限元方法，分析了磷石膏堆積壩現(xiàn)狀及最終工況下的滲流場(chǎng)及滲流穩(wěn)定性，對(duì)磷石膏堆場(chǎng)的滲流分布以及安全運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

1 三維滲流場(chǎng)有限元原理

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

(1)

式中，xi為坐標(biāo)，i=1，2，3；kij為二階對(duì)稱的達(dá)西滲透系數(shù)張量，描述巖體滲透各向異性；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(xiàng)。

滲流場(chǎng)的邊界條件原則上可分為流場(chǎng)的幾何邊界形狀位置與邊界上起支配作用的條件，從描述流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型來看可以分為以下3類：

(2)

(3)

(4)

式中，ni為邊界面外法線方向余弦；qn為邊界面法向流量，流出時(shí)為正值；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為流量邊界；Γ3為飽和逸出面邊界。

對(duì)飽和無壓滲流場(chǎng)求解，滲流場(chǎng)內(nèi)自由面邊界條件為：

(5)

2 磷石膏堆場(chǎng)三維滲流分析

2.1 工程概況

某磷石膏堆場(chǎng)三面環(huán)山，地表水僅來自四周斜坡地表分水嶺內(nèi)的大氣降水，大氣降水是本區(qū)主要補(bǔ)給來源，雨量較充沛。區(qū)內(nèi)地表多為第四系松散層覆蓋，在枯季很難形成地表徑流或地表水體，但在雨季持續(xù)降雨后，將形成季節(jié)性地表流水，一部分沿區(qū)內(nèi)沖溝匯流至螳螂江，一部分直接下滲補(bǔ)給松散層孔隙、基巖裂隙水。

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，四周斜坡區(qū)域未見泉點(diǎn)出露，現(xiàn)堆場(chǎng)四周設(shè)置了截水溝，雨季降水沿截水溝排出庫(kù)區(qū)外，庫(kù)區(qū)內(nèi)的地表水主要來源于磷石膏漿。

從庫(kù)區(qū)地貌、巖土層結(jié)構(gòu)分析，地下水類型主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，從補(bǔ)給來源分析地下水富水性較弱。尾礦堆積體孔隙比大，結(jié)構(gòu)松散，黏性低，為地下水的賦存提供了良好條件，地下水豐富。

該磷石膏堆場(chǎng)初期壩高25 m，主要為混礫粉質(zhì)黏土組成，局部夾碎石、角礫透鏡體，后期壩體采用磷石膏堆筑?，F(xiàn)磷石膏堆場(chǎng)高60 m，最終堆高150 m，最終屬二等庫(kù)。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)勘察資料，對(duì)尾粉土、素填土和混礫粉質(zhì)黏土進(jìn)行了垂直滲透試驗(yàn)，得出垂直滲透系數(shù)值，見表1。一般尾砂表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，但磷石膏堆積體表現(xiàn)出的各項(xiàng)滲透系數(shù)基本相同，本次按照均質(zhì)體進(jìn)行計(jì)算。

表1 垂直滲透試驗(yàn)成果

2.3 有限元模型建立

為盡可能正確地模擬該磷石膏堆場(chǎng)滲流場(chǎng)，本次計(jì)算以場(chǎng)區(qū)勘察結(jié)果、初期壩及現(xiàn)狀尾礦堆積的實(shí)際情況、尾礦沉積規(guī)律、巖體水文地質(zhì)特性結(jié)果及山體地形地貌狀況等為依據(jù)，選擇場(chǎng)區(qū)滲流場(chǎng)計(jì)算域大小，確定其滲流的邊界條件，對(duì)材料進(jìn)行合理概化分區(qū)。

本次建模x軸正向?yàn)檎龞|方向，y軸正向?yàn)檎狈较?，z軸為鉛直向上。網(wǎng)格單元主要是八結(jié)點(diǎn)六面體空間等參單元，同時(shí)輔以六節(jié)點(diǎn)五面體空間等參單元，最終形成疏密有致、質(zhì)量較高的三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格?，F(xiàn)狀堆高模型見圖1(a)，最終堆積標(biāo)高(即堆積標(biāo)高1 995 m)模型見圖1(b)。

圖1 渣場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格

2.4 邊界條件

由于該磷石膏堆場(chǎng)內(nèi)滲流主要受場(chǎng)內(nèi)水位影響，計(jì)算域四周邊界選擇分水嶺近似作為不透水滲流對(duì)稱面，將底部取至高程1 750 m處后，將底面近似作為磷石膏堆場(chǎng)滲流場(chǎng)的底部不透水邊界；將壩體外坡以及下游山體表面看做可能逸出邊界面，具體實(shí)際逸出面的大小將在滲流場(chǎng)迭代求解的過程中搜索確定。

2.5 研究方案

本次研究正常工況上游水位取勘察庫(kù)內(nèi)水位，洪水工況根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》要求給定上游控制水位。滲流計(jì)算方案及相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 滲流模擬方案

