黨發(fā)寧 李 權(quán) 薛海斌 任 劼 郭振世

(1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所；2.金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司)

排滲設(shè)施對(duì)某尾礦壩滲流穩(wěn)定性的影響分析

黨發(fā)寧1李 權(quán)1薛海斌1任 劼1郭振世2

(1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所；2.金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司)

為探索不同排滲設(shè)施對(duì)尾礦壩滲透穩(wěn)定性的影響，以某上游式尾礦壩為例，通過(guò)對(duì)比水平-豎直聯(lián)合排滲管、水平排滲管、豎直排滲管、庫(kù)岸排滲支溝及庫(kù)底排滲盲溝分別失效后壩體的滲透穩(wěn)定狀態(tài)，認(rèn)為水平排滲管對(duì)滲流量的影響最大，庫(kù)底排滲盲溝對(duì)滲透坡降以及浸潤(rùn)線埋深的影響最大，并給出了不同排滲設(shè)施對(duì)尾礦壩滲流要素的影響大小比較，為尾礦壩排滲設(shè)施施工提供參考依據(jù)。

尾礦壩 排滲設(shè)施 滲流量 水力坡降 浸潤(rùn)線

尾礦庫(kù)內(nèi)的水沿壩體向下游不斷滲透形成浸潤(rùn)線，壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線越高，壩體穩(wěn)定性越差。壩內(nèi)設(shè)置排滲設(shè)施可有效地降低浸潤(rùn)線，并有利于尾礦料的滲透固結(jié)，是增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性的重要措施[1]。

為了探索排滲設(shè)施對(duì)尾礦壩滲流特性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。李亞楠通過(guò)比較無(wú)防滲排滲措施、壩體坡表鋪設(shè)排滲管及排滲管+排滲盲溝的有限元計(jì)算結(jié)果，指出增設(shè)排滲設(shè)施能有效提高壩體穩(wěn)定性[2]；金松麗等總結(jié)了常見(jiàn)尾礦壩排滲設(shè)施的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)[3]；彭易華等通過(guò)工程實(shí)例，指出采用垂直-水平聯(lián)合自流排滲體可以很好地提高尾礦壩的排滲效果[4]；郭振世等通過(guò)對(duì)栗西尾礦壩進(jìn)行有限元滲流預(yù)測(cè)分析，提出聯(lián)合采用輻射井和控制干灘長(zhǎng)度即可確保尾礦壩的穩(wěn)定和安全[5]。

尾礦壩工程是一項(xiàng)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(zhǎng)，尾礦料的滲透固結(jié)特性比較復(fù)雜，單一的排滲類型往往難以滿足安全穩(wěn)定要求，需要聯(lián)合采用不同的排滲措施。本文試圖通過(guò)對(duì)某尾礦壩不同排滲措施的滲流計(jì)算分析，找出不同排滲體對(duì)尾礦壩滲流要素的影響，從而更合理地確定尾礦壩的滲控方案，以提高尾礦壩的穩(wěn)定性。

1 排滲體排滲效果的評(píng)價(jià)方法

1.1 壩體的滲透流量

對(duì)尾礦壩進(jìn)行滲透量控制主要是為了降低壩體的浸潤(rùn)線[6]。壩體的滲透量不宜太大，否則容易發(fā)生水力破壞；其值又不能太小，壩內(nèi)滲水不能及時(shí)排出，會(huì)擴(kuò)大飽和區(qū)范圍，降低壩體的有效承載力。

通過(guò)對(duì)比不同排滲設(shè)施對(duì)壩體排滲量的貢獻(xiàn)值來(lái)確定滲透水的主要通道，從而加強(qiáng)目標(biāo)區(qū)的排滲設(shè)施管理。

1.2 滲流關(guān)鍵區(qū)的水力坡降

滲流關(guān)鍵區(qū)的水力坡降直接反應(yīng)壩體的滲流穩(wěn)定狀態(tài)，在筑壩材料和干灘長(zhǎng)度已定的情況下，排滲設(shè)施直接影響壩內(nèi)滲水的流通方向，從而影響壩體各關(guān)鍵位置的水力坡降，為確保壩體的安全穩(wěn)定，尾礦料各關(guān)鍵位置的溢出水力坡降必須限制在允許水力坡降之內(nèi)。

不同排滲設(shè)施對(duì)壩體滲流溢出口處水力坡降的影響不盡相同，通過(guò)對(duì)比不同排滲設(shè)施作用下壩坡的水力坡降，可以比較不同排滲體對(duì)壩體滲透穩(wěn)定的影響大小。

1.3 浸潤(rùn)線的埋深

浸潤(rùn)線埋深是尾礦壩工程中最重要的控制參數(shù)之一，文獻(xiàn)[7]規(guī)定尾礦壩的浸潤(rùn)線埋深最小范圍為6～8 m。對(duì)于等級(jí)較高的尾礦壩，應(yīng)相應(yīng)地提高控制標(biāo)準(zhǔn)。

不同排滲設(shè)施的排滲機(jī)理有所差別，降低浸潤(rùn)線的能力也會(huì)有所不同，根據(jù)不同排滲設(shè)施作用下浸潤(rùn)線的埋深即可評(píng)價(jià)其排滲效果。

2 工程背景

某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)高為1 012 m，壩頂標(biāo)高為1 080 m，初期壩高68 m，尾礦最終堆積標(biāo)高為1 203 m，尾礦堆壩高123 m，總壩高為191 m，堆積壩平均外坡比為1∶5，沉積灘平均坡比為3∶100，設(shè)計(jì)干灘長(zhǎng)度為150 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容為2.35億m3，設(shè)計(jì)有效庫(kù)容為2億m3，服務(wù)年限為24.3 a，為二等尾礦庫(kù)，構(gòu)筑物級(jí)別為二級(jí)，其平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 某尾礦壩平面布置

該尾礦壩壩體較高，庫(kù)容較大，為保證大壩的穩(wěn)定安全，欲聯(lián)合采用水平排滲管+豎直排滲管+兩岸排滲支溝+下部排滲盲溝的滲控方案。其中，水平與豎直排滲管聯(lián)合作用稱為上部排滲措施，具體措施見(jiàn)表1。各排滲體形式見(jiàn)圖2。

表1 排滲設(shè)施對(duì)照

圖2 排滲設(shè)施布置

3 數(shù)值模擬

3.1 材料分布與計(jì)算參數(shù)

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[5,8-9]，自沉積灘至庫(kù)底依次將尾礦分為尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉土和尾粉黏土5種材料，將上述尾礦料按沉積時(shí)間的不同，又各自分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)。計(jì)算模型的材料分區(qū)和滲透系數(shù)見(jiàn)圖3和表2。

圖3 典型剖面及材料分區(qū)示意

表2 滲透系數(shù)選取

3.2 排滲體的處理

按面積等效原則[10]，將圓形的水平、豎直排滲管簡(jiǎn)化為矩形截面在模型中進(jìn)行實(shí)體建模，為了真實(shí)地反映排滲管的排滲效果，采取賦予較大滲透系數(shù)的方法，取1 cm/s。位于庫(kù)岸的排滲支溝以及庫(kù)底的排滲褥墊和盲溝均按實(shí)際尺寸和空間位置建在數(shù)值模型中。

3.3 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

利用Seep-3D有限元滲流計(jì)算軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，按六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分單元95 446個(gè)，節(jié)點(diǎn)105 546個(gè)，計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

4 有限元計(jì)算結(jié)果

在設(shè)計(jì)干灘長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了全部排滲體正常運(yùn)行及部分排滲設(shè)施失效的三維滲流有限元計(jì)算，對(duì)比了不同的排滲設(shè)施對(duì)滲流場(chǎng)的影響，具體結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 各工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出：

(1)通過(guò)不同排滲設(shè)施分別失效與其全部正常使用時(shí)壩體的總滲流量差值比較，水平排滲管對(duì)排滲體的排滲量貢獻(xiàn)最大，為37.2 L/s；豎直排滲管的貢獻(xiàn)最小，為1.04 L/s；兩岸排滲支溝的排滲量大于庫(kù)底排滲褥墊+盲溝的排滲量；水平-豎直排滲管的排滲效果與水平排滲管的效果相當(dāng)，主要是因?yàn)樗脚艥B管可深入尾礦堆壩內(nèi)部，滲透水通過(guò)水平管可直接排出壩外，而豎直管只是將壩坡淺處的水導(dǎo)流進(jìn)水平管，當(dāng)壩體整體浸潤(rùn)線埋深較深時(shí)，豎直排滲管的效果就不是很明顯。