2.6 三維滲流模擬結(jié)果及分析

限于篇幅，本文僅選取主剖面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，見圖2。

從圖2(a)中可以看出，在現(xiàn)狀堆積標(biāo)高正常水位工況下，等水頭線分布均勻。而勘察結(jié)果中碎石土(初期壩位置)滲透性為6.0×10-4cm/s，磷石膏與基巖滲透系數(shù)為(1～2)×10-4cm/s，初期壩與周圍材料的滲透系數(shù)相差僅為3～6倍，對(duì)浸潤(rùn)線降低作用不明顯，浸潤(rùn)線整體較高，滲透水從初期壩腳溢出；從圖2(b)中可以看出，在現(xiàn)狀標(biāo)高最高洪水位工況下，等水頭線分布均勻,與正常水位相比，總體趨勢(shì)比較相似，但浸潤(rùn)線總體都有一定程度的上升，特別是堆積壩頂位置浸潤(rùn)線上升幅度較大，約上升了6.21 m;圖2(c)為最終堆積標(biāo)高正常水位時(shí)的等水頭分布，與現(xiàn)狀堆積標(biāo)高時(shí)的滲流場(chǎng)相比，浸潤(rùn)線有大幅度上升，坡面有滲流溢出，且溢出點(diǎn)位置較高，該剖面的溢出點(diǎn)高程為1 916.06 m；與正常水位工況相比(圖2(c))，浸潤(rùn)線整體有一定程度的提升(圖2(d))，主剖面的溢出點(diǎn)高程為1 922.19 m。

圖2 各工況等水頭分布

由于磷石膏堆積壩的滲透穩(wěn)定性研究范圍主要為壩坡部分，圖3主要截取了上述4個(gè)方案最大水力比降部位的計(jì)算結(jié)果圖，從圖3中可以看出，水力坡降的較大值主要分布在尾粉土(磷石膏堆積壩)和素填土(初期壩及壩腳)中，兩土層的計(jì)算最大滲透坡降見表3。

圖3 各工況水力比降分布

表3 壩體滲透穩(wěn)定性分析

尾粉土屬于無黏性土，滲透變形形式屬于過渡型，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》表C.1(表3)，本次允許水力坡降取0.25；素填土屬于黏性土，滲透變形形式均為流土,臨界水力坡降為0.89。計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)狀工況下的尾粉土及素填土最大水力比降小于相應(yīng)土層的允許水力坡降；洪水工況下尾粉土的最大水力比降大于允許水力比降，該位置為浸潤(rùn)線的坡面溢流位置，故壩坡需要采取措施降低浸潤(rùn)線，如增設(shè)水平孔、輻射井等，以降低最大水力比降在允許范圍內(nèi)；而素填土盡管在允許范圍內(nèi)，但兩者差距較小，安全余量較低，該土層的最大水力比降位置位于壩坡腳處，故應(yīng)在該位置設(shè)置反濾壓坡等措施，以保證該位置的滲透穩(wěn)定。

3 結(jié)論和建議

(1)計(jì)算結(jié)果表明，干灘的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)上游浸潤(rùn)線降低效果越明顯，對(duì)下游降低效果相對(duì)較差。

(2)等水頭線計(jì)算表明，在相同干灘長(zhǎng)度的前提下，隨著尾礦堆積高度的升高，壩體內(nèi)下游處的浸潤(rùn)線不斷上升，最終堆積標(biāo)高時(shí)浸潤(rùn)線已經(jīng)從坡面溢出，對(duì)壩體穩(wěn)定性不利。故在尾礦庫(kù)后期堆壩過程中，應(yīng)采取必要措施降低浸潤(rùn)線。

(3)水力比降計(jì)算表明，與等水頭線趨勢(shì)基本相同，現(xiàn)狀堆高時(shí)各水力比降滿足要求；而最終堆積標(biāo)高時(shí)尾粉土層的最大水力比降大于允許值，容易產(chǎn)生滲透破壞，壩腳素填土層的最大水力比降與允許值之間的余量也較小，后期應(yīng)在壩坡及壩腳部位采取相應(yīng)的措施，以保證磷石膏渣場(chǎng)的滲流穩(wěn)定。

[1] 謝旭陽(yáng),王云海,張興凱,等.我國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,4(2):53-56.

[2] 徐 晗,許 凱,文松霖,等.磷石膏渣壩的穩(wěn)定分析研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院學(xué)報(bào),2008,25(2):42-45.

[3] 郭 茜.大峪口磷石膏尾礦壩滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[4] 曹紀(jì)剛,樂 陶.某山谷型尾礦庫(kù)三維滲流場(chǎng)模擬分析[J].金屬礦山,2013(3):36-38.

Three-dimensional Seepage Simulation and Seepage Stability Analysis of Phosphogypsum High Packing Field

Cao Jigang1,2,3Mao Quansheng1,2,3Wu Pengcheng1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

The difference of sedimentary rules of phosphogypsum and general tailings is big,the seepage characteristics of the yard of phosphorous gypsum is different from general tailings.According to the actual field situations of a phosphogypsum yard in our country,three-dimensional seepage finite element method is adopted to analyze the present situation,seepage filed and seepage stability under the final condition of the phosphogypsum stacking dam.The results show that the saturation line is overflowed from the slope with final accumulation level,the downstream part of the slope seepage slope hydraulic gradient is greater than the allowed seepage slope,besides that,measures should be taken to deal with the phosphogypsum stacking dam in the late process of running.

Phosphogypsum stacking field, Three-dimensional seepage, Seepage stability

2015-04-02)

曹紀(jì)剛(1984—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。