(2)當(dāng)排滲設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)，尾礦堆壩坡面的最大水力坡降最小，為0.12，壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)；五種排滲方式分別失效時(shí)，壩體坡面處的水力坡降均接近或大于臨界坡降，壩體處于局部或整體不穩(wěn)定狀態(tài)。其中，庫(kù)底褥墊+盲溝失效時(shí)，坡面處的水力坡降最大，達(dá)到0.30，說(shuō)明下部排滲設(shè)施對(duì)壩體的水力坡降最為敏感。

(3)當(dāng)排滲設(shè)施正常時(shí)，浸潤(rùn)線埋深最大，為18.70 m；下部排滲失效時(shí)，浸潤(rùn)線埋深最小，為13.18 m，其余各工況的浸潤(rùn)線埋深均在15.6～15.7。計(jì)算結(jié)果均滿足文獻(xiàn)[7]規(guī)定的6～8 m的最小埋深范圍要求。說(shuō)明該尾礦壩整體結(jié)構(gòu)布置較好，能滿足部分排滲設(shè)施失效時(shí)對(duì)浸潤(rùn)線的最小埋深要求。

由以上分析可知，排滲設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)，壩體處于滲流穩(wěn)定狀態(tài)；兩岸側(cè)排滲失效時(shí)，壩體處于局部不穩(wěn)定狀態(tài)；其余排滲設(shè)施失效時(shí)，壩體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。可見(jiàn)，排滲設(shè)施對(duì)尾礦壩的滲流穩(wěn)定性非常敏感。

5 結(jié) 論

(1)該尾礦壩排滲設(shè)施對(duì)滲流量的影響由大到小的排列順序依次為水平排滲、上部排滲、兩岸側(cè)排滲、下部排滲和豎直排滲。

(2)該尾礦壩排滲設(shè)施對(duì)滲透坡降的影響由大到小的排列順序依次為下部排滲、上部排滲、水平排滲、豎直排滲和兩岸側(cè)排滲。

(3)該尾礦壩排滲設(shè)施對(duì)浸潤(rùn)線埋深的影響由大到小的排列順序依次為下部排滲、水平排滲、上部排滲、豎直排滲和兩岸側(cè)排滲。

(4)排滲設(shè)施對(duì)壩體的滲透穩(wěn)定性影響較大，建議加強(qiáng)水平排滲和庫(kù)底排滲的施工質(zhì)量，同時(shí)在保證排滲設(shè)施施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上增加干灘長(zhǎng)度。

[1] 周漢民．尾礦庫(kù)建設(shè)與安全管理技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

[2] 李亞楠．某尾礦庫(kù)壩體三維滲流分析[D]．鄭州：華北水利水電大學(xué)，2013．

[3] 金松麗．尾礦壩排滲技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2012(7)：35-38．

[4] 彭易華．垂直、水平聯(lián)合自流排滲法加固壩體的研究[J]．土工基礎(chǔ)，2006,14(2)：15-19．

[5] 郭振世，速寶玉，仵彥卿，等．栗西尾礦壩三維滲流預(yù)測(cè)與控制研究[J]．西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25(2)：160-163．

[6] 李 權(quán)，黨發(fā)寧，郭振世，等．尾礦壩干灘長(zhǎng)度確定方法及影響因素分析[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(4)：14-17．

[7] 尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料編寫(xiě)組．尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1980．

[8] 郭振世，仵彥卿，詹美禮，等．高堆尾礦壩堆積特性及三維滲流數(shù)值分析研究[J]．水土保持通報(bào)，2009，29(3)：188-192．

[9] 郭振世．高堆尾礦壩穩(wěn)定性分析及加固關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．西安：西安理工大學(xué)，2010．

[10] 田春亮，趙宏斌，郭 娟，等．某尾礦壩三維有限元滲流分析[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8(5)：121-123．

*陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：09JS103)。

2014-10-10)

黨發(fā)寧(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，710048 陜西省西安市。